[논문]흡수식 냉동기 재생기용 고성능 전열관의 풀비등 성능

심용섭; 김내현

doi:10.5762/kais.2015.16.3.1684

[국내논문] 흡수식 냉동기 재생기용 고성능 전열관의 풀비등 성능
Pool Boiling Performance of Enhanced Tubes for the Generator of an Absorption Chiller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.3, 2015년, pp.1684 - 1691

심용섭 (인천대학교 기계시스템공학부) , 김내현 (인천대학교 기계시스템공학부)

초록
AI-Helper

흡수식 냉동기의 고효율화와 소형화를 위해서는 고성능 전열관의 연구가 필수적이다. 하지만 재생기용 전열관에 대한 연구는 많이 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 만액식 재생기용 전열관의 성능을 파악하기 위한 기초연구로, 형상이 다른 7종의 전열관에 대해 풀비등 실험을 수행하고 비등열전달계수를 도출하였다. 실험은 압력 7.38~101.3 kPa, 열유속 $20{\sim}40kW/m^2$의 범위에서 수행되었다. 실험결과 모든 전열관에서 압력이 증가하고 열유속이 증가할수록 비등열전달계수 값은 증가하였다. 대기압 조건에서는 notched fin 관과 low fin 관이 높은 비등열전달계수를 나타내었고(열전달계수가 가장 낮은 19.0 mm O.D. 평활관의 225% 와 202%), 압력이 낮아질수록 low fin 관이 다른 전열관에 비해 현저히 높은 비등열전달계수를 나타내었다 (12.34와 7.38 kPa에서 19.0 mm O.D. 평활관의 290%와 288%).

Abstract ▼ AI-Helper

For performance improvement and compactness, usage of enhanced tube is inevitable. However, studies on enhanced tubes for generator is very limited. In this study, pool boiling tests were conducted for 7 heat transfer tubes. Test range covered pressure 7.38~101.3 kPa and heat flux $20{\sim}40kW/m^2$. Results show that boiling heat transfer coefficient increases as pressure or heat flux increases. Under atmospheric condition, high heat transfer coefficients were obtained for notched fin and low fin tubes(225% and 202% of the 19.0 mm smooth tube, which yielded the lowest heat transfer coefficient). As pressure decreased, high heat transfer coefficients were obtained for a low fin tube(290% and 288% of the 19.0 mm smooth tube at 12.34 and 7.38 kPa).

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 만액식 재생기용 전열관의 성능을 파악하기 위한 기초연구로, 형상이 다른 7종의 전열관에 대해 풀비등 실험을 수행하고 비등열전달계수를 도출하였다. 실험은 압력 7.

