본 논문은 $CO_2$ 히트펌프용 모세관의 기초 설계자료를 제공하기 위해서 모세관 길이 예측에 대해서 이론 및 실험적으로 조사하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 증발온도, 가스냉각기 냉각압력, 냉매유량, 모세관의 관경 등이다. 몇몇 연구자들의 자료를 바탕으로 $CO_2$ 모세관 길이를 예측할 수 있는 수학적 모델식을 작성하였다. 그리고 단열 모세관 팽창장치내 $CO_2$의 증발온도, 냉매유량, 냉각압력 등에 대해서 실험한 결과, 이들 모두는 식 (3)으로 예측한 값과 0.63~10.9%이내에서 좋은 일치를 보였다. 따라 서 본 연구에서는 $CO_2$열펌프 단열 모세관에 대한 기초설계 자료로서, 냉각압력, 증발온도, 모세관 직경, 냉매유량 등의 조건으로부터 모세관 길이를 계산해낼 수 있는 예측 상관식을 제안하였다.
본 논문은 $CO_2$ 히트펌프용 모세관의 기초 설계자료를 제공하기 위해서 모세관 길이 예측에 대해서 이론 및 실험적으로 조사하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 증발온도, 가스냉각기 냉각압력, 냉매유량, 모세관의 관경 등이다. 몇몇 연구자들의 자료를 바탕으로 $CO_2$ 모세관 길이를 예측할 수 있는 수학적 모델식을 작성하였다. 그리고 단열 모세관 팽창장치내 $CO_2$의 증발온도, 냉매유량, 냉각압력 등에 대해서 실험한 결과, 이들 모두는 식 (3)으로 예측한 값과 0.63~10.9%이내에서 좋은 일치를 보였다. 따라 서 본 연구에서는 $CO_2$ 열펌프 단열 모세관에 대한 기초설계 자료로서, 냉각압력, 증발온도, 모세관 직경, 냉매유량 등의 조건으로부터 모세관 길이를 계산해낼 수 있는 예측 상관식을 제안하였다.
In this paper, the prediction of adiabatic capillary tube of heat pump using carbon dioxide is investigated theoretically and experimentally to offer the basic design data for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include evaporation temperature, ...
In this paper, the prediction of adiabatic capillary tube of heat pump using carbon dioxide is investigated theoretically and experimentally to offer the basic design data for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include evaporation temperature, cooling pressure of gas cooler, mass flowrate, and the length and diameter of capillary tube. Based on study results of several researchers, the correlation predicting the length of capillary tube of $CO_2$ heat pump was proposed. And the experimental results of evaporation temperature, mass flowrate and cooling pressure in adiabatic capillary tube have an good agreement to those calculated from Eq. (3) within 0.63~10.9%. Therefore, the prediction calculating the length of adiabatic capillary tube of $CO_2$ heat pump was proposed at the given conditions such as cooling pressure, evaporation temperature and capillary tube diameter.
In this paper, the prediction of adiabatic capillary tube of heat pump using carbon dioxide is investigated theoretically and experimentally to offer the basic design data for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include evaporation temperature, cooling pressure of gas cooler, mass flowrate, and the length and diameter of capillary tube. Based on study results of several researchers, the correlation predicting the length of capillary tube of $CO_2$ heat pump was proposed. And the experimental results of evaporation temperature, mass flowrate and cooling pressure in adiabatic capillary tube have an good agreement to those calculated from Eq. (3) within 0.63~10.9%. Therefore, the prediction calculating the length of adiabatic capillary tube of $CO_2$ heat pump was proposed at the given conditions such as cooling pressure, evaporation temperature and capillary tube diameter.
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문제 정의
CO2 열펌프용 단열 모세관 팽창장치의 길이를 예측하기 위해서 이론 및 실험적으로 분석하였다. 이에 대한 결과를 요약하면 다음과 같다.
9%이내에서 좋은 일치를 보였다. 따라서 본 연구에서는 수송기계용 CO2 열펌프 단열 모세관에 대한 기초설계 자료로서, 냉각압력, 증발온도, 모세관 직경, 냉매유량 등의 조건으로부터 모세관 길이를 계산해낼 수 있는 예측 상관식을 제안하였다.
