[논문]냉장고 배출수 응축기 입출구 배관에서의 온도 특성에 관한 연구

하지수; 김태권

doi:10.5855/energy.2014.23.4.247

냉장고 배출수 응축기 입출구 배관에서의 온도 특성에 관한 연구
A Study on the Temperature Characteristics at the Inlet and the Outlet Pipes of a Refrigerator Drain Condenser 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.23 no.4, 2014년, pp.247 - 255

하지수 (계명대학교 기계자동차공학과) , 김태권 (계명대학교 기계자동차공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 냉장고의 배출수 응축기 입출구 배관에서의 온도 특성을 알아보고 이를 예측하는 방법을 정립하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해서 빌트인 냉장고를 항온항습챔버에서 운전하면서 배출수 응축기 입출구 배관에서 온도를 측정하였다. 본 연구의 실험을 통하여 측정된 온도는 $37^{\circ}C$에서 $46^{\circ}C$로 변하는데 실제 온도는 측정된 온도 보다 $8^{\circ}C$에서 $22^{\circ}C$ 만큼 크게 차이나는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 이렇게 차이가 나는 원인을 파악하였으며 이는 배출수 응축기 입출구 배관이 냉장고 본체에 부착되어 이를 통한 열손실이 크기 때문임을 알았으며 측정된 온도 결과로부터 입출구 배관의 온도를 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 연구의 온도 계산 결과는 실제 냉매온도를 6% 오차범위의 정확도로 예측할 수 있음을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study was conducted to elucidate the characteristics of temperature at the inlet and outlet pipes of a refrigerator drain condenser and suggest the method to predict the temperature of the refrigerant at the inlet and outlet pipes of the drain condenser. For this purpose, a built in style refrigerator was installed in a constant temperature chamber to measure temperatures at the inlet and outlet pipes of the drain condenser. From the results of the present analysis, it could be seen that the measured temperatures changed from $37^{\circ}C$ to $46^{\circ}C$ and the actual refrigerant temperatures were higher than the measured temperatures with the difference magnitude of $8^{\circ}C$ to $22^{\circ}C$. The present study suggested that the temperatures of the refrigerator could be calculated with the measured temperatures by introducing curve fitting of the measured temperature. The predicted refrigerant temperatures by the present study had the accuracy within 6% error of the actual refrigerant temperatures.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

배출수 응축기로 흘러가는 냉매 배관은 냉장고 본체에 부착되어 있고 또한 냉매배관이 배출수에 잠겨 있어서 이곳들로의 열손실로 말미암아 배출수 응축기 입출구 배관의 온도가 이곳의 냉매 온도로 하기에는 많은 오차를 유발할 것으로 보였다. 따라서 본 연구에서는 냉장고를 항온항습 챔버 내에서 실제 운전 시 배출수 응축기 입 출구에서의 온도 측정 실험과 이를 바탕으로 한 해석을 통해 배출수 응축기 냉매의 온도를 예측하는 방법을 정립하는 것을 목적으로 하였다.
본 연구는 배출수 응축기 입출구 온도를 측정하여 이를 냉매의 온도로 간주하여 배출수 응축기의 성능을 예측하고자 하여 시작되었다. 측정을 통한 온도 특성을 살펴보면 최소와 최대온가 37°C에서 46°C 로 변하여 배출수 응축기 열전달 량을 산출하기 위한 대표적인 입출구 온도를 설정하기가 어려움을 알 수 있다.
본 연구에서는 냉장고 배출수 응축기의 열적 최적설계를 위해 배출수 응축기 전후 배관에서 온도를 측정하였다. 배출수 응축기로 흘러가는 냉매 배관은 냉장고 본체에 부착되어 있고 또한 냉매배관이 배출수에 잠겨 있어서 이곳들로의 열손실로 말미암아 배출수 응축기 입출구 배관의 온도가 이곳의 냉매 온도로 하기에는 많은 오차를 유발할 것으로 보였다.
서론에서 언급하였듯이 본 연구는 배출수 응축기의 성능 예측을 위해 배출수 응축기 냉매 배관의 입출구에서 냉매의 온도 특성을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 응축기의 입출구에서 온도를 측정하는 것과 함께 측정된 온도를 토대로 열전달 해석을 통하여 입출구 온도 특성을 분석하였다.
앞 절에서 배출수 응축기 입출구 냉매배관에서의 측정 온도 특성을 살펴보았다. 이 장에서는 이를 토대로 하여 냉매배관에서의 열유체 해석한 결과를 알아보기로 한다.
앞에서 언급하였듯이, 본 연구의 목적은 배출수 응축기의 최적 설계를 위해 배출수 응축기 냉매 배관의 입출구에서의 온도 특성을 규명하는 것에 초점이 있다. Fig.

