[논문]해수냉각시스템용 Aluminium Brass Tube의 R-134a 증발열전달 특성

강인호; 설성훈; 윤정인; 손창효

doi:10.5916/jkosme.2017.41.3.197

해수냉각시스템용 Aluminium Brass Tube의 R-134a 증발열전달 특성
Evaporating heat transfer characteristics of Aluminum-brass tube for seawater cooling system using R-134a 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.41 no.3, 2017년, pp.197 - 201

강인호 (Graduate School, Pukyong National University) , 설성훈 (Graduate School, Pukyong National University) , 윤정인 (Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Pukyong National University) , 손창효 (Pukyong National University)

초록
AI-Helper

대부분의 어선에서는 포획된 어류를 관리하고 저장하기 위해 얼음 냉각 시스템을 사용한다. 그러나 얼음 냉각 시스템은 작동 시간의 제한뿐만 아니라 적절한 온도와 염분 농도를 유지하는 것이 어려운 단점이 있다. 본 연구의 목적은 어류 운반선의 어창에 적정한 해수온도 유지를 위한 해수 냉각 시스템용 만액식 증발 열전달 특성을 파악하는데 있다. 실험은 냉매의 해수 온도, 유량 및 포화 온도의 변화를 주며 열전달 특성을 파악하였다. 동일 열유속에서 Aluminium-Brass tube가 Copper-Nickel tube 보다 외측 열전달계수가 약 10% 큰 것으로 확인할 수 있었으며, 이를 통해 해수용 열교환기의 전열관으로 Aluminium-Brass를 적용하는 것이 열전달 측면에서 효과적일 것을 확인할 수 있었다. 만액식 단관 열전달계수와 18 kW급 만액식 해수냉각시스템의 총괄열전달계수의 비교를 통해 동일 조건에서는 25%정도 단관의 열전달계수가 큰 값을 나타내었으며, 이러한 결과는 만액식 관군 열교환기의 설계를 위한 중요한 자료가 되리라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most fishing vessels use an ice cooling system to manage and store captured fish. However, it is difficult to maintain an adequate temperature and salt concentration as well as operating time limitations in ice cooling systems. The purpose of this study is to investigate the heat transfer characteristics of flooded-type evaporators for a seawater cooling system to maintain proper seawater temperature in a fish tank. Experiments were conducted to investigate the heat transfer characteristics by changing the seawater temperature, flow rate, and saturation temperature of the refrigerant. It was confirmed that the heat transfer coefficient of an aluminum-brass tube was approximately 10% higher than that of a copper-nickel tube at the same heat flux. Furthermore, it was confirmed that applying the aluminum-brass tube to the heat transfer tube of a seawater heat exchanger was effective in terms of heat transfer. A comparison of the overall heat transfer coefficient of a single-tube heat exchanger and the flooded-type multi-tube heat exchanger for an 18-kW cooling system showed that the heat transfer coefficient of the single-tube heat exchanger was 25% higher under the same conditions. These results are considered to be important data for designing a flooded-type multi-tube heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

[7]은 소형 해수냉각시스템의 실험적 연구를 통해 어창의 냉수 투입구 위치에 따른 어창 내 해수 온도 분포에 대한 연구를 수행하였다. Cha [8]는 쉘-튜브 만액식 증발기의 비등 성능이 우수한 가공관을 적용하기 위해 서로 다른 4가지의 전열관에서 비등열전달 계수를 Wilson Plot을 이용하여 측정하였고, 가장 효율적인 전열관 및 설계 자료를 얻고자 실험적 연구를 진행 하였다. 또 Jung et al.
이상의 종래연구에서 확인 하였듯이, 해수에 이용할 수 있는 만액식 증발기를 적용한 해수냉각시스템에 대한 연구는 대단히 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 선망어업 운반선에 적용되는 해수냉각시스템의 만액식 증발기 열전달 특성과 함께 설계의 기초자료를 제공 하는 것을 목적으로 하고 있다.
해수냉각시스템용 만액식 증발기의 열전달 특성에 관한 실험적 연구를 통하여 Aluminium-Brass 관의 증발열전달특성을 파악하였다. 냉수 유속을 0.

