[논문]압축기 흡입배관 압력 맥동 특성의 실험 및 해석

오한음; 정의봉; 안세진; 김민성

doi:10.5050/ksnve.2014.24.10.756

압축기 흡입배관 압력 맥동 특성의 실험 및 해석
Analysis and Experiment of Pressure Pulsation in a Suction Pipe of Compressor 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.10, 2014년, pp.756 - 762

오한음 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 정의봉 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 안세진 (School of Mechanical&Electrical Engineering, Uiduk University) , 김민성 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper dealt with numerical estimation of the pressure pulsation of the refrigerant in a suction pipe of the compressor. The behavior of the pressure pulsation was assumed to satisfy the wave equation. The boundary conditions and properties of refrigerant are necessary as input data of the simulation. The pulsating pressures at 15 points in a pipe were measured simultaneously from the pressure transducers. From the experimental data, the complex phase speed and impedance at the end of the pipe of the refrigerant were estimated using the signal processing and used as the input conditions of the numerical analysis. A commercial acoustic software was used to solve the behavior of pressure pulsation. The numerical results for the pressure pulsation in a pipe with and without expansion chamber were carried out and compared with those by experiments. Finally, numerical procedure to estimate the pressure pulsation in a pipe was established and verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

에어컨이나 냉장고 등 가전제품에 사용되는 압축기 배관의 진동의 원인은 기계적 진동과 내부 냉매 맥동에 대한 진동을 들 수 있다. 그 중 이 연구에서는 압축기에 의한 배관 내부 냉매의 압력 맥동에 대하여 다루고자 한다.
따라서 이 연구에서는 R-600a를 사용하는 압축기에 대하여, 냉매 공급 장치를 이용한 압력 맥동 실험을 통해 흡입배관 내 맥동의 특성에 대해 파악하고자 한다. 그리고 실험 결과를 토대로 신뢰성 있는 전산 해석 방안을 확립하고자 한다. 확립된 전산 해석 조건을 이용하여 맥동 저감 방안을 제시하고 이를 실험으로 검증해보고자 한다.
따라서 이 연구에서는 R-600a를 사용하는 압축기에 대하여, 냉매 공급 장치를 이용한 압력 맥동 실험을 통해 흡입배관 내 맥동의 특성에 대해 파악하고자 한다. 그리고 실험 결과를 토대로 신뢰성 있는 전산 해석 방안을 확립하고자 한다.
그리고 실험 결과를 토대로 신뢰성 있는 전산 해석 방안을 확립하고자 한다. 확립된 전산 해석 조건을 이용하여 맥동 저감 방안을 제시하고 이를 실험으로 검증해보고자 한다.

가설 설정

여기서 p는 배관 내 맥동의 압력이며, c는 전파속도를 나타낸다. 압축기 배관의 경우, 배관의 길이에 비해 단면적이 충분히 작으므로 압력 맥동을 1차원 평면파로 가정할 수 있다. 따라서 식 (1)을 정리하게 되면, 다음과 같은 진행파와 반사파의 합으로 나타낼 수 있다.

