[논문]냉매분배기 분배성능에 미치는 내부 형상인자의 영향

김동휘; 사용철; 정백영; 박병덕

doi:10.7316/khnes.2013.24.5.444

[국내논문] 냉매분배기 분배성능에 미치는 내부 형상인자의 영향
Effects of the Internal Structure on the Distribution Performance of a Refrigerant Distributor 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.5, 2013년, pp.444 - 450

김동휘 (LG전자 AE연구소) , 사용철 (LG전자 AE연구소) , 정백영 (LG전자 AE연구소) , 박병덕 (경북대학교 자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The distribution performance of refrigerant distributors in air conditioner evaporators was examined numerically and experimentally. Internal flow analysis of the distributor by CFD found that the distance from the socket to the cone, the angle of the cone and the base area of the cone were the most important factors affecting refrigerant distribution ability and vortex creation. To enhance distribution performance, two distributors with improved internal structures were designed. To test these new structures, distribution performance was also analyzed by CFD and an empirical experiment was carried out using the water-nitrogen. Experimental results on the distribution fraction of each distributor hole showed a good agreement with the results of the CFD analysis. Thus, the new design of the distributors enhanced distribution performance of the refrigerant distributors.

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문제 정의

. 이러한 연구는 주로 T형 분기관에서 2상유동의 분배특성과 불균일한 냉매분포가 열교환기에 미치는 영향을 주로 파악하였다.
하지만 원통형 분배기에서 냉매를 균일하게 분배하는 내부구조에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다. 본 연구에서는 CFD 해석에 의하여 원통형 분배기의 내부구조에서 분배특성에 미치는 인자를 특정하였다. 또한 실험을 통하여 해석에 의한 분배특성에 미치는 이들 내부인자가 타당함을 확인하였다.
공조기용 증발 열교환기의 성능을 좌우하는 요소 기기인 냉매 분배기의 분배성능 개선을 위한 연구를 수행하였다.

가설 설정

따라서 유동패턴을 최대한 유사하게 가져가기 위해서 물-질소의 체적비 α를 R410A의 입구 건도를 0.2로 가정했을 때의 체적비와 일치시켰다.

제안 방법

불균일한 분배가 이루어지는 기존 분배기의 성능 개선을 위해서 분배기 내부유동을 CFD 해석으로 관찰하였다. CFD 해석은 Cradle사의 상용 프로그램인 SC-Tetra를 사용하였다.
7mm 동관을 사용하였다. 분배기에서 배관 굽힘부의 영향을 최소화하기 위해 굽힘 이후의 수직 배관 길이를 분배기 연결 배관 내경의 20배 이상으로 제작하였다.
CFD 해석결과를 통해서 분배기 내부구조에 의한 냉매분배의 불균일성 문제를 해결하기 위해서는 와류의 최소화, 소켓과 원뿔의 거리 조정 및 원뿔 기저부의 크기 변경에 의한 원뿔 각도의 조정으로 냉매 퍼짐성의 개선 등이 필요하다. 이러한 요소들을 토대로 분배기 내부형상을 개선하여 냉매가 균일하게 분배될 수 있도록 설계를 하였다.
실험장치는 분배기(1), 물이 담기는 용기(2) 14개, 분배기로 가는 물의 유로 개폐를 위한 볼 밸브(3), 물을 바이패스 시키기 위한 볼 밸브(4), 질소 개폐를 위한 볼 밸브(5), 물의 유량을 측정하기 위한 유량계(6)(Dwyer사 0.06~0.42m3/hr, 정도 ±3%), 질소의 유량을 측정하기 위한 공기유량계(7)(Dwyer사 0.0036 ~6m3/hr, 정도 ±5%), 물 공급을 위한 기어펌프(8)(Scott사, 최대 2400rpm, 0.25kW), 질소탱크(9), 수조(10) 으로 구성되었다.
기존 분배기와 개선 분배기 2종에 대하여 분배 성능 실험을 실시하였다. 실험을 위해 제작된 기존 분배기와 개선 분배기 2종의 형상과 크기를 Table 2에 나타내었다.
실험을 위해 제작된 기존 분배기와 개선 분배기 2종의 형상과 크기를 Table 2에 나타내었다. 개선 분배기의 높이와 폭은 기존 분배기의 높이와 폭과 비교하여 나타내었다. 분배기의 성능 시험은 Yoshioka et al.
그러면 물-질소의 2상류가 분배기를 통해 분배가 되고, 분배기 각 분지관에 연결된 용기에 물이 담기게 된다. 1분이 지난 후, 각 용기에 담긴 물의 양을 저울(CAS사, 최대측정 2kg, 최소측정 1g, 정밀도 0.0005)로 측정하여 분배기의 분배성능을 평가하였다. 물의 양은 실험 전에 비어있는 용기의 질량을 측정하고, 실험 후 물이 담긴 용기의 질량을 측정함으로써 분배된 물만의 질량을 계산할 수 있었다.
0005)로 측정하여 분배기의 분배성능을 평가하였다. 물의 양은 실험 전에 비어있는 용기의 질량을 측정하고, 실험 후 물이 담긴 용기의 질량을 측정함으로써 분배된 물만의 질량을 계산할 수 있었다.

대상 데이터

1은 분배기가 연결 배관에 연결되어 조합된 전체적인 형태와 기존 분배기의 내부 형상을 나타낸다. 분배기와 연결되는 배관은 12.7mm 동관을 사용하였다. 분배기에서 배관 굽힘부의 영향을 최소화하기 위해 굽힘 이후의 수직 배관 길이를 분배기 연결 배관 내경의 20배 이상으로 제작하였다.

