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문제 정의
- 본 논문은 R1234yf 냉매의 모세관 내의 유동특성을 분석하고자 R134a 냉매의 선행 연구의 실험 데이터를 통하여 시뮬레이션의 신뢰도를 보이고 모세관 길이와 내경 그리고 운전조건 변화에 따른 질량유량 변화를 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 냉매 R134a와 R1234yf의 모세관길이에 따른 냉매의 질량유량 특성을 분석하기 위하여 R134a의 선행 연구에서 수행한 시뮬레이션과 유사한 방법으로 모델링을 수행하였다[9]. R134a와 R1234yf 냉매에 대한 물성치는 EES Ver8.
제안 방법
- 임의의 질량유량을 가정하여 주어진 모세관 입구 상태의 온도, 압력을 고려하여 모세관내 지배방정식인 연속방정식, 에너지방정식 그리고 운동량방정식을 이용하여 모세관 출구방향으로의 미세온도차에 따른 하류지점의 냉매 물성치를 반복 계산하도록 하였다. 과냉도에 의한 액상 영역의 모세관 미소 길이를 먼저 계산을 하고, 이상영역부터는 미세 온도를 순차적으로 떨어뜨려 입구와 출구 부분의 냉매의 물성치를 구하여, 압력강하에 의한 미소 구간을 구하도록 하였다. 이상영역의 미소길이 구간은 엔트로피의 구배가 0이 되어 초킹조건이 발생할 때까지 계산을 수행하도록 하였다.
- 5는 R134a 냉매와 R1234yf 냉매에 대하여 모세관의 내부직경 변화에 따른 질량유량을 나타낸다. 모세관 입구에서의 온도는 45℃, 과냉도 3℃, 모세관 길이를 1000 mm로 고정하고 모세관 내경을 1.3 mm에서 1.7 mm까지 0.2 mm씩 증가시키며 시뮬레이션을 실시하였다. 모세관의 직경을 증가시키면 모세관 내부에서의 저항이 줄어들어 모세관 내부를 흐르는 냉매의 질량유량은 증가하게 되는데, R134a 냉매는 117.
- 7은 R134a 냉매와 R1234yf 냉매의 모세관 입구에서의 온도변화에 대한 질량유량을 나타낸다. 모세관 입구에서의 온도를 35℃에서 60℃로 5℃씩 증가시키고, 모세관의 길이 1 m, 과냉도 3℃ 조건에서 시뮬레이션을 실시하였다. 모세관 입구 온도가 35℃에서 60℃로 증가할 때, R134a 냉매의 경우는 31.
- 6는 R134a 냉매와 R1234yf 냉매의 과냉도 변화에 대한 질량유량을 나타낸다. 모세관의 길이 1 m, 모세관의 직경 1.5 mm으로 고정하고, 응축온도 35, 45, 45℃에 대하여 과냉도가 0-7℃로 증가시키며 시뮬레이션을 실시하였다. 과냉도가 증가할수록 냉매의 질량유량은 전체적으로 선형적인 증가추세를 나타내었다.
- 4는 R134a 냉매와 R1234yf 냉매에 대하여 모세관 길이 변화에 따른 질량유량을 나타낸다. 모세관입구에서의 온도는 45℃, 과냉도 3℃, 모세관 내경은 1.5 mm로 고정하고 모세관 길이를 1 m에서 4 m까지 0.5 m씩 증가시키며 시뮬레이션을 실시하였다. 냉매 R134a와 R1234yf는 모세관 길이가 1 m에서 4 m로 증가하면 모세관내의 질량유량은 47.
- 본 연구에서는 해석적 연구를 통하여, 모세관의 길이 및 운전조건에 따라 R134a와 R1234yf 냉매의 모세관내 유량특성을 비교 분석 하였다.
- 이상영역의 미소길이 구간은 엔트로피의 구배가 0이 되어 초킹조건이 발생할 때까지 계산을 수행하도록 하였다. 이때까지 계산된 액상영역과 이상영역의 미소길이 합이 모세관의 길이이며 설정한 모세관의 길이와 일치하면 시뮬레이션이 종료되도록 하였다. 시뮬레이션이 수렴하지 않을 경우에는 가정한 질량 유량을 수정하여 처음부터 다시 계산을 시작하여 시뮬레이션이 수렴하도록 하였다.
- 과냉도에 의한 액상 영역의 모세관 미소 길이를 먼저 계산을 하고, 이상영역부터는 미세 온도를 순차적으로 떨어뜨려 입구와 출구 부분의 냉매의 물성치를 구하여, 압력강하에 의한 미소 구간을 구하도록 하였다. 이상영역의 미소길이 구간은 엔트로피의 구배가 0이 되어 초킹조건이 발생할 때까지 계산을 수행하도록 하였다. 이때까지 계산된 액상영역과 이상영역의 미소길이 합이 모세관의 길이이며 설정한 모세관의 길이와 일치하면 시뮬레이션이 종료되도록 하였다.