가설 설정

Table 3에서 살펴본 바대로 대부분의 열전달은 고온의 냉매로부터 대기로의 대류 열전달이 아니라 배관의 양쪽 끝 벽면을 통해 이루어 졌다. 배관 내부의 벽면과 고온의 냉매 사이의 대류열전달은 배관의 양쪽 끝 벽면에서의 전도 열전달량과 같다고 가정할 수 있다. 이러한 것을 아래의 열전달 식 (1)로 표현하였다.

제안 방법

(3) 본 연구는 배출수 응축기의 입출구 배관 표면에서 온도를 측정하여 이를 이용하여 배관내의 냉매 평균온도를 산출하는 방법을 정립하였으며 냉매의 평균온도는 다음과 같은 식으로 도출할 수 있었다.
해석을 위한 경계조건은 Table 1에 나타내었다. 냉매 입구 온도와 Fig. 3에서 pipe left wall과 pipe right wall에서의 온도는 실험으로 측정한 온도와 비교하면서 시행착오법으로 도출하여 경계조건으로 적용하였다. 입구에서 냉매의 속도 분포는 원형 배관에서 충분히 발달된 유동의 속도분포를 사용하였다.
또한 배출수 응축기 입구 배관에서 냉장고 본체를 벗어난 직후인 1번 위치의 온도가 가장 높게 나타나야 하는데 측정 결과는 그렇게 나타나지 않고 있다. 다음 절에서 측정된 온도를 데이터로 하여 열유체 해석을 통해 이렇게 온도 분포가 나타나는 원인에 대하여 규명하고 응축기 입출구 배관에서 R134a 냉매의 대표온도를 설정하는 방법에 대하여 검토하기로 한다.
본 연구의 배출수 응축기 입출구 배관에서 온도 특성에 대한 측정은 13번째 사이클과 15번째 사이클에서의 온도 측정 데이터를 이용하여 도출하였다.
서론에서 언급하였듯이 본 연구는 배출수 응축기의 성능 예측을 위해 배출수 응축기 냉매 배관의 입출구에서 냉매의 온도 특성을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 응축기의 입출구에서 온도를 측정하는 것과 함께 측정된 온도를 토대로 열전달 해석을 통하여 입출구 온도 특성을 분석하였다. Fig.
이 이후에는 다시 물에 잠긴 냉매 배관의 영향으로 온도가 감소하였다. 이러한 현상으로 배출수 응축기의 성능을 평가하기 위한 냉매 평균온도를 선정하는 것에 심각한 혼란을 유발하였으며 이러한 현상을 분석하기 위해 입출구 배관에 대하여 CFD해석을 수행하였다.
지금까지 냉장고의 배출수 응축기의 성능 평가를 위해 입출구 배관에서 냉매의 평균온도를 예측하는 방법에 대하여 온도 측정과 전산해석을 통하여 살펴보았으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

대칭축은 배관의 중심축이며 R134a-inlet으로 표기된 것은 배출수 응축기 입구 배관의 입구에 해당하며 R134a-outlet은 배출수 응축기 입구 배관의 출구를 나타낸다. 배관 재질은 구리관이며 내경이 0.36cm, 외경이 0.48cm이다. 입구 배관의 총 길이는 7.
본 연구에 사용한 냉장고는 빌트인 냉장고이며 냉동실과 냉장실이 각각 냉장고의 오른쪽과 왼쪽에 위치해 있다. 본 연구의 실험 장치 구성은 항온항습챔버, 빌트인 냉장고 시료, 정전압 공급기, 측정 데이터 수집 시스템으로 되어있다.
R134-a 냉매의 물성치는 Table 2에 나타내었는데 이 값은 15 bar 압력과 55°C의 온도 조건에서 도출하였다. 본 연구에서 사용한 열유체 전산해석 소프트웨어는 상용으로 사용되고 있는 SIMPLE 알고리즘을 채택한 Fluent 14.0소프트웨어이며 해석에 사용한 격자수는 20000개 이다.
본 연구에 사용한 냉장고는 빌트인 냉장고이며 냉동실과 냉장실이 각각 냉장고의 오른쪽과 왼쪽에 위치해 있다. 본 연구의 실험 장치 구성은 항온항습챔버, 빌트인 냉장고 시료, 정전압 공급기, 측정 데이터 수집 시스템으로 되어있다. Fig.
빨간색 번호는 입구 측 냉매배관의 온도 측정 지점 번호이고 파란색 번호는 출구 측 측정 지점 번호이다. 온도 측정 지점 간 간격 은 1.5cm이며 온도 측정을 위해 열전대를 T type 사용하였고 Labview와 PC를 이용하여 시간에 따른 온도 변화 데이터를 측정하였다. 안정적인 전력 공급과 냉장고의 소비전력에 대한 시간에 따른 변화는 PPA510 전력공급기(N4L Ltd.
48cm이다. 입구 배관의 총 길이는 7.5cm이다.

