[논문]분배기와 모세관을 고려한 히트펌프용 증발기 성능 모사

박영기; 예휘열; 이관수

doi:10.6110/kjacr.2012.24.6.476

[국내논문] 분배기와 모세관을 고려한 히트펌프용 증발기 성능 모사
Numerical Simulation of a Heat Pump Evaporator Considering the Pressure Drop in the Distributor and Capillary Tubes 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.6, 2012년, pp.476 - 486

박영기 (한양대학교 기계공학부) , 예휘열 (한양대학교 기계공학부) , 이관수 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A simulation program was developed to evaluate the heat transfer performance of a multi-pass fin-tube evaporator, considering the pressure drop in the distributor and capillary tubes. The effect of capillary tube length for each pass was analyzed with various inlet air flow types and distributions. The appropriate capillary tube length distribution and correlation were determined for various inlet air flow types and distributions. The correlated results agreed well with the simulation, with an average error of less than 7%. By applying an optimal capillary tube length distribution, the heat transfer rate was increased by 4~5% compared to cases with uniform tubelength distributions, for each of the inlet air flow types and distributions considered in this study.

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문제 정의

컴퓨터 시뮬레이션에 의한 성능 평가는 실험을 통한 방법에 비해 적은 시간과 비용이 요구되는 이점으로 인해 널리 이용되고 있다. 성능 평가 시뮬레이션의 목적은 다양한 열교환기 형상 및 유동조건에서의 열교환기 성능해석을 통해 연구개발 기간 단축 및 설계비용을 절감하는데 있다.
⁽³⁾는 section-by-section method에 의한 증발기 해석 모델을 제시하였고, 각 section에서의 계산을 통해 전체 열교환기 해석을 수행하였다. 제시된 모델은 일반화된 열교환기 설계 방법을 제공하는 목적으로 개발되었고, 임의의 냉매 유로 형상 및 불균일 공기 유속 분포에 대한 해석이 가능하다. Liang et al.
본 연구에서는 다패스 증발기내 분배기 및 모세관에서의 압력강하를 고려한 증발기 시뮬레이션을 개발하였다. 개발한 시뮬레이션을 이용해 실제 존재 가능한 공기 불균일 유속 분포에 대응하여 모세관 길이 분포의 영향을 분석하였고, 적절한 모세관 길이 분포에 대한 관계식을 도출하였다.
본 절에서는 증발기에서의 분배기와 모세관내 압력강하가 열교환기 전열성능에 미치는 영향을 분석하였다. 분석을 위한 열교환기는 Lee et al.
그들에 의하면 공기 불균일 유속 분포가 열교환기 전열성능에 최대 5%의 영향을 미친다. 따라서 본 절에서는 분배기 및 모세관 내 압력강하를 고려한 열교환기에서 공기유속 분포에 의한 열전달 성능을 분석하였다. 입구 공기 유속 분포는 Fig.
본 연구에서는 다패스 증발기내 분배기와 모세관에서의 압력강하를 고려한 성능해석 프로그램을 개발하였다. 분배기와 모세관내 압력강하를 고려한 경우, 고려하지 않은 경우와 비교하였을 때 4～6%의 열전달 성능 차이가 있다.

가설 설정

해석모델에서 패스별 유량분배는 등압법(equal pressure method)에 의해 계산된다. 등압법은 패스에서의 압력 강하량을 유량분배의 기준으로 두고, 패스에서의 유량은 각 패스에서의 압력 강하량이 같아지도록 분배된다고 가정한다. 즉, 각 유로를 통과한 압력강하가 같아지도록 유량을 재분배하는 방법으로 반복 계산하였다.

