[논문]다중관형 CO2 급탕열교환기의 열적성능에 대한 해석연구

장근선; 최연성; 김영재

doi:10.5762/kais.2016.17.8.23

다중관형 CO2 급탕열교환기의 열적성능에 대한 해석연구
An analytical study on the thermal performance of multi-tube CO2 water heater 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.8, 2016년, pp.23 - 30

장근선 (선문대학교 기계공학과) , 최연성 (선문대학교 기계공학과대학원) , 김영재 (선문대학교 환경생명화학공학과)

초록
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본 연구에서는 길이 4.5 m와 7.5 m의 다중관 $CO_2$ 급탕 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성을 ${\epsilon}-NTU$ 방법을 사용하여 해석하고 결과를 기존의 실험 데이터와 비교하였다. 급탕 열교환기는 쉘측에 물이 흐르고 8개로 구성된 내부 튜브에 $CO_2$를 흐르게 하였으며 열전달 효율을 최대화하기 위하여 대향류로 설계하였다. 각 노드에 대한 물과 $CO_2$ 냉매의 유동에 대한 에너지 평형 방정식은 단면분할법을 이용하여 해석하였다. 열전달율 계산값은 실험값과 ${\pm}5%$ 범위 내에서 잘 일치하였다. 반면에 물의 출구온도는 물 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하며 계산값과 실험값은 ${\pm}3%$ 내에서 일치하였다. 결과에서 열전달율은 4.5 m와 7.5 m 급탕 열교환기 모두 물 유량 또는 $CO_2$ 입구온도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며, 반면에 물 유량이 증가함에 따라 물의 출구온도는 선형적으로 감소하였다. $CO_2$ 압력강하 계산값과 실험값은 $CO_2$가 고유량일 때 5 % 내에서 잘 일치한 반면에 $CO_2$가 저유량일 때 실험값이 약 20 % 높게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the heat transfer and pressure drop characteristics were evaluated for multi-tube $CO_2$ water heaters with lengths of 4.5 m and 7.5 m. The evaluation was done using the -NTU method, and the results were compared with experimental data. Water flows through the shell side of the water heater, while $CO_2$ flows through 8 inner tubes. The heater uses a counter-current design to maximize the heat transfer efficiency. The energy balance equation describing the flows of $CO_2$ and water for each node is set up using the section-by-section method. The calculated heat transfer rates agree well with the experimental data within ${\pm}5%$ error. The outlet water temperature decreased linearly with the increase of the water flow rate. The calculated heat transfer rates agreed well with the experimental data within ${\pm}3%$ error. The results show that the heat transfer rate increases almost linearly with the increase of water flow rate or $CO_2$ inlet temperature in both the 4.5-m and 7.5-m water heaters, whereas the water outlet temperature linearly decreases with the increase of the water flow rate. The comparison of the $CO_2$ pressure drop between the calculation and experiment results shows good agreement at the high $CO_2$ flow rate within 5 % error, but the value is about 20 % higher in the experimental pressure drop at the low $CO_2$ flow rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CO₂ 급탕 열교환기의 열전달 및 압력 강하 특성을 분석하기 위해 ∊-NTU 방법을 사용한 해석프로그램을 개발하였으며 해석결과는 기존의 실험값과 비교 하였다. 열교환기 모델링은 임의의 미소체적에 대하여 물과 냉매사이의 질량평형과 에너지평형을 수립하고 물과 냉매의 입구조건으로부터 미소체적의 냉매 및 물의 출구상태를 예측하는 단면분할법을 사용하였다.
본 연구에서는 열교환 성능을 극대화할 수 있는 다중관(multi-tube)형 대향류 급탕 열교환기를 선정하고 성능 해석프로그램을 개발하여 CO₂ 사이클 조건에서 급탕 열교환기의 열성능을 평가하였다. 이 다중관식 열교환기는 다수의 작은 관경의 튜브가 평행으로 큰 관경의 튜브 안에 설치되고 냉매와 물이 열교환하며 내관에는 고압상태의 CO₂ 냉매가 흐르고 환상공간으로는 2차유체인 물이 흐른다.