따라서 본 절에서는 [5]의 분석데이터에 대한 다중 회귀분석을 통해 CO2용 단열모세관의 길이를 예측할 수 있는 수학적 방정식을 개발하고자 한다. [5]의 논문 결과에서, Lcap는 모세관 입구 온도 (Tcap,in)와 압력(Pcap,in), 증발온도(Te), 관경(di), 냉매유량(mre)에 영향을 받음을 알 수 있었고, 이를 함수식으로 나타내면 다음과 같다.
따라서, 본 연구에서는 CO2 냉매를 적용한 히트펌프용 단열 모세관의 길이 예측에 영향을 미치는 인자들을 이론 및 실험적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 CO2를 적용한 모세관의 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
실험장치는 CO2 열펌프용 단열 모세관 팽창장치의 성능을 평가하기 위하여 고안되었다. CO2 열펌프용 단열 모세관 팽창장치의 성능을 계산하고 평가하기 위해 모세관 입출구의 온도와 압력 그리고 냉매질량유량의 측정값이 필요하다.
제안 방법
모세관 입출구의 압력을 측정하기 위해 절대압 측정기를 설치하며, 압력강하는 차압계를 이용하여 측정하였다. 그리고 냉매 유량은 질량유량계를 사용하여 측정하였다.
53 mm이고, 외관은 내경이 25 mm, 외경이 30 mm인 동관으로 각각의 길이는 4000 mm와 5000 mm이다. 내관은 누설 방지와 고압인 CO2 시스템에서 안전을 보장하기 위해 용접이나 피팅과 같은 연결 부위가 없게 하나의 관을 이용하여 가공하였다. 2차유체는 환상 부분에 흐르며 냉매와 반대 방향으로 흐른다.
따라서 온도, 압력 및 질량유량의 측정위치는 Figure 3에 나타낸다. 모세관 입출구의 압력을 측정하기 위해 절대압 측정기를 설치하며, 압력강하는 차압계를 이용하여 측정하였다. 그리고 냉매 유량은 질량유량계를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
시험부인 팽창장치는 동관으로 제작된 모세관을 사용하였다. 다양한 실험 데이터를 취득하기 위해서 모세관의 직경과 길이는 각각 0.84mm와 1~4 m로 제작하였다. 그리고 모세관은 외부로의 열출입을 방지하기 위해서 단열하였다.
이렇게 함으로서, 시스템이 냉매 유출 때문에 너무 불안정해지는 걸 방지하고 압력을 새로운 최적의 고압으로 변화시키는 동시에 증발기에 원활하게 냉매를 공급할 수 있도록 해준다. 시험부인 팽창장치는 동관으로 제작된 모세관을 사용하였다. 다양한 실험 데이터를 취득하기 위해서 모세관의 직경과 길이는 각각 0.
실험장치에 사용된 가스냉각기와 증발기는 내관에 냉매가 흐르고 외관에는 2차유체가 흐르는 2중관 형태의 대향류 열교환기로서 동관을 이용하여 제작하였다. Figure 3에 나타난 바와 같이 가스냉각기와 증발기의 내관은 내경이 7.
성능/효과
용 히트펌프의 단열 모세관내 유동특성에 대해서 수치적으로 조사하였다. 그 결과 냉동능력, 모세관 직경과 길이, 최대 질량유량 등에 대한 관계식을 나타내었으며, 최적의 냉동능력을 발휘할 수 있는 최적의 모세관 길이와 직경이 찾을 수 있다고 하였다. [4]은 내경 1.
이는 증발온도의 영향에서 살펴 본 것과 같이, 모세관 길이가 증가할수록 냉매 압력강하가 더욱더 증가하기 때문이다. 그리고 냉매유량에 대한 실험값과 예측값의 비교 결과, 실험값이 예측값보다 약간 높게 나타났다. 이는 전술한 증발온도와 동일한 이유로 실제 CO2냉매가 모세관내를 통과할 때 플래쉬 가스의 발생량이 많아지기 때문이다.
하지만, 몇몇 연구자들의 자료를 바탕으로 냉매유량, 모세관 길이를 예측할 수 있는 수학적 모델식의 작성을 완료 하였다. 그리고 단열 모세관 팽창장치내 CO2의 증발온도, 냉매유량, 냉각압력 등에 대해서 실험한 결과, 이들 모두는 식 (3)으로 예측한 값과 0.63~10.9%이내에서 좋은 일치를 보였다. 따라서 본 연구에서는 수송기계용 CO2 열펌프 단열 모세관에 대한 기초설계 자료로서, 냉각압력, 증발온도, 모세관 직경, 냉매유량 등의 조건으로부터 모세관 길이를 계산해낼 수 있는 예측 상관식을 제안하였다.