제안 방법

Liu et al.⁽²⁾는 그래프 이론에 기반한 휜-튜브 열교환기 해석 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 고정된 냉매 유로 형상의 열교환기 해석에 국한되지 않고, 다양한 냉매 유로 형상에 대한 해석이 가능하다.
Jiang et al.⁽³⁾는 section-by-section method에 의한 증발기 해석 모델을 제시하였고, 각 section에서의 계산을 통해 전체 열교환기 해석을 수행하였다. 제시된 모델은 일반화된 열교환기 설계 방법을 제공하는 목적으로 개발되었고, 임의의 냉매 유로 형상 및 불균일 공기 유속 분포에 대한 해석이 가능하다.
Liang et al.⁽⁴⁾는 R-134a 냉매를 사용하는 증발기에 대하여 성능해석과 실험을 수행하였다. 또한 열교환기 냉매 유로 형상에 따른 성능 분석을 통해 유로 설계의 중요성을 부각시켰으며, 형상 설계에 따라 열교환기 전열 성능이 최대 5% 정도 개선 됨을 보였다.
본 연구에서는 다패스 증발기내 분배기 및 모세관에서의 압력강하를 고려한 증발기 시뮬레이션을 개발하였다. 개발한 시뮬레이션을 이용해 실제 존재 가능한 공기 불균일 유속 분포에 대응하여 모세관 길이 분포의 영향을 분석하였고, 적절한 모세관 길이 분포에 대한 관계식을 도출하였다.
증발기 입구에서의 2상 냉매는 분배기로 유입되고, 모세관을 통해 열교환기의 각 패스로 전달된다. 이러한 형태의 증발기를 해석하기 위해 본 연구에서는 해석 모델을 연산 제어 모듈, 소구간계산 모듈, 분배기 및 모세관 내 압력강하 계산 모듈, 유량 분배모듈 그리고 물성치 계산 모듈로 구성하였다. 열교환기 해석은 분배기 및 모세관 내 압력강하 계산모듈에 의해 열교환기 전단의 분배기와 모세관 내에서 발생하는 압력강하를 우선 산정하여, 그 출구압력을 열교환기 각 패스의 입구압력으로 전달한다.
열교환기는 각 튜브를 소구간으로 분할하여 소구간계산 모듈에 의해 열전달량과 압력강하를 산정한다. 각 소구간 계산 시 요구되는 공기와 냉매의 물성치는 물성치 계산 모듈로부터 도출하였다. 소구간 계산이 열교환기 냉매 측 출구까지 완료되면, 각 패스를 통한 압력 강하를 이용하는 유량 분배 모듈에 의해 각 패스의 유량이 재 산정 된다.
열교환기를 소구간으로 분할하여 각 소구간에 대한 열전달 및 압력강하를 산정하였다. 각 소구간은 Fig.
냉매의 열전달 계수는 냉매의 상태에 따라 각각의 적합한 상관식을 적용하였고, 공기측 열전달 계수는 휜의 종류에 따라 각각의 상관식을 적용하였다. 적용된 냉매 및 공기측 열전달 계수 상관식은 Table 1에 나타내었다.
계산된 엔탈피와 해당 소구간에서의 냉매 압력을 이용하여 냉매의 온도 및 건도를 계산하였다. 계산에 필요한 냉매의 물성은 NIST Refprop v7.
열교환기 junction(합지, 분지)에서의 유량, 엔탈피 및 압력은 질량 보존과 에너지 보존에 의해 산정된다. 합지에서의 냉매 유량은 합지되는 튜브 유량의 합으로 산정하고, 엔탈피는 합지되는 튜브들의 출구엔탈피를 질량 유량 평균으로 나누어 산정한다. 분지에서의 냉매 유량은 분지되는 시점을 기준으로 출구까지의 압력 강하가 같아지도록 유량을 재분배하여 산정하고, 엔탈피는 연결된 튜브와 동일하게 입력된다.
등압법은 패스에서의 압력 강하량을 유량분배의 기준으로 두고, 패스에서의 유량은 각 패스에서의 압력 강하량이 같아지도록 분배된다고 가정한다. 즉, 각 유로를 통과한 압력강하가 같아지도록 유량을 재분배하는 방법으로 반복 계산하였다.
을 사용하였다. 분배기와 모세관을 통과한 냉매의 출구압력을 연결된 패스의 열교환기 입구압력으로 연결시켜 계산을 수행하였다.
앞 절에서는 고정된 모세관 평균 길이와 패스 수를 갖는 열교환기에 대한 유속 불균일도(IR)의 영향을 분석하였고, 이때 IR에 따른 최적 모세관 길이 분포 LD_Qmax 관계식을 도출하였다. 그러나 모세관 평균 길이와 열교환기 패스 수의 변화를 고려할 경우에도 위의 관계식의 유효성에 대한 분석이 필요하다.
그러나 모세관 평균 길이와 열교환기 패스 수의 변화를 고려할 경우에도 위의 관계식의 유효성에 대한 분석이 필요하다. 따라서 다양한 모세관 평균 길이와 열교환기에 대해 동일한 조건의 해석을 수행하였다. Fig.
를 IR에 대하여 일반화하기 위해 이를 결정하는 인자에 대한 고려가 필요하다. 변수 A_k, B_k를 결정하는 인자로서 대응되는 모세관의 평균 길이(L_C.T.avg)와 열교환기 패스 수의 영향을 분석하였다. 인자 영향도 수행 시 기준 모델의 IR조건은 0～200%의 범위이다.
특히, 열교환기 전면부의 공기 유속 형상에 따른 적절한 모세관 길이 분포가 중요하다. 모세관 길이 분포(LD)에 따라 4가지 입구 공기 유속 형상과 유속 불균일도(IR)의 영향을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구의 해석 대상을 Fig. 1에 도시하였다. 증발기 입구에서의 2상 냉매는 분배기로 유입되고, 모세관을 통해 열교환기의 각 패스로 전달된다.
44 m/s로 고정하였다. 분석을 위한 열교환기는 R-22 냉매를 사용하고, 3열 20단 5패스 parallel-cross flow type 열교환기(열 57.15 mm, 단 508 mm, 폭 410 mm)이며, 각 패스에서의 유로 형상을 Fig. 7에 도시하였다. 열교환기의 운전조건으로 공기측은 평균유속 1.