제안 방법

” 의 실험결과와 비교하였다. 물의 유량, CO₂ 입구온도 및 열교환기 길이 변화가 열전달량과 물의 출구온도에 미치는 영향을 고찰하였으며, CO₂ 유량변화에 대한 CO₂ 압력강하를 계산하여 실험결과와 비교하였다. 이 연구를 통하여 CO₂ 히트펌프 시스템의 운전조건에 따른 급탕 열교환기의 열적 거동에 대한 이해를 증진시키고 급탕열교환기 최적 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 CO₂ 시스템에 적용되는 다중관형 급탕 열교환기에 대한 성능해석을 수행하고 차세대신기술 개발사업의 2단계 보고서 “CO₂를 이용한 냉난방 및 급탕 시스템용 열교환기 개발⁽¹⁰⁾” 의 실험결과와 비교하였다. 물의 유량, CO₂ 입구온도 및 열교환기 길이 변화가 열전달량과 물의 출구온도에 미치는 영향을 고찰하였으며, CO₂ 유량변화에 대한 CO₂ 압력강하를 계산하여 실험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 CO₂ 히트펌프 시스템의 급탕 열교환기로 다중관 열교환기를 선정하고 ε-NTU 방법을 사용한 수치해석 알고리즘을 개발해 이 급탕 열교환기의 열전달과 압력강하 특성을 해석하였으며, 해석결과는 참고 문헌⁽¹⁰⁾에서 도출된 실험데이터 값과 비교분석 하였다. 본 연구에서 고찰한 급탕 열교환기의 실험조건을 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

열교환기 모델링은 임의의 미소체적에 대하여 물과 냉매사이의 질량평형과 에너지평형을 수립하고 물과 냉매의 입구조건으로부터 미소체적의 냉매 및 물의 출구상태를 예측하는 Fig. 2와 같은 단면분할법 (section-by-section method)을 사용하였다. 계산된 각 흐름의 출구상태를 다음 미소체적의 입구조건으로 사용하면 순차적으로 열교환기의 길이 방향으로 전체 열교환기에 대한 성능 모사를 완성할 수 있다.
CO₂ 측 열전달계수는 초임계 영역에서 비교적 정확한 식(10)의 Gnielinski 상관식⁽¹²⁾을 사용하였으며 물측 열전달계수는 식(11)의 Dittus-Boelter 상관식⁽¹³⁾을 사용하 였다.
본 연구에서는 ε-NTU 방법을 사용하여 열교환기의 성능을 해석하였다. Fig.
식(12)의 마찰계수 f는 배관 내에서의 난류유동에 대해 다음의 Petrov-Popov 방정식⁽¹⁴⁾을 사용하여 계산하였다.
급탕 열교환기의 열전달 및 압력 강하 특성을 분석하기 위해 ∊-NTU 방법을 사용한 해석프로그램을 개발하였으며 해석결과는 기존의 실험값과 비교 하였다. 열교환기 모델링은 임의의 미소체적에 대하여 물과 냉매사이의 질량평형과 에너지평형을 수립하고 물과 냉매의 입구조건으로부터 미소체적의 냉매 및 물의 출구상태를 예측하는 단면분할법을 사용하였다. 본연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
열교환기 모사를 통해 얻을 수 있는 출력변수로는 열교환기의 열교환량, 열교환기 출구에서의 냉매 및 물의 압력과 온도가 된다. 열교환기 성능해석을 위해 필요한 CO₂ 물성치는 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 REFPROP version 6.01⁽¹¹⁾을 사용하여 계산하였다.