데이터처리

빨간 점선과 파란 점선은 입출구 배관 내 냉매의 온도 분포를 나타내고 있다. 해석 결과의 온도분포는 실험으로 측정한 온도 결과로부터 시행착오법으로 경계조건을 변경하여 도출하였다. R-134a 냉매의 배출수 응축기 입구 배관 평균온도 분포를 빨간 점선으로 출구 배관 평균온도 분포를 파란 점선으로 함께 나타내었다.

이론/모형

배관 내부의 냉매에 대한 대류 열전달 계수는 Dittus-Boelter 식⁽¹⁰⁾로부터 계산할 수 있다.
열유체 해석에 사용한 지배방정식은 축대칭 2차원 연속방정식 운동량방정식 에너지방정식과 k-ε 난류모델링 방정식(8)으로 구성되었다.

성능/효과

(1) 배출수 응축기 입구배관에서 냉장고 본체에 가까운 곳의 배관 표면 온도는 37°C 온도이었다가 인접한 곳의 배관 표면온도는 급격히 증가하여 45°C온도이었다. 이 이후에는 다시 물에 잠긴 냉매 배관의 영향으로 온도가 감소하였다.
(2) CFD 해석을 통해 냉매 배관과 실제 냉매의 온도는 8°C에서 22°C 까지 차이가 남을 알 수 있었고 이러한 온도 오차는 15%~40%로 됨을 확인하였다. 이렇게 할 경우에는 실제 냉매 온도 상태에 대하여 심각한 오류 정보를 제공하여 배출수 응축기 성능 평가에 많은 오차를 유발하게 됨을 알 수 있었다.
본 연구에서는 냉장고 배출수 응축기의 열적 최적설계를 위해 배출수 응축기 전후 배관에서 온도를 측정하였다. 배출수 응축기로 흘러가는 냉매 배관은 냉장고 본체에 부착되어 있고 또한 냉매배관이 배출수에 잠겨 있어서 이곳들로의 열손실로 말미암아 배출수 응축기 입출구 배관의 온도가 이곳의 냉매 온도로 하기에는 많은 오차를 유발할 것으로 보였다. 따라서 본 연구에서는 냉장고를 항온항습 챔버 내에서 실제 운전 시 배출수 응축기 입 출구에서의 온도 측정 실험과 이를 바탕으로 한 해석을 통해 배출수 응축기 냉매의 온도를 예측하는 방법을 정립하는 것을 목적으로 하였다.
이식으로 도출된 냉매의 평균온도는 CFD 해석에서의 평균온도와 6% 이내의 정확도로 예측 가능하였다.

후속연구

앞에서 살펴본 바로, 배출수 응축기의 입출구에서 냉매의 온도를 예측하기 위해서는 응축기 배관의 입출구 표면 온도가 냉매의 온도로 하는 것은 많은 오차가 발생하므로 측정된 입출구 배관의 표면 온도로부터 본 연구에서처럼 CFD 해석을 통하지 않고 어떻게 하면 냉매의 온도를 예측할 수 있을 것인가가 관건이다. Table 3에서 살펴본 바대로 대부분의 열전달은 고온의 냉매로부터 대기로의 대류 열전달이 아니라 배관의 양쪽 끝 벽면을 통해 이루어 졌다.

참고문헌 (10)

O. Laguerre, S. Ben Amara, D. Flick, Experimental study of heat transfer by natural convection in a closed cavity: application in a domestic refrigerator, Journal of Food Engineering, 2005, Vol. 70, pp. 523-537.

상세보기
O. Laguerre, S. Ben Amara, J. Moureh, D. Flick, Numerical simulation of air flow and heat transfer in domestic refrigerators, Journal of Food Engineering, 2007, Vol. 81, pp. 144-156.

상세보기
O. Laguerre, D. Flick, Temperature prediction in domestic refrigerators: Deterministic and stochastic approaches, International Journal of Refrigeration, 2010, Vol. 33, pp. 41-51.

상세보기
Wei-Han Tao, Hyi-Yu Sun, Simulation and experimental study on the air flow and heat loads of different refrigerator cabinet designs, Chemical Engineering Communication, 2001, Vol., No. 1, pp. 171-182.
E. Vineyard, T. K. Stovall, K. E. Wilkes, and K. W. Childs, Superinsulation in Refrigerators and Freezers, For the "Recent Developments in Refrigerator and Freezers", ASHRAE Seminar, 1998.
Wei-Han Tao, Chao-Ming Huang, Chuan-Liang Hsu, Jian-Yuan Lin, Performance study of an energy-efficient display case refrigerator, Chemical Engineering Communication, 2004, Vol. 191, pp. 550-565.
Clito Afonso, Manuel Castro, Air infiltration in domestic refrigerators: The influence of the magnetic seals conservation, International Journal of Refrigeration, 2010, Vol. 33, pp. 856-867.

상세보기
B. E. Launder and D. B. Spalding, Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London, 1972.
S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Mcgraw Hill Book, New York, USA, 1980.
R. H. S. Winterton, Where did the Dittus and Boelter equation come from?, Int. J. Heat and Mass Transfer, 1998, Vol. 41, pp. 809-810.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증