[논문]간접 냉동 시스템용 2차 냉매의 열전달과 압력강하 특성

오후규; 손창효; 조환; 이문빈; 전민주

doi:10.9726/kspse.2013.17.4.045

[국내논문] 간접 냉동 시스템용 2차 냉매의 열전달과 압력강하 특성
Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Secondary Refrigerants Applying to Indirect Refrigeration System 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.17 no.4, 2013년, pp.45 - 50

오후규 (부경대학교 냉동공조공학과) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과) , 조환 (부경대학교 냉동공조공학과) , 이문빈 (부경대학교 냉동공조공학과) , 전민주 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the comparison of heat transfer and pressure drop of various secondary refrigerants (single-phase and two-phase) in the indirect refrigeration system. The main results were summarized as follows: In case of heat transfer, it is useful to use secondary refrigerants in low evaporating temperature region and the heat transfer coefficient of single-phase is larger than two-phase secondary refrigerants. In case of pressure drop, it is useful to use secondary refrigerants in high evaporating temperature region and the pressure drop of two-phase is smaller than single-phase secondary refrigerant. Also, $CO_2$ is the best useful because pressure drop of $CO_2$ among the secondary refrigerants is the smallest.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 단상 2차 냉매와 2상 2차 냉매의 열전달계수와 압력강하를 비교하였다. 이를 통 2상 냉매의 2차 냉매로 사용하는 것에 대한 적합성을 확인해보고 간접 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
따라서 본 연구는 단상 2차 냉매와 2상 2차 냉매의 열전달계수와 압력강하를 비교하였다. 이를 통 2상 냉매의 2차 냉매로 사용하는 것에 대한 적합성을 확인해보고 간접 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 동일한 조건 하에서 증발온도의 증가에 따른 단상 냉매와 2상 냉매의 열전달계수와 압력강하를 비교하고 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

- 열교환기와 배관의 압력강하는 없는 것으로 가정한다.
- 단순비교를 위해 2상 냉매는 상변화가 없는 경우로 가정한다.

제안 방법

Table 1은 성능분석하기 위해서 주어진 운전조건이다. 2상 냉매와 단상 냉매를 동일한 온도 조건에서 비교해보기 위해서 CO₂를 기준으로 -45℃에서 10℃까지 비교분석하였다. 단상 냉매는 농도에 따라 동결온도가 결정되는데 세분화하여 다양한 동결온도에서도 비교해 보았다.
2상 냉매와 단상 냉매를 동일한 온도 조건에서 비교해보기 위해서 CO₂를 기준으로 -45℃에서 10℃까지 비교분석하였다. 단상 냉매는 농도에 따라 동결온도가 결정되는데 세분화하여 다양한 동결온도에서도 비교해 보았다.

이론/모형

본 연구에서 사용하는 냉매의 열역학적 물성치와 성능분석은 EES(Engineering Equation Solver)⁶⁾ 소프트웨어를 사용해서 계산하였다. 2상 냉매와 단상 냉매를 비교하기 위해서 다음과 같이 가정하였다.