이론/모형

해석에는 Navier‒Stokes방정식과 k-ε난류모델을 사용하였다.
불균일한 분배가 이루어지는 기존 분배기의 성능 개선을 위해서 분배기 내부유동을 CFD 해석으로 관찰하였다. CFD 해석은 Cradle사의 상용 프로그램인 SC-Tetra를 사용하였다. 해석에는 Navier‒Stokes방정식과 k-ε난류모델을 사용하였다.
개선 분배기의 높이와 폭은 기존 분배기의 높이와 폭과 비교하여 나타내었다. 분배기의 성능 시험은 Yoshioka et al.²⁾가 제시한 방법 중 하나인 물-질소를 작동유체로 사용하여 실시하였다.

성능/효과

본 연구에서는 CFD 해석에 의하여 원통형 분배기의 내부구조에서 분배특성에 미치는 인자를 특정하였다. 또한 실험을 통하여 해석에 의한 분배특성에 미치는 이들 내부인자가 타당함을 확인하였다. 이를 통하여 분배기의 분배성능을 개선시키고 또한 사용하는 재료를 절감시켜 친환경성에 기여하였다.
#1은 소켓과 원뿔의 거리를 기존 분배기보다 가깝게 하고 원뿔 아래의 기저부를 제거한 것이 특징이다. 이를 통하여 소켓을 통과한 냉매가 사방으로 퍼지는 효과의 증대로 분배성능의 증가를 꽤하였고 원뿔 기저부를 제거함으로서 냉매가 기저부 각도에 의해 분기홀로의 유입이 어려운 것을 방지하였다. 두 번째 개선 분배기 Mod.
CFD 해석에 의한 분배기 내부유동의 특성해석을 통하여 분배기 입구의 소켓에서 원뿔까지의 거리, 원뿔의 각도, 원뿔의 기저부가 각 분기홀로의 냉매분배에 중요한 인자임을 알 수 있었다.
내부유동 해석결과를 적용하여 내부의 형태가 개선된 개선 분배기와 기존 분배기의 물-질소 분배성능 실험을 통하여 개선 분배기의 분배성능이 기존 분배기의 분배성능보다 우수한 것을 알 수가 있었다. 이를 통하여 도출된 분배기의 분배성능에 영향을 미치는 인자가 바람직함을 알 수 있었다.
내부유동 해석결과를 적용하여 내부의 형태가 개선된 개선 분배기와 기존 분배기의 물-질소 분배성능 실험을 통하여 개선 분배기의 분배성능이 기존 분배기의 분배성능보다 우수한 것을 알 수가 있었다. 이를 통하여 도출된 분배기의 분배성능에 영향을 미치는 인자가 바람직함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공조기 분야의 에너지 효율을 높이기 위해 무엇을 개선해야 하는가?	지구 온난화로 인해 전세계적으로 에너지의 절약과 이산화탄소 배출의 감소가 요구되고 있다. 공조기 분야에서도 에너지 효율이 높은 제품의 개발이 지속적으로 요구되고 있고 에너지 효율이 높은 제품을 개발하기 위해서는 압축기, 열교환기, 팬 등 요소기기의 효율이 개선되어야 한다. 열교환기 분야에서는 튜브 및 휜의 고성능화도 중요하지만 고성능화된 열교환기의 성능을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
	열교환기 분야에서 효율을 높이기 위해 무엇이 중요한가?	공조기 분야에서도 에너지 효율이 높은 제품의 개발이 지속적으로 요구되고 있고 에너지 효율이 높은 제품을 개발하기 위해서는 압축기, 열교환기, 팬 등 요소기기의 효율이 개선되어야 한다. 열교환기 분야에서는 튜브 및 휜의 고성능화도 중요하지만 고성능화된 열교환기의 성능을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 특히 열교환기가 증발기로 사용될 경우, 각 패스로 냉매가 불균일하게 분배되면 증발성능이 감소하여 공조기의 성능과 효율이 저하한다.

참고문헌 (8)

Y. Hwang, "The Optimum Design of Heat Pump with Refrigerant Distributor", Proceedings of the SAREK, 2000, pp. 93-99.
S. Yoshioka, H. Kim, and K. Kasai, "Performance Evaluation and Optimization of a Refrigerant Distributor for Air Conditioner", J. of Thermal Science and Technology, Vol. 3, 2008, pp. 68-77.

상세보기
A. Jiao and S. Baek, "Effects of Distributor Configuration on Flow Maldistribution in Plate-Fin Heat Exchangers", Heat Transfer Engineering, Vol. 26, 2005, pp. 19-25.

상세보기
J. K. Lee and S. Y. Lee, "Distribution of Two-Phase Annular Flow at Header-Channel Junctions", Experimental Thermal Fluid Science, Vol. 28, 2004, pp. 217-222.

상세보기
G. Li, S. Frankel, J. E. Braun and E. A. Groll, "Application of CFD Models to Two-Phase Flow in Refrigeration Distributors", HVAC&R Res., Vol. 11, No. 1, 2005, pp. 45-62.

상세보기
S. Vist and J. Pettersen, "Two-Phase Flow Distribution in Compact Heat Exchanger Manifolds", Experimental Thermal Fluid Science, Vol. 28, 2004, pp. 209-215.

상세보기
C. D. Kim, L. W. Nam and J. Lee, "Effect on Refrigerant Distribution Characteristics T-type Distributor on the Superheat Evaporator", Proceedings of the SAREK winter annual conference, 2003, pp. 336-342.
S. J. Tae and K. Cho, "Effect of Parameters on the Two-Phase Flow Distribution Characteristics of Refrigerants in a Horizontal T-Junction", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 18, No. 1, 2006, pp. 31-37.

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