[논문]냉기 강제순환형 공랭식 쇼케이스 성능 해석

김정식; 김내현

doi:10.5762/kais.2013.14.3.1003

냉기 강제순환형 공랭식 쇼케이스 성능 해석
Performance analysis of a cold-air forced circulation type showcase 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.3, 2013년, pp.1003 - 1010

김정식 ((재)인천테크노파크 기술혁신본부) , 김내현 (인천대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 식료품의 진열과 보관에 사용되며 전시효과가 우수한 냉기 강제순환식 쇼케이스의 성능을 예측하는 프로그램을 개발하였다. 압축기의 성능해석에는 제조사에서 제공한 성능선도를 사용하였고 모세관 내 압력손실은 균질유동 모델을 사용하여 계산하였다. 증발기와 응축기는 미소체적으로 구분하여 에너지 균형을 고려하였고 관내측과 공기측 열전달계수는 적절한 상관식으로부터 구하였다. 압축기로 3/4 마력급 왕복동식 2개를 사용하고, 팽창장치로는 내경 1.6 mm의 모세관을, 응축기와 증발기로는 상호 공유형태의 핀-튜브 열교환기를 적용한 쇼케이스 시제품에 대해 성능시험을 수행하고 시험결과와 비교했을 때, 본 프로그램은 시제품의 증발 온도와 응축 온도를 적절히 예측함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a simulation program was developed, which predicts the performance of cold-air forced circulation type air cooled showcase. The showcase has an excellent display effect in addition to preserving the grocery. In the program, the compressor was analyzed using performance data supplied by the manufacturer and the capillary tube pressure drop was analyzed using a homogeneous model. The evaporator and condenser were analyzed by dividing the heat exchangers into small elements, where energy balance and appropriate heat transfer correlations were used. A showcase model with two 3/4 HP compressors, capillary tubes of 1.6 mm inner diameter, a fin-and-tube evaporator and condenser was tested, and the results are compared with the predicted values. It is shown that both evaporation and condensation temperatures are adequately predicted by the program.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

쇼케이스의 주요 구성부품은 일반 냉동 시스템과 같으나, 증발기가 옆으로 설치되고 고내 온도가 균일하게 유지되어야하는 등 요구사항이 까다로워서 냉동 시스템 해석시 이를 고려하여야한다. 본 연구에서는 요소부품 설계 기술을 바탕으로 신냉매에 적용이 가능한 쇼케이스 해석 프로그램을 개발하고 시험결과와 비교하여 유효성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

9에 나타나있다. 우선 고내 온도 T_i, 증발 온도 T_e와 응축 온도 T_c를 가정한 다음, 압축기 유량곡선과 모세관해석을 통하여 냉매유량을 결정한다. 또한 압축기 성능 곡선에서 응축기 전열량 Q_cm과 증발기 전열량 Q_em을 구한다.
모세관 사양이 주어져 있을 때 유량은 다음과 같이 구한다. 입구에서 유량을 비롯한 모든 상태를 가정하고, 상기 식들을 이용하여 주어진 온도 감소를 얻게 되는 모세관 길이를 구한다. 이렇게 미소간격 계산을 연속하여 출구 온도를 얻는 데까지 총 모세관 길이를 구하여 설정된 모세관길이와 비교한다.