제안 방법

(1) 실제 냉장고 운전 조건을 구현 및 유지하기 위해 냉매 공급 장치를 통하여 실험을 수행하였다. 실험 결과, 흡입배관 내 압력 맥동이 작동 주파수인 56.
기존의 모델에서 압축기와 압력 센서 사이에 길이 37 mm, 지름 25 mm인 확장관을 부착한 Fig. 9와 같은 모델을 이용하여 전산 해석 및 실험을 수행하였다.
내경 6 mm인 배관 내부 맥동의 3차원 해석 및 해석 시간을 고려하여, 격자 길이가 1 mm인 육면체 솔리드 요소로 유한 요소 모델링을 하였다.
로 나타낼 수 있고, 최적화 기법을 이용하여 함수 J를 최소화하는 A, B 그리고 β를 구하였다.
신뢰성 있는 전산 해석 모델 해석 구축 시 필요한 조건인 압력 맥동의 복소전파속도 및 경계조건으로 사용할 임피던스의 추정 방법을 제시한다.
압축기가 구동할 때 압축기 흡입배관 내 발생하는 맥동 현상에 대하여, 그 특성을 파악하고 전산 해석 시 필요한 전파속도 및 임피던스를 구하기 위해서 실험을 진행하였다. 실험은 냉매 공급 장치를 이용하여 실제 냉장고 운전 조건을 구현하였으며, 그 조건하에서 압력센서를 이용하여 흡입배관 내의 동압을 측정한 후 맥동 특성을 파악하였다.
3에 나타내었다. 압력 시간 데이터를 푸리에 변환을 통하여 주파수별 압력 데이터로 변환하였다. 실험 결과, 흡입배관 내 압력 맥동이 56.
압축기 흡입배관 내에서 발생하는 압력 맥동에 대한 특성을 파악하여 전산 해석에 필요한 기초 데이터를 얻기 위해서 실험을 수행하였고, 해석 조건을 바탕으로 전산 해석을 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
압축기가 구동할 때 압축기 흡입배관 내 발생하는 맥동 현상에 대하여, 그 특성을 파악하고 전산 해석 시 필요한 전파속도 및 임피던스를 구하기 위해서 실험을 진행하였다. 실험은 냉매 공급 장치를 이용하여 실제 냉장고 운전 조건을 구현하였으며, 그 조건하에서 압력센서를 이용하여 흡입배관 내의 동압을 측정한 후 맥동 특성을 파악하였다.
2는 실험하고자 하는 대상에 대한 개략도 이다. 압축기가 구동할 시, 흡입배관 내 발생하는 압력 맥동을 측정하기 위해 압력 센서를 100 mm 간격으로 총 15개를 설치한 후, 실험을 진행하였다. 압력 센서는 KISTLER사의 211B3 타입의 센서를 사용하였다.
압력 맥동 저감 방안으로, 통상적으로 확장관을 사용하면 압력 맥동이 저감된다고 알려져 있다. 전산 상으로 이를 확인하기 위해 흡입배관 전단에 확 장관을 설치한 모델에 대하여 해석으로 예측 한 후, 실험으로 검증하였다.
7은 해석 조건의 개략도를 보여주고 있다. 해석 데이터를 받는 측정점의 개수 및 위치는 실험 시의 압력 센서의 개수 및 위치와 동일하게 설치하였으며, 압축기 내 밸브는 평면파 소스를 이용하여 각각의 주파수마다의 수치를 부여하여 모델링 하였다. 경계조건으로 배관 끝단에는 실험 결과를 바탕으로 2절에서 예측한 임피던스 #을 부여하였다.

대상 데이터

실제 냉장고 운전 조건 하에서 실험을 진행하기 위해 압축기의 흡입 압력 및 토출 압력은 각각 57.09 kPa, 738 kPa의 정압의 조건으로 유지하였고, 냉매는 R-600a를 사용하였다.
압축기가 구동할 시, 흡입배관 내 발생하는 압력 맥동을 측정하기 위해 압력 센서를 100 mm 간격으로 총 15개를 설치한 후, 실험을 진행하였다. 압력 센서는 KISTLER사의 211B3 타입의 센서를 사용하였다.
외경 8 mm, 내경 6 mm의 배관을 이용하였으며, 압축기로부터 배관 끝단까지의 길이는 1825 mm이다.

데이터처리

(3) 실험 결과로 구한 해석 조건을 이용하여 전산 해석을 수행하였다. 결과, 실험의 결과와 전산 해석 결과가 잘 일치하는 것으로 보아 올바른 전산 해석 프로세스가 구축되었을 확인하였다.
전산 해석 방안 확립을 위해 실험 결과로 구한 전파속도 및 임피던스를 적용하여 실험 및 전산 해석 결과를 비교하였다. 상용 프로그램으로는 LMS Virtual.

이론/모형

더 자세한 압력 맥동의 특성을 파악하기 위해, 진행파와 반사파를 분리하는 기법인 음파분리 기법⁽⁷⁾을 사용하였다. 맥동을 분리하는 방법은 다음과 같다.
이 식들을 바탕으로, 좌변 항에는 이론식을, 우변 항에는 실험 결과를 대입하여 변수 A, B, β를 추정하였다. 변수 추정 시 추정오차를 최소화하기 위해서 각각 식의 좌변 항과 우변 항의 차의 제곱의 총 합을 최소화시키는 변수를 찾는 방법인 최소자승법을 사용하였다. 이를 수식으로 나타 되면,