성능/효과

(1) 열전달 측면에서, 2차 냉매는 증발온도가 낮아질수록 열전달계수가 증가하므로, 증발온도가 낮은 온도영역에서 사용하는 것이 유리하며 2상 2차 냉매보다 단상 2차 냉매의 열전달계수가 더 크다.
(2) 압력강하 측면에서, 2차 냉매는 증발온도가 높아질수록 압력강하가 감소하기 때문에 증발온도가 높은 온도영역에서 사용할 경우에 유리하다. 그리고 2상 2차 냉매가 단상 2차 냉매의 압력강하보다 작으며 모든 2차 냉매 중에서 CO₂의 압력강하가 가장 작기 때문에 CO₂가 가장 유용하다.
(3) 동결온도가 -45℃~-40℃일 때는 GL, -35℃~-15℃까지는 PG, -10℃~-5℃까지는 EA의 열전달계수와 압력강하가 가장 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	간접 냉동 시스템의 2차 냉매에는 무엇이 사용되는가?	증발기내 냉매가 직접 피냉각물의 열을 흡수하지 않고 2차 냉매를 통해서 열을 제거하여 주위를 차갑게 만드는 냉동장치를 간접 냉동 시스템 (Indirect refrigeration system)라 한다. 이러한 간접 냉동 시스템의 2차 냉매로는 주로 단상 냉매 (Ethylene glycol, [EG]; Propylene glycol, [PG]; Ethyl alcohol, [EA]; Methyl alcohol, [MA]; Glycerol, [GL]; Potassium carbonate, [K2CO3]; Calcium chloride, [CaCl2]; Magnesium chloride, [MgCl2]; Sodium chloride, [NaCl]; Potassium acetate, [KAc] 등)를 사용해왔다. 그러나, 최근에는 상변화를 이용하는 2상 냉매(이산화탄소, [CO2]; 암모니아, [NH3])도 2차 냉매로 사용하는 사례가 많아지고 있다.
	간접 냉동 시스템이란 무엇인가?	증발기내 냉매가 직접 피냉각물의 열을 흡수하지 않고 2차 냉매를 통해서 열을 제거하여 주위를 차갑게 만드는 냉동장치를 간접 냉동 시스템 (Indirect refrigeration system)라 한다. 이러한 간접 냉동 시스템의 2차 냉매로는 주로 단상 냉매 (Ethylene glycol, [EG]; Propylene glycol, [PG]; Ethyl alcohol, [EA]; Methyl alcohol, [MA]; Glycerol, [GL]; Potassium carbonate, [K2CO3]; Calcium chloride, [CaCl2]; Magnesium chloride, [MgCl2]; Sodium chloride, [NaCl]; Potassium acetate, [KAc] 등)를 사용해왔다.
	단상 2차 냉매와 2상 2차 냉매의 열전달계수와 압력강하를 비교하고자 하는 목적은 무엇인가?	따라서 본 연구는 단상 2차 냉매와 2상 2차 냉매의 열전달계수와 압력강하를 비교하였다. 이를 통 2상 냉매의 2차 냉매로 사용하는 것에 대한 적합성을 확인해보고 간접 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

참고문헌 (11)

H. K. Oh and C. H. Son, 2012, "Performance analysis of R404A refrigeration system using R744 as a secondary refrigerant", Journal of the Korea Society for Power System Engineering, Vol. 16, No. 2, pp. 24-29.
A. C. Pachai, 2004, "Experience with $CO_2$ as refrigerant in supermarkets", In Proceedings of the Sixth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Glasgow, United Kingdom.
A. Melinder, 2000, "Update on secondary refrigerants for indirect systems", Proceedings of IEA Annex 26 Meeting, Section, hfc-fri.dk.
S. Sawalha and B. Palm, 2003, "Energy consumption evaluation of indirect systems with $CO_2$ as secondary refrigerant in supermarket refrigeration", International Congress of Refrigeration, ICR04334, Washington D.C.
W. Wang, M. Eisele, Y. H. Hwang and R. Radermacher, 2010, " Review of secondary loop refrigeration systems", International Journal of Refrigeration, Vol. 33, pp. 212-234.

상세보기
EES: 2010, Engineering Equation Solver, fchart Software Inc.
A. Melinder, 2010, "Properties of secondary working fluids for indirect systems", IIR-publication.
Y. A. CenGel, 2001, "Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer", McGraw-Hill Companies, Vol. 2
B. S. Petukhov, 1970, "Heat Tansfer and Friction in Turbulent Pipe Flow with Variable Physical Properties.", In Advances in Heat Transfer, ed. T. F. Irvine and J. P. Hartnett, New Youk : Academic Press, Vol. 6
E. N. Sieder and G. E. Tate, 1936, "Heat Transfer and Pressure Drop of Liquids in Tubes", Industrial Engineering Chemistry, Vol. 28, pp. 1429-1435.

상세보기
V. Gnielinski, 1976, "New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flows", Int. Chem. Engineering, Vol. 16, pp. 359-368.

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