제안 방법

400리터급 쇼케이스 시제품에 대한 성능 시험을 항온항습실(KOLAS 규격)에서 공기 건구 온도 20℃, 상대습도 50%로 수행하였다. 고내 온도는 쇼케이스내 좌우상하 24개소에서 측정된 온도를 평균하여 구하였다.
400리터급 쇼케이스 시제품에 대한 성능 시험을 항온항습실(KOLAS 규격)에서 공기 건구 온도 20℃, 상대습도 50%로 수행하였다. 고내 온도는 쇼케이스내 좌우상하 24개소에서 측정된 온도를 평균하여 구하였다. 측정된 증발 온도, 응축 온도와 해석프로그램에 의한 예측치를 Fig.
이때 증발기 유입공기 온도는 시제품의 측정값을 사용하였다. 고내 전열량은 증발기로부터 공급되는 냉열량에서 쇼케이스 외부에서 전도를 통해 들어오는 열량을 빼어 구하였다. 이와 같이 하여 시간에 따른 고내온도 T_i, 증발 온도 T_e, 응축 온도 T_c 및 냉매질량유량 등을 구하였다.
본 연구에서는 냉매로 R-404A를 적용하고 식품 냉동용으로 사용되는 400리터급 강제순환식 쇼케이스의 성능을 예측하는 프로그램을 개발하고, 건구 온도 20℃, 상대 습도 50%에서 수행된 실제 시험결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하지만 냉동 사이클에서 통상 증발기 온도는 -20℃ 부근이므로, 실제 사이클을 모사하는데 큰 오차가 없을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 압축기 성능해석을 별도로 수행하지 않고 제조사에서 제공하는 성능곡선을 피팅하여 사용하였다[1].
압축기 내에서 일어나는 손실로는 전기 모터로부터 전기에너지가 가스압축을 위한 기계적 에너지로 변환됨에 있어 불완전 변환에 기인하는 손실, 실린더 내에서 비가 역과정 압축에 기인한 압축손실, 열전달 손실, 압력손실 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 손실을 모터효율, 기계효율, 단열압축효율, 체적효율로부터 구하였다. 본 연구의 압축기(Aspera T2168K)에 대한 시뮬레이션과 성능시험 결과와의 비교는 Fig.
이상유동에서 마찰계수 f는 이론적인 해석을 통하여 구하기는 어렵다. 여기서는 난류유동 영역중에서도 저난류영역에 해당하는 다음의 균질유동 모델을 적용하였다[2].
입구에서 유량을 비롯한 모든 상태를 가정하고, 상기 식들을 이용하여 주어진 온도 감소를 얻게 되는 모세관 길이를 구한다. 이렇게 미소간격 계산을 연속하여 출구 온도를 얻는 데까지 총 모세관 길이를 구하여 설정된 모세관길이와 비교한다. 계산된 길이가 길면 초기 유량 가정치가 작은 것이므로 유량을 증가시킨다.
고내 전열량은 증발기로부터 공급되는 냉열량에서 쇼케이스 외부에서 전도를 통해 들어오는 열량을 빼어 구하였다. 이와 같이 하여 시간에 따른 고내온도 T_i, 증발 온도 T_e, 응축 온도 T_c 및 냉매질량유량 등을 구하였다.

대상 데이터

모세관은 내경 1.6 mm, 길이는 2500 mm이다.
모세관을 사용할 수 있는 범위는 통상 10 kW까지의 냉동 용량이며, 모세관의 길이는 1∼6 m, 내경은 0.5∼2 mm 범위이다.
공기측 열전달은 Gray-Webb 상관식을 사용하였다. 증발기는 핀-관 열교환기로 800 x 350 x 70 mm의 크기이고, 외경 12.3 mm 동관이 10열, 2단으로 구성되어 있다. 핀의 형상은 평판이고 핀 핏치는 8.

이론/모형

응축기 관 내측의 열전달 계수는 Cavallini와 Zecchin의 식을 사용하였다[6]. 공기측 열전달은 Gray-Webb 상관식을 사용하였다. 응축기는 핀-관 열교환기로 500 x 88 x 269 mm의 크기이고, 외경 9.
증발기의 경우도 응축기와 유사하게 해석하였다. 관내측에는 열유속에 따라 10 kW/m² 이하에서는 Shah 상관식을, 그 이상에서는 Kandlikar 상관식을 사용하였다[7]. 공기측 열전달은 Gray-Webb 상관식을 사용하였다.
하지만 증발기는 쇼케이스 하부에 장착되므로 높이가 낮고, 유동방향의 길이가 긴 형상으로 설치된다. 쇼케이스에서는 평판 핀이 사용되고, Gray-Webb 상관식[4]을 사용하여 평판 핀의 열전달계수를 구하였다.
응축기 관 내측의 열전달 계수는 Cavallini와 Zecchin의 식을 사용하였다[6]. 공기측 열전달은 Gray-Webb 상관식을 사용하였다.

