[논문]대체냉매를 적용한 대형 압축식 냉동기의 만액식 증발기에 대한 성능 해석

김내현

doi:10.5762/kais.2016.17.6.18

대체냉매를 적용한 대형 압축식 냉동기의 만액식 증발기에 대한 성능 해석
Performance Analysis of the Flooded Refrigerant Evaporators for Large Tonnage Compression-Type Refrigerators Using Alternative Refrigerants 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.6, 2016년, pp.18 - 25

초록
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대형 압축식 냉동기의 증발기 전열관으로는 그간 평활관이 주로 사용되어 왔으나 최근들어 비등 성능이 우수한 성형 가공관을 많이 사용하고 있다. 증발기는 관군으로 구성되고 따라서 증발기 내 위치에 따라 냉매 상태가 다르다. 특히 R-11, R-123과 같은 저압 냉매는 압력변화에 따른 포화온도 변화가 크므로 위치에 따라 포화온도가 다르게 된다. 따라서 증발기를 적절히 설계하려면 증발기 내 각 위치에서의 냉매의 상태를 적절히 예측하여야 한다. 본 연구에서는 대형 냉동기의 만액식 증발기를 모사할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 증발기를 미소 체적으로 구분하고 각 미소 체적에 적절한 관 내외측 열전달 및 압력손실 상관식을 적용하여 해석을 수행하였다. 본 프로그램을 R-123을 사용하는 T사의 만액식 증발기 해석에 적용한 결과 만족할 만한 결과를 얻었다. 이 프로그램을 이용하여 신 냉매인 R-123, R-134a를 사용하는 만액식 증발기의 해석을 수행하였고 특히 관군 세장비의 영향을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Enhanced tubes are used widely in the evaporators of large tonnage compression-type refrigerators. The evaporators consist of tube bundles, and the refrigerant properties are dependent on the locations in the tube bundles. In particular, the saturation temperatures of low pressure refrigerants (R-11, R-123) are strongly dependent on the locations due to the saturation temperature-pressure curve characteristics. Therefore, for the proper design of evaporators, local property predictions of the refrigerants are necessary. In this study, a computer program that simulates the flooded refrigerant evaporators was developed. The program incorporated theoretical models to predict the refrigerant shell-side boiling heat transfer coefficients and pressure drops across the tube bundle. The program adopted an incremental iterative procedure to perform row-by-row calculations over the specified incremental tube lengths for each water-side pass. The program was used to simulate the flooded refrigerant evaporator of the "T" company operating with R-123, which yielded satisfactory results. The program was extended to predict the performance of the flooded refrigerant evaporator operating with R-11, R-123, and R-134a. The effects of bundle aspect ratio are investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대형 냉동기용 만액식 증발기를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램을 활용하여 대체 냉매인 R-123, R-134a를 사용하는 증발기를 해석하였는데 주요 결과는 다음과 같다.