- 1의 순서도에서 나타내었다. 임의의 질량유량을 가정하여 주어진 모세관 입구 상태의 온도, 압력을 고려하여 모세관내 지배방정식인 연속방정식, 에너지방정식 그리고 운동량방정식을 이용하여 모세관 출구방향으로의 미세온도차에 따른 하류지점의 냉매 물성치를 반복 계산하도록 하였다. 과냉도에 의한 액상 영역의 모세관 미소 길이를 먼저 계산을 하고, 이상영역부터는 미세 온도를 순차적으로 떨어뜨려 입구와 출구 부분의 냉매의 물성치를 구하여, 압력강하에 의한 미소 구간을 구하도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 냉매 R134a와 R1234yf의 모세관길이에 따른 냉매의 질량유량 특성을 분석하기 위하여 R134a의 선행 연구에서 수행한 시뮬레이션과 유사한 방법으로 모델링을 수행하였다[9]. R134a와 R1234yf 냉매에 대한 물성치는 EES Ver8.688을 사용하여 구하였다[10].
데이터처리
- [11]과 Dirik et al.[12]의 실험 데이터를 사용하여 본 논문의 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 기존의 실험 데이터와 본 시뮬레이션 결과 값의 평균 오차는 5.
이론/모형
- 이상영역의 점성모델은 식 (1)의 McAdam's et al. 모델을 적용하였고 마찰계수는 액상과 이상영역 모두 식 (2)의 Churchill 상관식을 적용하였다.
- 점성계수와 마찰계수는 액상영역과 이상영역으로 나누어 기존 문헌의 유동모델을 사용하였다[9]. 이상영역의 점성모델은 식 (1)의 McAdam's et al.
성능/효과
- (1) R134a 냉매가 R1234yf보다 점성계수와 질량유량이 크기 때문에 동일한 운전조건에서 R1234yf 냉매가 R134a 냉매보다 압력강하가 많이 일어난다. 모세관의 길이가 3m일 경우 R134a 냉매는 56.
- (2) 모세관의 길이가 1 m에서 4 m로 증가할 때 냉매 R134a와 R1234yf의 각각 47.0% 감소하는 추세를 나타내었으며, 동일한 운전 조건에서는 포화 온도에서의 밀도가 R134a 냉매가 R1234yf 냉매보다 크므로 4.0-5.3%의 질량유량이 더 큰 것으로 나타났다.
- (3) 모세관의 직경이 1.3 mm에서 1.5 mm로 증가할 때 냉매 R134a와 R1234yf의 냉매의 질량유량의 각각 117.9%와 121.0% 증가하였다.
- (4) 모세관 입구에서의 과냉도가 0℃에서 7℃로 증가 하는 경우 과냉상태의 냉매가 모세관을 통과하는 동안 상대적으로 높은 밀도를 나타내므로 질량 유량이 R134a 냉매는 28.3%, R1234yf 냉매는 29.1%로 각각 증가를 나타내었으며, 또한 동일한 운전 조건에서는 R134a 냉매가 R1234yf 냉매보다 약 5-6% 정도 질량유량이 더 큰 것으로 나타났다.
- (5) 모세관 입구에서의 온도가 증가할수록 모세관 입출구에서의 압력차가 증가하여 R134a 냉매는 31.0%, R1234yf 냉매는 45.4%의 질량유량 증가를 나타내었으며, 동일한 운전 조건에서는 R134a 냉매가 R1234yf 냉매보다 4.4-7.8%의 질량유량이 더 큰 것으로 나타났다.
- 5 mm으로 고정하고, 응축온도 35, 45, 45℃에 대하여 과냉도가 0-7℃로 증가시키며 시뮬레이션을 실시하였다. 과냉도가 증가할수록 냉매의 질량유량은 전체적으로 선형적인 증가추세를 나타내었다. 과냉도가 0℃에서 7℃로 변화할 때, 질량유량은 R134a 냉매의 경우 28.
- [12]의 실험 데이터를 사용하여 본 논문의 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 기존의 실험 데이터와 본 시뮬레이션 결과 값의 평균 오차는 5.7% 이내로 나타났다. Melo et al.
- 0% 감소하였다. 동일한 조건에서 R134a 냉매가 R1234yf 냉매보다 4.0-5.3%의 질량유량이 더 많이 흐르는 것으로 나타났다. R134a 냉매와 R1234yf 냉매가 포화액체일 경우 R134a 냉매가 R1234yf 냉매에 비해 밀도가 크므로 질량유량은 R134a 냉매가 R1234yf 냉매에 비해 크게 나타나게 된다.
- 1% 증가하였다. 동일한 조건에서 R134a 냉매는 R1234yf 냉매보다 약 5-6% 정도 냉매의 질량유량이 더 많이 흐르는 것으로 나타났다. 과냉도가 증가함에 따라 과냉상태의 냉매는 모세관을 통과하는 동안 상대적으로 높은 밀도로 인해 질량유량은 증가하게 된다.
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