이는 증발온도가 일정한 경우 모세관 길이가 증가할수록 냉매유량이 감소하여 압축기 토출측 온도(압력)가 상승하기 때문이다. 그리고 증발온도에 대한 실험값과 예측값의 비교 결과, 실험값이 예측값보다 약간 낮게 나타났다. 이는 실제로 CO2냉매가 단열 모세관내를 통과할 때 압력강하가 더 많이 발생하기 때문이다.
즉, 이는 모세관 길이가 증가할수록 냉매 압력강하가 더욱더 증가하기 때문이다. 그리고 증발온도에 대한 실험값과 예측값의 비교 결과, 실험값이 예측값보다 약간 높게 나타났다. 이는 CO2냉매가 단열 모세관내를 통과할 때 액의 일부가 증발하여 기상으로 바뀌고, 이렇게 발생한 기상(플래쉬 가스)은 모세관내를 통과할 때 더욱더 큰 압력강하를 발생시키기 때문이다.
이는 전술한 증발온도와 동일한 이유로 실제 CO2냉매가 모세관내를 통과할 때 플래쉬 가스의 발생량이 많아지기 때문이다. 또한 증발온도에 대한 실험값과 예측값은 0.64~10.9% 이내에서 좋은 일치를 보였다. 이 수치는 본 실험의 오차범위 내에 들어오는 것이다.
이는 실제로 CO2냉매가 단열 모세관내를 통과할 때 압력강하가 더 많이 발생하기 때문이다. 또한 증발온도에 대한 실험값과 예측값은 1.04~3.7% 이내에서 좋은 일치를 보였다.
즉 실제 CO2냉매가 모세관내를 통과할 때 플래쉬 가스 (flash gas)의 발생으로 인해 액상의 양보다 기상의 양이 많아지고 액상의 압력강하보다 기상의 압력 강하가 휠씬 더 크기 때문이다. 또한 증발온도에 대한 실험값과 예측값은 6.5~9.9% 이내에서 좋은 일치를 보였다. 이 수치는 본 실험의 오차범위 내에 들어오는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2 열펌프 단열 모세관이 들어간 초임계 CO2 열펌프 시스템은 어떻게 구성되어있나?
CO2 열펌프 단열 모세관 성능평가 실험장치의 주요 구성요소는 Figure 3에 제시하였다. 초임계 CO2 열펌프 시스템은 밀폐형 압축기, 초임계 가스 냉각기, 모세관 팽창장치, 증발기, 수액기로 구성되어 있다.
CO2 히트펌프용 모세관의 길이와 직경을 재설계해야하는 이유는 무엇인가?
따라서 주어진 운전조건하에서 모세관의 길이와 직경을 정확하게 선정하는 것은 모세관 설계시에 대단히 중요하다. 특히 최근에 각광받고 있는 CO2 히트펌프용 모세관은 프레온계 냉매와는 달리 CO2는 초임계 사이클로 운전되기 때문에 모세관 길이와 직경은 재설계해야 한다[1].
증기압축식 히트펌프에서 모세관의 역할은 무엇인가?
증기압축식 히트펌프의 팽창장치 중의 하나인 모세관은 응축기 출구의 고압냉매액을 증발기 입구의 저압냉매액과 증기로 팽창시키는 역할을 한다. 따라서 주어진 운전조건하에서 모세관의 길이와 직경을 정확하게 선정하는 것은 모세관 설계시에 대단히 중요하다.
참고문헌 (6)
Wilson, I. and Maier, D., "Carbon dioxide for use as a refrigerant. In: Refrigeration Science and Technology", Proceedings, IIR-IRHACE Conference, Innovative Equipment and Systems for Comfort and Food Preservation. The University of Auckland, pp. 305-311, 2006.
Sawalha, S., "Using $CO_2$ in supermarket refrigeration", ASHRAE J. vol. 47, no. 8, pp.26-30, 2005.
Agrawal, N. and Bhattacharyya, S., "Adiabatic capillary tube flow of carbon dioxide in a transcritical heat pump cycle", Int. J. of Energy Research, vol. 31, pp. 1016-1030, 2007.
Chen, Y. and Gu J., "Non-adiabatic capillary tube flow of carbon dioxide in a novel refrigeration cycle", Applied Thermal engineering, vol. 25, pp. 1670-1683, 2005.
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