성능/효과

2. CO₂ 입구온도 변화에 대한 열전달량과 물의 출구 온도는 열교환기 길이 4.5 m와 7.5 m 모두에서 거의 선형적으로 증가하며 증가율도 유사한 값을 보였다.
3. CO₂ 냉매 압력강하는 실험값이 계산값에 비해 상대적으로 높게 나타났으며 저유량에서 계산값과 실험값은 최대 20 %, 고유량에서 약 5 % 오차가 발생하였다.
Fig. 5에서 보듯이 성능프로그램에서 도출된 열전달량과 참고문헌에서 계산된 실험값은 열전달량이 10 kW ～ 20 kW 범위에서 ±5 % 이내에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.
38 MPa)에 대한 임계온도(31℃)가 낮아 초임계영역에서 가스쿨러를 통해 상변화 없이 열을 배출한다. CO₂ 냉매가 초임계상태일 경우 미세한 냉매온도나 압력변화는 열역학적 상태량의 급격한 변화를 유발할 수 있으며, 특히 임계압력 근처에서 CO₂의 열역학적 상태량이 특히 크게 나타난다. 이러한 급격한 상태량의 변화는 열전달이나 유동의 심각한 변화를 초래한다.
1. 급탕 열교환기의 열전달량은 물 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였고 계산값과 실험 값은 ±5 % 내에서 일치하였다. 반면에 물의 출구 온도는 물 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하며 계산값과 실험값은 ±3 % 내에서 일치하였다.
6은 열교환기의 CO₂ 입구온도를 100 ℃, CO₂ 냉매 유량을 70 g/s, 물 입구온도를 17 ℃로 하였을 때 물유량의 변화에 대한 열전달량과 물 출구온도의 변화를 나타낸 것이다. 열전달량은 열교환기 길이 4.5 m와 7.5 m에서 모두 물 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하며 계산값과 실험값은 모든 구간에서 평균 ±5 % 내에서 일치하였다. 반면에 물 출구온도는 열교환기 길이 4.
74 × 10₆로서 Petrov-Popov 방정식 (식(13)) 적용범위 이내에 들었다. 전반적으로 실험값이 계산값에 비해 CO₂ 압력강하가 5 ∼ 20 % 정도 크게 나타났으며 고유량보다 저유량에서 오차가 더 크게 나타났다. 실험값이 계산값보다 압력강하가 높게 나타난 것은 계산에서 관 내부 표면의 거칠기에 의한 마찰손실과 곡관에서의 압력손실을 고려하지 않았기 때문으로 보인다.

후속연구

물의 유량, CO₂ 입구온도 및 열교환기 길이 변화가 열전달량과 물의 출구온도에 미치는 영향을 고찰하였으며, CO₂ 유량변화에 대한 CO₂ 압력강하를 계산하여 실험결과와 비교하였다. 이 연구를 통하여 CO₂ 히트펌프 시스템의 운전조건에 따른 급탕 열교환기의 열적 거동에 대한 이해를 증진시키고 급탕열교환기 최적 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소가 CFC계열 대체냉매로 주목 받고 있는 이유는?	CFC계열 냉매로 인한 지구온난화와 오존층 파괴에 대한 문제가 대두되면서 환경 친화적인 대체냉매에 관한 연구가 활발해지고 있다. CFC계열 대체냉매들 중에서 자연냉매인 이산화탄소(CO2)는 환경 친화적이며 독성이 없고 상대적으로 우수한 열역학적 성질을 지니고 있어 가장 관심을 끄는 대체냉매로 주목 받고 있으며 CO2 를냉매로 사용하는 히트펌프 시스템에 대한 연구는 지금까지 여러 연구자들에 의해 수행되어 왔다. CO2 냉매를 급탕용이나 자동차용 에어컨에 사용할 때 HCFC와 같은 기존 냉매에 비해 우수한 성능을 보여주는 것으로 보고 되고 있다.
	CO2 냉매가 초임계상태나 임계압력 근처에서 열역학적 상태량이 크게 변화하는데 이에 의한 문제점은?	CO2 냉매가 초임계상태일 경우 미세한 냉매온도나 압력변화는 열역학적 상태량의 급격한 변화를 유발할 수 있으며, 특히 임계압력 근처에서 CO2의 열역학적 상태량이 특히 크게 나타난다. 이러한 급격한 상태량의 변화는 열전달이나 유동의 심각한 변화를 초래한다.
	CO2 냉매는 어떻게 열을 배출하는가?	현재 일반적으로 사용되고 있는 HFC계열의 사이클은 냉매의 임계압력 이하에서 증발과 응축이 이루어지지만 CO2 냉매는 임계압력(7.38 MPa)에 대한 임계온도(31℃)가 낮아 초임계영역에서 가스쿨러를 통해 상변화 없이 열을 배출한다. CO2 냉매가 초임계상태일 경우 미세한 냉매온도나 압력변화는 열역학적 상태량의 급격한 변화를 유발할 수 있으며, 특히 임계압력 근처에서 CO2의 열역학적 상태량이 특히 크게 나타난다.

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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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