데이터처리

(20)의 R-22 냉매를 사용한 증발기 실험 데이터와 비교하였다. 실험 조건은 Table 2의 11가지 조건이며, Fig.

이론/모형

각 tube 단위에서의 공기측과 냉매측의 열전달은 ε-NTU 법을 이용해 산정하였다.
소구간의 열전달량은 해석구간을 dry condition과 wet condition으로 구분하여 각각 ε-NTU 법으로 계산 하였다.
Wet condition에서의 소구간 열전달량은 Hill(5)의 연구에서 제시된 열 및 물질 전달을 포함하는 wet condition에서의 일반화된 ε-NTU 법에 의해 다음과 같이 계산하였다.
계산된 엔탈피와 해당 소구간에서의 냉매 압력을 이용하여 냉매의 온도 및 건도를 계산하였다. 계산에 필요한 냉매의 물성은 NIST Refprop v7.0⁽⁶⁾을 바탕으로 구하였고, 공기 물성은 ASHRAE handbook⁽⁷⁾을 참조한 보간식을 이용해 구하였다. 튜브내에서 발생하는 압력강하는 마찰 및 운동량에 의한 압력강하로 구성되며 이는 다음과 같다.
해석모델에서 패스별 유량분배는 등압법(equal pressure method)에 의해 계산된다. 등압법은 패스에서의 압력 강하량을 유량분배의 기준으로 두고, 패스에서의 유량은 각 패스에서의 압력 강하량이 같아지도록 분배된다고 가정한다.
증발기 성능 해석에서 분배기와 모세관 압력강하의 영향을 분석하기 위해 분배기에서의 압력강하는 실험값에 의한 상관식⁽¹⁸⁾을 사용하였고, 모세관내 압력강하는 환상 유동 모델(annular flow model)⁽¹⁹⁾을 사용하였다. 분배기와 모세관을 통과한 냉매의 출구압력을 연결된 패스의 열교환기 입구압력으로 연결시켜 계산을 수행하였다.