가설 설정

(1) 냉각수 출구온도 T_c2를 가정한다. 이 온도로 부터 냉동능력 Q와 전체 냉매유량 \(m_{r,t}=Q/[i_{fg}(x_2-x_1)]\)구한다.
(2) 증발기 관군 하부에서의 냉매압력 P\(_b\)를 가정한다.
본 프로그램은 증발기의 크기 및 형상, 냉각수 입구 온도 및 유량, 냉매의 유입 건도 및 증발기 관군 상부에서의 압력(압축기 입구 압력)이 주어졌을 때 증발기의 냉동능력을 계산하도록 구성되어 있다. 관군 상부에서의 건도는 100%로 가정하였고 냉각수 출구온도 및 냉매유량은 증발기 냉동능력이 결정되면 열정산(heat balance)으로부터 계산할 수 있다.
성능해석은 전열관 수량을 195 개로 유지하고 관군의 aspect ratio를 4 종류 (13 x 15, 15 x13, 19/20 x 10, 39 x 5)로 변화시키며 수행하였다. 또한 포화온도는 5℃로 일정하게 가정하였다.
여기서 N_x는 길이 방향 미소 체적의 수, N_p는 패스 수이다. 증발기 입구 건도는 0.2로 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 Webb et al. [6]의 모델을 기초로 만액식 증발기 해석 프로그램을 개발하였다. 해석 프로그램을 대체 냉매인 R-123과 R-134a에 적용하여 관군의 종횡비의 영향 등 만액식 증발기 설계 시 유의할 점을 살펴보았다.
증발기내 각 위치에서 냉매상태(온도, 압력, 건도, 유속 등)가 다르고 이에 따라 비등전열계수가 다르기 때문에 증발기를 미소 해석하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 증발기를 Fig. 4와 같이 미소 체적으로 나누어 해석하였다. 미소 체적에서의 건도(또는 압력손실)는 전열량에 의하여 결정되고 전열량은 냉각수와 냉매의 온도(또는 포화압력) 차에 비례하므로 압력손실과 전열량을 동시에 해석하는 것이 필요하다.
본 프로그램은 증발기의 크기 및 형상, 냉각수 입구 온도 및 유량, 냉매의 유입 건도 및 증발기 관군 상부에서의 압력(압축기 입구 압력)이 주어졌을 때 증발기의 냉동능력을 계산하도록 구성되어 있다. 관군 상부에서의 건도는 100%로 가정하였고 냉각수 출구온도 및 냉매유량은 증발기 냉동능력이 결정되면 열정산(heat balance)으로부터 계산할 수 있다.
상기 프로그램을 활용하여 대체 냉매용 증발기의 성능을 예측하여 보았다. R-11, R-123과 같은 저압 냉매의 경우 수두 차에 의하여 관군 하부의 냉매 온도는 상부의 온도보다 1~2℃ 가량 높다.
Table 3에 R-123을 사용하는 상기 T사 증발기의 관군 형태 변화에 따른 냉동 능력이 나타나있다. 성능해석은 전열관 수량을 195 개로 유지하고 관군의 aspect ratio를 4 종류 (13 x 15, 15 x13, 19/20 x 10, 39 x 5)로 변화시키며 수행하였다. 또한 포화온도는 5℃로 일정하게 가정하였다.
T사 증발기 제원 중 한 가지 분명치 않은 것은 냉동능력 시험시의 증발기 포화온도이다. 일반적으로 증발기 포화온도는 냉각수 출구온도보다 2~3℃ 낮은 것이 일반적이므로 본 연구에서는 증발기 포화온도를 4℃, 4.5℃, 5℃의 세 경우에 대하여 성능을 예측하여 보았다. Table 2는 본 모델이 증발기 성능을 적절히 예측함을 보여준다.
[6]의 모델을 기초로 만액식 증발기 해석 프로그램을 개발하였다. 해석 프로그램을 대체 냉매인 R-123과 R-134a에 적용하여 관군의 종횡비의 영향 등 만액식 증발기 설계 시 유의할 점을 살펴보았다.

대상 데이터

본 프로그램을 사용하여 미국 T사의 1200 RT급 증발기 성능을 예측하여 보았다. Table 1에 T사 증발기의 제원이 나타나 있다.
본 연구에서는 대형 냉동기용 만액식 증발기를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램을 활용하여 대체 냉매인 R-123, R-134a를 사용하는 증발기를 해석하였는데 주요 결과는 다음과 같다.