성능/효과

1) 개발된 프로그램은 쇼케이스의 증발 온도와 응축 온도를 비교적 잘 예측하였다.
2) 고내 온도는 실제의 경우와 차이가 있는데 이는 적용된 상관식과 해석의 단순화에 따른 오차로 판단된다.
1, 포화상태, 5℃ 과냉각일 때의 각 조건에 대해 나타나 있다[3]. 시뮬레이션 결과는 Fig. 6에 데이터점으로 나타나 있는데 전 조건에 걸쳐 ASHRAE(American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) 자료와 매우 근사한 값을 갖는 것을 보여준다.
측정된 증발 온도, 응축 온도와 해석프로그램에 의한 예측치를 Fig. 10에 나타내었는데, 본 해석 모델과 실험치는 가동후 20분을 지나면서 증발 온도와 응축 온도를 적절히 예측하고 있으며, 고내 온도도 –20℃로 유지됨을 보여주고 있다.

후속연구

3) 향후 해석의 정확성을 높이기 위하여 착상을 고려한 해석모델에 대한 연구가 필요하다.
4) 본 연구결과는 소형 강제순환식 쇼케이스 설계는 물론 유사한 냉동 시스템의 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉동 및 냉장 쇼케이스는 무엇인가?	냉동 및 냉장 쇼케이스(showcase)는 식료품, 어류, 육류 등을 진열, 보관하기 위한 냉동장치로 제품의 신선도 유지를 위하여 고내 온도 및 습도가 적절하게 유지되어야 한다. 유통산업의 발전에 따라 다양한 온도대의 쇼케이스가 사용되고 있으며 대략 4℃의 냉장용과 -20℃의 냉동용으로 구분된다.
	쇼케이스는 무엇으로 구성되는가?	유통산업의 발전에 따라 다양한 온도대의 쇼케이스가 사용되고 있으며 대략 4℃의 냉장용과 -20℃의 냉동용으로 구분된다. 쇼케이스는 압축기, 증발기, 응축기, 모세관, 팬 등의 냉동장치와 케이스 등의 구조체로 구성된다. 소용량 쇼케이스의 경우 냉동장치가 케이스 내에 하나의 유닛으로 구성되며 대용량인 경우는 컨덴싱 유닛(압축기와 응축기)이 별도로 설치된다.
	자연대류식 냉장 쇼케이스는 어떤 방식인가?	1은 일반적인 냉장 쇼케이스의 외관을 나타내는데, 소형 쇼케이스는 냉기 공급방식에 따라 자연대류식과 강제순환식으로 나눈다. 자연대류식은 증발기가 쇼케이스 내 최상부에 위치하여 주위의 공기를 냉각시키고 냉각된 공기는 자중에 의하여 고내로 서서히 공급되는 방식이다. 반면 강제순환식은 증발기가 쇼케이스 하부에 설치되고 팬을 사용하여 강제로 공기를 고내로 순환시켜 에어커튼을 형성하여 보냉 효과를 증대시킨다.

참고문헌 (7)

Embraco, "Electrical Components Aspera - EMBRACO", Available From : http://pdf.directindustry.com/pdf/embraco/ electrical-components-aspera/17666-31470-_12.html (accessed Dec., 27, 2012)
Stoecker, W. F, and Jones, J. W, "Refrigeration and Air-Conditioning", McGraw-Hill Co. 1982.
ASHRAE, "ASHRAE Handbook; Equipment Volume", Atlanta, GA, 1979.
Gray, D. L. and Webb, R. L., "Heat Transfer and friction Correlations for Plate Finned-Tube Heat Exchanger Having Plane Fins", Proceeding 8th Internal Journal of Heat Transfer Conference, Vol. 6, pp. 2745-2750, 1986.
Steiner, D., and Taborek, J., "Flow Boiling Heat Transfer of Single Components in Vertical Tubes", Heat Transfer Engineering, Vol. 13, No. 2, pp. 43-69, 1992. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/01457639208939774

상세보기
Cavallini, A., and R. Zecchin, "A dimensionless correlation for heat transfer in forced convective condensation", Proceedings of the 8th International Heat Transfer Conference, Tokyo, Sept. 3-7, Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 3, pp. 309-313, 1974.
Kandlikar, S. G., "Development of flow Boiling map for subcooled and Saturated Flow Boiling of Different Fluids inside Circular Tubes", International Journal of Heat Transfer, Vol. 113, pp. 190-200, 1991. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2910524

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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