제안 방법

만액식 재생기용 전열관에 관한 연구로는 Varma et al.[7]이 순수 물과 LiBr 수용액을 사용하여 압력 4～9.93 kPa, 열유속 15～108 kW/m²의 조건에서 수평원관의 풀비등 실험을 수행하였다. 그들은 LiBr 수용액에서의 비등열전달계수는 순수 물에서의 값보다 작으며, LiBr 수용액의 농도가 높아질수록 비등열전달계수는 작아진다고 보고하였다.
상기 문헌조사 결과 만액식 재생기의 경우 평활원관에 대해서만 연구가 이루어졌을 뿐 고성능 성형가공관에 대해서는 연구가 전무함을 알 수 있다. 본 연구에서는 흡수식 냉동기에 사용되는 2종류의 평활원관과 5종류의 성형가공관에 대하여 만액식 풀비등 실험을 수행하고 이로부터 최적의 전열관을 도출하였다. 실제 재생기에는 리튬브로마이드 수용액이 순환하나 본 실험은 우선 순수물을 사용하여 수행하였다.
본 연구에서는 흡수식 냉동기에 사용되는 2종류의 평활원관과 5종류의 성형가공관에 대하여 만액식 풀비등 실험을 수행하고 이로부터 최적의 전열관을 도출하였다. 실제 재생기에는 리튬브로마이드 수용액이 순환하나 본 실험은 우선 순수물을 사용하여 수행하였다. 순수 물을 사용하더라도 전열관 성능에 대해 상대비교는 가능할 것으로 판단된다.
전열관 내부에는 일정 유량의 고온수가 흐르게 되는데, 이를 위한 관내측 물순환 시스템은 고온 항온수조, 순환 펌프, 질량유량계(Micro Motion), 유량조절 밸브로 구성된다. 고온 항온수조에는 히터, 전력조정기, 디지털 온도 조절계와 온도센서가 장착되어 고온 항온수조 내의 압력을 약 5 bar(T_sat=150℃)로 유지하여 액상의 고온수가 일정하게 흐를 수 있도록 제작하였다. 전열관 내부를 흐르는 고온수에 의해 시험부 외측에서 발생되는 증기는 시험부 상단에 위치한 응축기로 유입되어 응축된 후 다시 시험부로 유입된다.
시험부 내의 액체온도와 기체온도를 측정하기 위해 시험부 상부와 하부에 열전대를 200mm 간격으로 각각 4개씩 부착하였다. 시험부 상부에는 압력계를 장착하여 압력을 측정하였고, 전열관의 비등현상을 가시화할 수 있도록 시험부 중앙에 sight glass를 설치하였다.
시험부 상부에는 압력계를 장착하여 압력을 측정하였고, 전열관의 비등현상을 가시화할 수 있도록 시험부 중앙에 sight glass를 설치하였다. 전열관 입출구에는 각 3개씩 열전대를 설치하여 물의 입출구 온도를 측정하였다. 실험장치는 외부로의 열손실을 최소화하기 위하여 약 30mm 두께의 단열재로 단열하였으며 온도, 압력 및 유량 등의 모든 데이터는 데이터 취득장치를 통해 컴퓨터에 저장된다.
실험은 Table 2에 나타나 있듯이 세 종류의 압력(7.38, 12.34, 101.3 kPa)과 세 종류의 열유속(20, 30, 40 kW/m²)에서 수행되었다. 압력은 시험부 상부의 응축기에 공급되는 냉각수의 온도로써 조절하였고, 열유속은 전열관 내로 공급되는 고온수의 온도를 변화시켜 조절하였다.
3 kPa)과 세 종류의 열유속(20, 30, 40 kW/m²)에서 수행되었다. 압력은 시험부 상부의 응축기에 공급되는 냉각수의 온도로써 조절하였고, 열유속은 전열관 내로 공급되는 고온수의 온도를 변화시켜 조절하였다.
실험장치는 대기압 미만 압력에서 구동하기 때문에 기밀을 확인하기 위해 압축공기와 진공펌프를 이용하여 고압 상태(8기압)와 저압 상태(진공)에서 누설여부를 확인하였다. 48시간 동안 시험부 내의 압력변화를 체크하여 시간당 0.
1 kPa 이내로 시험부의 기밀을 유지하였다. 실험장치의 기밀을 확인한 후 진공상태에서 주입부를 통하여 시험부 내로 전열관 상부 40mm까지 순수 물을 충전시킨 후 최대 열유속 조건에서 약 2시간 정도 시운전하면서 용액내의 잔존가스를 제거하였다. 시험 조건을 변화시킨 후 정상상태까지는 대략 30분 정도가 소요되었고, 정상상태에서 약 2분 동안 데이터를 취득하였다.
따라서 관외측의 포화온도와 열유속을 일정하게 유지하며 실험을 수행하여야 하는데 열유속을 일정하게 유지하기 위해서는 전열관 입구온도를 변화시키고, 포화온도를 일정하게 유지하기 위해서는 시험부 상부에 위치한 응축기로 유입되는 항온수조의 온도를 변화시켜 관외측 조건이 일정하게 유지되도록 하였다.

대상 데이터

외경이 16mm인 전열관 5종(bare, corrugated, floral, notched fin, nf)과 외경 19mm의 전열관 2종(bare, low fin)이다. 전열관의 전체길이는 1,200mm이며 전열관 양단의 비가공부 길이는 각각 100mm로, 전열관의 전열길이는 1,000mm이다.
실험장치는 크게 시험부와 관내측 물순환 시스템으로 구성된다. 시험부는 내경 200mm, 길이 1,000mm, 두께 15mm의 SUS 재질의 원통으로 제작하였고, 시험부 중심에 전열관을 플랜지와 O-ring으로 체결하였다.

이론/모형

전열관의 비등열전달계수(h_o)는 Wilson Plot 법[11]을 사용하여 식 (4)로부터 구하였다. Wilson Plot 법은 벽면온도를 측정하지 않고 관외측 열전달계수를 구하는 방법으로, 전열관 외측 조건을 일정하게 유지시킨 상태에서 전열관 내측의 조건을 변화시키면서 총괄열전달계수를 측정하면 외측 비등열전달계수의 값이 도출된다.