이론/모형

일반적으로 증발관의 내측에는 리브조도가 형성되어 있는데 그간 리브조도의 형상 전열관의 열전달 계수를 예측할 수 있는 상관식이 다수 발표되었다.[1,7,8] 냉매 측 비등 열전달계수 \(h_o\)는 Chen [9]의강제대류 비등 모델을 사용하여 구하였다. 이 모델은 다음 절에서 상세히 다루어진다.
가공율로는 Schrage et al. [17]의 상관식을 사용하였다.
0을 사용하였고 증진 인자 F, 이상마찰인자 \(Ø^2_f\)는 Bennet and Chen [15], Ishihara et al. [18]의 상관식을 사용하여 구하였다. 그들의 상관식은 다음과 같다.
관 내측 강제 대류 열전달계수 \(h_i\)는 Webb et al. [8]의 상관식에서 구하였고 증발기의 비등 열전달계수는 앞 절의 Chen 모델을 사용하여 구하였다. 이 때 핵 비등 열전달계수 \(h_{nb}\)는 Webb and Pais [12]의 Turbo-B 실험 자료를 커브 피팅하여 구하였고 관군 강제대류 열전달계수 \(h_{fc}\)는 ESDU[131] 상관식으로부터 구하였다.
[8]의 상관식에서 구하였고 증발기의 비등 열전달계수는 앞 절의 Chen 모델을 사용하여 구하였다. 이 때 핵 비등 열전달계수 \(h_{nb}\)는 Webb and Pais [12]의 Turbo-B 실험 자료를 커브 피팅하여 구하였고 관군 강제대류 열전달계수 \(h_{fc}\)는 ESDU[131] 상관식으로부터 구하였다. 비등억제인자 S 값으로는 1.

성능/효과

(2) R-123을 사용하는 1200 RT 냉동기의 경우 가로 19/20열, 세로 10열의 형태에서 가장 큰 냉동능력을 얻을 수 있다. 이는 이 형상에서 관군의 대류에 의한 전열 성능 향상과 포화온도 상승에 따른 전열성능감소가 최적 균형을 이루었기 때문이다.
(3) R-11을 사용하면 R-123보다 약 10% 가량 냉동능력이 증가한다. 이는 R-11의 풀비등 성능이 R-123의 풀비등 성능보다 50~100% 높기 때문이다.
좌우형에서는 냉각수가 좌측(또는 우측)으로 유입하여 우측(또는 좌측)으로 유출되는 형태이고 상하형은 하부에서 유입하여 상부로 유출되는 형태이다. 본 프로그램은 좌우형을 대상으로 개발되었으나 상하형으로도 손쉽게 변경이 가능하다.
시뮬레이션 결과 관군 하부온도 T_bot은 관군의 깊이가 깊어질수록 올라감을 보인다. Table 3은 가로 19/20열, 세로 10열의 형태에서 가장 큰 냉동능력을 얻을 수 있음을 보여준다.

후속연구

(1) 개발된 프로그램은 범용 프로그램으로 관 내측 강제대류 열전달계수와 관 외측 풀비등 열전달계수만이 입력 자료로 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형 압축식 냉동기의 전열관에는 무엇이 사용되는가?	냉매와 순환수의 열교환은 전열관을 통하여 이루어진다. 전열관으로는 그간 평활관이 주로 사용되어 왔으나 최근 들어 비등 성능이 우수한 성형가공관을 많이 사용하고 있다. 성형가공관은 추가 가공공정으로 평활관에 비하여 다소 비싸나 전열성능을 크게 증가시키므로 증발기를 작게 만들 수 있고 또한 작아진 증발과열도로 인하여 압축기가 작아도 되는 등 전체 싸이클의 효율을 높일 수가 있으므로 평활관에 비하여 충분히 경제성이 있다.
	전열관으로 성형가공관을 사용할 경우 어떤 장점이 있는가?	전열관으로는 그간 평활관이 주로 사용되어 왔으나 최근 들어 비등 성능이 우수한 성형가공관을 많이 사용하고 있다. 성형가공관은 추가 가공공정으로 평활관에 비하여 다소 비싸나 전열성능을 크게 증가시키므로 증발기를 작게 만들 수 있고 또한 작아진 증발과열도로 인하여 압축기가 작아도 되는 등 전체 싸이클의 효율을 높일 수가 있으므로 평활관에 비하여 충분히 경제성이 있다. Fig.
	대형 압축식 냉동기의 증발기는 어떤 역할을 하는가?	대형 압축식 냉동기의 증발기는 만액식 쉘-튜브형 열 교환기로 관 외측에서 냉매가 비등하며 관내를 흐르는 순환수를 냉각한다. Fig.

참고문헌 (19)

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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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