성능/효과

⁽²⁾는 그래프 이론에 기반한 휜-튜브 열교환기 해석 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 고정된 냉매 유로 형상의 열교환기 해석에 국한되지 않고, 다양한 냉매 유로 형상에 대한 해석이 가능하다. 그러나 공기 물성치 정보의 전달 과정이 미흡하고, 다패스 열교환기의 구현에는 한계가 있다.
⁽⁴⁾는 R-134a 냉매를 사용하는 증발기에 대하여 성능해석과 실험을 수행하였다. 또한 열교환기 냉매 유로 형상에 따른 성능 분석을 통해 유로 설계의 중요성을 부각시켰으며, 형상 설계에 따라 열교환기 전열 성능이 최대 5% 정도 개선 됨을 보였다.
9에서는 4가지 공기 유속 분포 형상에 대한 모세관 길이 분포에 따른 열교환기 전열 성능을 분석하였다. (a) uniform air flow의 경우에는 LD가 0인 경우에 가장 큰 전열량을 가지며, LD가 1인 경우에 비해 전열 성능이 28% 증가하였다. (b) inclined air flow인 경우에는 LD가 -0.
(a) uniform air flow의 경우에는 LD가 0인 경우에 가장 큰 전열량을 가지며, LD가 1인 경우에 비해 전열 성능이 28% 증가하였다. (b) inclined air flow인 경우에는 LD가 -0.4에서 최대 전열량을 가지며, LD가 0인 경우에 비해 3.1%의 전열량이 증가하였다. (c) convex air flow와 (d) concave air flow인 경우에는 LD가 0인 경우 최대 전열량을 가지고, LD가 1인 경우에 비해 각각 27%, 21%의 전열량이 증가하였다.
1%의 전열량이 증가하였다. (c) convex air flow와 (d) concave air flow인 경우에는 LD가 0인 경우 최대 전열량을 가지고, LD가 1인 경우에 비해 각각 27%, 21%의 전열량이 증가하였다.
Concave air flow는 이와 반대이다. 따라서 convex air flow에서 열교환기의 중간 패스를 기준으로 상부로는 LD가 +0.4를 적용하고 하부로는 LD가 -0.4를 적용하면, LD가 0인 경우에 비해 전열량이 5.7% 증가하였다. Concave air flow에서는 상부로는 LD가 -0.
따라서 패스별 출구에서 냉매의 불충분한 과열로 인해 전체 전열량이 감소하였다. 그러나 각 경우에 대해 전열량의 최대값과 LD가 0인 경우의 전열량 차를 비교하면 IR이 각각 50%, 100%, 150%, 200%인 경우에 대해, 전열량은 각각 1.4%, 2.2%, 3.2%, 3.8% 증가하였다. 전열량의 최대값은 모든 IR에 대해 LD가 -0.
로 정의하였다. IR이 증가함에 따라 LD_Qmax는 감소하고, IR이 150% 이상인 경우에는 LD가 -0.4에서 수렴하였다. Fig.
(2) convex air flow, concave air flow는 상 · 하부를 inclined air flow로 간주하여 LD가 -0.4를 적용한 경우, 각각 5.7%, 4.3%의 전열량이 증가하였다.
(1) uniform air flow, convex air flow 그리고 concave air flow에서는 LD가 0일 때 전 열량이 최대가 되고, inclined air flow에서는 LD가 -0.4일 때 전열량이 최대가 된다.
(3) inclined air flow에서 유속 불균일도(IR)의 변화에 따른 최대 전열량은 모세관 길이 분포(LD)는 -0.4～0범위에 있다.
(4) 유속 불균일도(IR)와 최대 전열량을 갖는 모세관 길이 분포(LDQmax) 사이의 관계식을 도출하였고, 관계식은 해석 결과와 7% 오차 범위 내에서 잘 일치하였다.

후속연구

위의 결과를 비추어 볼 때 inclined air flow가 공기 유속 불균일 분포에 대한 대표성을 가지며, 이러한 inclined air flow에서 유속 기울기의 불균일도에 따른 열교환기 전열성능 분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열교환기의 열적 성능은 평가하는 방법에서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 평가 방법의 장점은 무엇인가?	열교환기의 성능평가는 실험에 의한 평가 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 평가 방법이 있다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 성능 평가는 실험을 통한 방법에 비해 적은 시간과 비용이 요구되는 이점으로 인해 널리 이용되고 있다. 성능 평가 시뮬레이션의 목적은 다양한 열교환기 형상 및 유동조건에서의 열교환기 성능해석을 통해 연구개발 기간 단축 및 설계비용을 절감하는데 있다.
	대표적인 열교환기는 무엇인가?	냉동공조 및 여러 산업분야에서 다양한 형상의 열교환기가 사용되고 있으며, 대표적인 열교환기로는 휜-튜브 열교환기가 있다. 열교환기의 열적 성능은 다양한 인자들에 의해 영향을 받게 되고, 설계 및 제작에 앞서 다양한 조건에서의 성능평가가 필요하다.
	열교환기의 성능평가 방법에는 무엇이 있는가?	열교환기의 열적 성능은 다양한 인자들에 의해 영향을 받게 되고, 설계 및 제작에 앞서 다양한 조건에서의 성능평가가 필요하다. 열교환기의 성능평가는 실험에 의한 평가 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 평가 방법이 있다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 성능 평가는 실험을 통한 방법에 비해 적은 시간과 비용이 요구되는 이점으로 인해 널리 이용되고 있다.