성능/효과

15 %이다. 실험 데이터에 대한 불확실성 해석[12]을 수행한 결과 열유속은 1.8～4.6 %, 비등열전달계수는 5.6～17.6 %의 오차값을 가진다.
3에 평활관의 관내측 열전달계수와 Gnielinski 상관식[15]을 비교하였는데, Gnielinski 상관식이 적절히 예측함을 알 수 있다. 이로부터 Wilson Plot 법이 본 논문의 자료처리에 적절하게 사용되고 있음을 재차로 확인할 수 있다.
11은 대기압에서 7종 전열관에 대한 풀비등 실험결과를 나타내었다. 열유속이 증가함에 따라 모든 전열관의 비등열전달계수는 증가하였으며, notched fin 관이순수 물의 대기압 조건에서 가장 높은 비등열전달계수를 보였으며, 다음으로 low fin 관이 높은 비등열전달계수를 보였다. 열전달 계수가 가장 작은 19 mm O.
열유속이 증가함에 따라 모든 전열관의 비등열전달계수는 증가하였으며, notched fin 관이순수 물의 대기압 조건에서 가장 높은 비등열전달계수를 보였으며, 다음으로 low fin 관이 높은 비등열전달계수를 보였다. 열전달 계수가 가장 작은 19 mm O.D. 평활관 대비 열전달계수는 notched fin관이 225%, low fin 관이 202%, floral관이 169%, notched floral 관이 159%, corrugated관이 145%, 16 mm O.D.관이 115%로 높게 나타났다.
38 kPa에서 열유속 변화에 따른 비등열전달계수를 나타내었다. 대기압 조건에서의 풀비등 실험결과와는 달리 압력 7.38 kPa과12.34 kPa에서는 low fin 관이 다른 전열관에 비해 월등히 높은 비등열전달계수를 나타내었고, 다음으로 floral 관, corrugated 관이 높은 비등열전달계수를 보였다. Low fin 관의 경우 핀과 핀 사이가 핀으로 막혀 있어 유체가 서로 소통할 수 없는 구조로 되어 있다.
압력 12.34 kPa에서 열전달 계수가 가장 작은 19 mm O.D. 평활관 대비 열전달계수는 low fin관이 290%, floral 관이 172%, corrugated관이 157%, notched fin 관이 139%, notched floral관이 130%, 16 mm O.D.관이 115%로 높게 나타났다. 압력 7.
관이 115%로 높게 나타났다. 압력 7.38 kPa에서 열전달 계수가 가장 작은 19 mm O.D. 평활관 대비 열전달계수는 low fin 관이 288%, floral관이 158%, corrugated관이 249%, notched fin 관이 134%, notched floral관이 131%, 16 mm O.D.관이 122%로 높게 나타났다.
1) 압력이 증가하고 열유속이 증가할수록 비등열전달계수 증가함을 보였다.
2) 대기압 조건에서는 notched fin 관과 low fin 관이 가장 좋은 비등열전달계수 값(열전달계수가 가장 낮은 19.0 mm O.D. 평활관의 225% and 202%) 을 보였다.
3) 압력이 낮은 12.34와 7.38 kPa에서는 low fin 관이 다른 전열관에 비해 월등히 높은 비등열전달계수값(열전달계수가 가장 낮은 19.0 mm O.D. 평활관의 290%와 288%)를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉동기의 주요 부품인 재생기에서 리튬브로마이드 수용액이 공급되는 형태에 따라 구분되는 만액식과 유하액막식의 특징은 무엇인가?	흡수식 냉동기의 주요 부품인 재생기는 전열관군으로 구성되는데 리튬브로마이드 수용액이 공급되는 형태에 따라 만액식과 유하액막식 형태로 구분할 수 있다. 유하액막식은 냉매가 관외측에서 액막형태로 흐르면서 열 및 물질전달을 수행하는데 전열성능이 높고 냉매충전량이 소량인 반면 관 외측에 균일한 액막이 형성되지 않는 어려움이 있다[9]. 만액식은 전열관 전체를 냉매에 잠기게하여 풀비등 형태로 열 및 물질전달을 수행한다. 유하액막식에 비하여 냉매충전량이 다량 소요되는 반면 재생기를 안정적으로 운전할 수 있는 장점이 있다.
	현재 보급되고 있는 흡수식 냉동기에 주로 사용되는 냉매 및 흡수재는 무엇인가?	현재 보급되고 있는 흡수식 냉동기는 주로 냉매로 물이, 흡수재로 리튬브로마이드 수용액이 사용되고 있다. 이 흡수식 냉동기는 재생기, 증발기, 흡수기 및 응축기 등의 열교환기들로 구성되며, 각각 기능에 적합한 형상의 전열관을 사용한다.
	흡수식 냉동기의 고효율화 및 소형화를 위해 필수적인 것은?	흡수식 냉동기의 고효율화와 소형화를 위해서는 고성능 전열관의 연구가 필수적이다. 하지만 재생기용 전열관에 대한 연구는 많이 미흡한 실정이다.

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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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