성능/효과

(2) 실험 결과를 토대로 음파 분리 기법을 이용하여 진행파와 반사파를 분리하여 살펴본 결과, 압축기에서 거리가 멀어질수록 진행파의 경우는 거리 감쇠효과에 의해 압력 맥동의 크기가 감소하는 경향을 보임을 확인하였다.
(4) 동일한 해석 조건을 이용하여 기존의 실험모델에서 확장관을 부착한 모델에 관하여 전산으로 압력 맥동을 예측하였고, 이를 실험을 통한 검증으로 압력 맥동의 예측 전산모델의 타당성을 확립하였다.
11(b)는 113 Hz에서의 확장관 부착 유·무에 따른 압력 맥동의 크기를 나타내는 그래프이다. 검증 시 사용했던 확장관을 부착 하였을 시에 압력 맥동의 위상은 변화가 없으나, 크기에서 확장관을 부착하지 않은 모델에 비해 약 1/2배 감소하는 경향을 확인할 수 있다.
(3) 실험 결과로 구한 해석 조건을 이용하여 전산 해석을 수행하였다. 결과, 실험의 결과와 전산 해석 결과가 잘 일치하는 것으로 보아 올바른 전산 해석 프로세스가 구축되었을 확인하였다.
압력 시간 데이터를 푸리에 변환을 통하여 주파수별 압력 데이터로 변환하였다. 실험 결과, 흡입배관 내 압력 맥동이 56.5 Hz의 조화 성분으로 발생하는 것을 확인하였다.
(1) 실제 냉장고 운전 조건을 구현 및 유지하기 위해 냉매 공급 장치를 통하여 실험을 수행하였다. 실험 결과, 흡입배관 내 압력 맥동이 작동 주파수인 56.5 Hz의 조화성분으로 발생하는 것을 확인 할 수있었다.
8(b)는 작동주파수의 고조파성분인 113 Hz에서, 실험 결과와 해석 결과의 압력 크기 값을 비교한 그래프이다. 실험 결과와 해석 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
5 Hz와 작동 주파수의 고조파 성분인 113 Hz에서의 압력 맥동의 크기를 도식화한 그래프이다. 압축기에서 거리가 멀어질수록 거리 감쇠 효과로 인하여 점점 압력 맥동의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
이 경우에도 마찬가지로 해석으로 예측한 결과와 실험을 통해 검증한 결과가 잘 일치하는 것으로 보아 앞서 사용한 해석 조건이 제대로 확립되었다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축기 배관의 진동의 원인은 무엇인가?	에어컨이나 냉장고 등 가전제품에 사용되는 압축기 배관의 진동의 원인은 기계적 진동과 내부 냉매 맥동에 대한 진동을 들 수 있다. 그 중 이 연구에서는 압축기에 의한 배관 내부 냉매의 압력 맥동에 대하여 다루고자 한다.
	진행파와 반사파를 분리하여 살펴본 결과, 진행파의 특징은 무엇인가?	(2) 실험 결과를 토대로 음파 분리 기법을 이용하여 진행파와 반사파를 분리하여 살펴본 결과, 압축기에서 거리가 멀어질수록 진행파의 경우는 거리 감쇠효과에 의해 압력 맥동의 크기가 감소하는 경향을 보임을 확인하였다.
	압축기의 압력 맥동에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	냉매가 압축기를 통하여 압축되고 토출되는 과정에서 압축기 내에 위치한 밸브의 개폐로 인하여 압력 맥동이 발생하게 된다. 이 발생된 맥동은 압축기에 부착되어있는 배관을 가진하게 된다. 가진된 배관은 압축기의 진동 및 소음을 유발한다. 이 진동에 의해 배관이 손상되거나 파괴되므로, 이를 방지하는 것은 중요한 문제이다. 따라서 압축기를 대상으로 하는 압력 맥동에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.

참고문헌 (7)

Liu, Z. and Soedel, W., 1994, Discharge Gas Pulsations in a Variable Speed Compressor, Proceeding of Compressor Technology Conference, Purdue, pp. 507-514.
Boswirth, L., 1990, A Model for Valve Flow Taking Non Steady Flow into Account, Part I, II., Proceeding of Compressor Technology Conference.
Lee, S. W., Hong, S. C., Joo, J. M. and Park, C. H., 1999, Valve Motions and Gas Pulsations of a Reciprocating Compressor, Journal of the KSNVE, Vol. 9, No. 4, pp. 754-760,
Seo, Y. S. and Jeong, W. B., 2002, Vibration Analysis of Discharge Pipe with Fluid Pulsation in a Rotary Compressor, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 1049-1054.
Jung, S. H., Seo, Y. S. and Jeong, W. B., 2004, The Vibration Analysis of Pipes Conveying Fluid with Several Harmonic Pulsations, Proceeding of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 1077-1082.
Lee, S. H., Jeong, W. B. and Seo, Y. S., 2008, Finite Element Vibration Analysis of a Curved Pipe Conveying Fluid with Uniform Velocity, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 10, pp. 1049-1056.

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Seybert, A. F., 1988, Two-sensor Methods for the Measurement of Sound Intensity and Acoustic Properties in Ducts, The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 83, pp. 2233-2239.

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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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