참고문헌 (20)

Lee, J. H. and Domanski, P. A., 1997, Impact of air and refrigerant mal-distributions on the performance of finned-tube evaporators with R-22 and R-407C, ARTIMCLR Project, DOE/CE/23810-81.
Liu, J., Wei, W., Ding, G., Zhang, C., Fukaya, M., Wang, K., and Inagaki, T., 2004, A general steady state mathematical model for finand- tube heat exchanger based on graph theory, International Journal of Refrigeration, Vol. 27, pp. 965-973.

상세보기
Jiang, H., Aute, V., and Radermacher, R., 2006, CoilDesigner：a general purpose simulation and design tool for air-to-refrigerant heat exchangers, International Journal of Refrigeration, Vol. 2, pp. 601-610.
Liang, S. Y., Wong, T. N., and Nathan, G. K., 2001, Numerical and experimental studies of refrigerant circuitry of evaporator coils, International Journal of Refrigeration, Vol. 24, pp. 823-833.

상세보기
Hill, J. M., 1991, A liner subgrid cooling and dehumidification coil model with emphasis on mass transfer, ASHRAE Transaction, pp. 118- 128.
NIST REFPROP V7.0, National Institute of Standards and Technology, USA.
ASHRAE handbook fundamentals, ASHRAE, 2002.
Wang, C. and Chi, K., 2000, Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 43, pp. 2693-2700.

상세보기
Wang, C. C., Lee, C. J., Chang, C. T., and Lin, S. P., 1999, Heat transfer and friction correlation for compact louvered fin-and-tube heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 42, pp. 1945-1956.

상세보기
Seshimo, Y. and Fujii, M., 1991, An experimental study of the performance of plain finand- tube heat exchangers at low Reynolds numbers, ASME/JSME Thermal Engineering Proceedings, Vol. 27, pp. 449-454.
Gnielinsk, V., 1976, New equation for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow, International Chemical Engineering, pp. 359-368.
Chen, J. C., 1966, A Correlation for Boiling Heat Transfer to Saturated Fluids in Convective Flow, Industrial and Engineering Chemistry, Process Design and Development, Vol. 5, pp. 322-329.
Carnavos, T. C., 1980, Heat transfer performance of internally finned tube, Heat Transfer Engineering, Vol. 4, p. 32.
Copetti, J. B., Macagnan, M. H., Souza, D., and Oliveski, R. C., 2004, Experiments with micro-fin tube in single phase, International Journal of Refrigeration, Vol. 27, pp. 876-883.

상세보기
Ould, D. M. B., Kattan, N., and Thome, J. R., 2002, Prediction of two-phase pressure gradients of refrigerants in horizontal tubes, International Journal of Refrigeration, Vol. 25, pp. 935-947.

상세보기
Ito, H., 1960, Pressure losses in smooth pipe bends, Basic Engineering, Transaction of ASME, Vol. 3, p. 135.
Pierre, B., 1964, Flow resistance with boiling refrigerants part-2, ASHRAE Journal, pp. 73-77.
Kim, W. S., Jo, S. K., and Lee, S. Y., 2010, Effect of flow distribution on pressure loss at distributor for fin-tube heat exchanger, KSME, pp. 2847-2850.
Kim, S., Jo, S. K., and Lee, S. Y., 2011, Assessment of Two-Phase Flow Pressure Drop Correlations in a Meso-Scale Tube, KSME, pp. 352-355.
Lee, J. H., Kwon, Y. C., and Kim, M. H., 2003, An improved method for analyzing a fin and tube evaporator containing a zeotropic mixture refrigerant with air mal-distribution, International Journal of Refrigeration, Vol. 26, pp. 707-720.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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