제안 방법

기준 냉수 입구온도는 10℃이며, 5℃~15℃의 온도범위에 대한 분석을 실시하였으며, 이에 따라 증발온도는 0℃에서 -5℃~5℃로 변화시켜 분석을 실시하였다. 기준 냉수 입구 유속은 1.2m/s이며, 유속 구간 0.6~2.1m/s에 대한 열전달 특성 분석을 실시하였다.
냉매는 R-134a를 사용하였으며, 실험 조건은 냉수 입구 유속, 증발온도, 입구온도 변화 실험에서 열전달 특성을 분석하였다. 기준 냉수 입구온도는 10℃이며, 5℃~15℃의 온도범위에 대한 분석을 실시하였으며, 이에 따라 증발온도는 0℃에서 -5℃~5℃로 변화시켜 분석을 실시하였다. 기준 냉수 입구 유속은 1.
만액식 증발기의 열전달 특성 실험의 조건은 다음과 같다. 냉매는 R-134a를 사용하였으며, 실험 조건은 냉수 입구 유속, 증발온도, 입구온도 변화 실험에서 열전달 특성을 분석하였다. 기준 냉수 입구온도는 10℃이며, 5℃~15℃의 온도범위에 대한 분석을 실시하였으며, 이에 따라 증발온도는 0℃에서 -5℃~5℃로 변화시켜 분석을 실시하였다.
냉수 유속을 0.6~2.1 m/s로 범위에서의 실험과 입구온도 5~15℃ 범위에서의 실험, 증발온도 –5~5℃에서의 실험에서 총괄열전달계수와 외측열전달계수를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이때 냉매의 상태를 확인하기 위해 사이트글라스를 사용하였다. 또한 만액식 증발기내의 냉매액 수위를 일정하게 유지하기 위해 유량 조절을 위한 바이패스 밸브와 기어펌프에 인버터를 적용하였다.
만액식 증발기 튜브 내측으로 열원이 일정하게 공급하기 위해서 5 kW 히터를 물탱크에 설치하여 입구온도를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 유량 조절을 위해 물 펌프 후단부에 바이패스 밸브를 설치하였다.
만액식 증발기는 쉘 외측 사이트 글라스를 통해 냉매 액을 70%이상 차있도록 하여 실험을 진행하였으며, 튜브 측 냉수의 유량과 온도 조절을 통해 다양한 실험을 실시하였다. 또한 충분한 단열을 통해 열손실을 최소화하였다.
Copper Plain Tube의 열유속 변화에 따른 실험을 통해 실험과 상관식을 비교하였으며, 사용된 상관식은 Copper Plain Tube에서 비등열전달계수의 예측이 우수한 Cooper 상관식[11]을 사용하였다. 본 실험은 물측 입구온도를 10℃로 유지하고, 증발온도를 0℃로 고정 한 후 냉수측 유량의 증가시켜 전열관의 열유속의 증가에 따라 외측 열전달계수를 확인하였다. 분석결과 Figure 2에 나타난 것과 같이 적용된 열유속 구간 조건에서 실험을 통해 획득한 데이터가 10% 내외의 오차범위를 보이며 Copper 상관식이 실험결과를 적절히 예측하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 실험데이터의 신뢰성을 보여주는 것으로 판단된다.
냉매 순환부는 진공 후 냉매를 주입한 밀폐 사이클이기 때문에 전체 시스템에 압력은 외부의 온도가 결정하게 된다. 시스템의 전체 온도와 압력을 제어하고 증발된 냉매를 응축시키기 위해 응축기에 저온 항온조의 브라인을 순환시켜 제어하였으며, 브라인 또한 바이패스 밸브를 통해 유량조절을 할 수 있다. 저온 항온조는 –50℃의 온도범위를 제어가 가능하다.
실험에서 획득한 테이터를 통해 증발열량, 대수평균온도차, 내측열전달 계수, 총괄열전달계수, 등을 확인할 수 있었으며, 아래와 같은 식을 통해 해석하였다. 식 (1)은 만액식 증발기에서의 증발열량을 구하는 식이다.
증발온도에 변화에 따른 열전달계수를 Figure 4에 나타내었다. 실험은 냉수 입구온도를 10℃, 냉수 유속을 1.2 m/s로 하여 실험을 실시하였다. 그 결과 증발온도가 감소함에 따라 총괄 열전달계수(U) 및 외측 열전달계수(ho)가 증가하는 경향을 그래프에서 확인 할 수 있다.
또한 유량 조절을 위해 물 펌프 후단부에 바이패스 밸브를 설치하였다. 조절된 유량은 유량계를 통해 확인하였다.

대상 데이터

시험부인 증발기는 쉘 앤 튜브 형으로 튜브 내에 냉수가 흐르고 쉘 내 냉매가 비등한다. 실험 장치는 냉매 순환부와 물 순환부, 브라인 순환부로 구성된다.

데이터처리

본 실험장치를 통해 획득한 데이터의 검증을 위해 상관식과 비교를 실시하였다. Copper Plain Tube의 열유속 변화에 따른 실험을 통해 실험과 상관식을 비교하였으며, 사용된 상관식은 Copper Plain Tube에서 비등열전달계수의 예측이 우수한 Cooper 상관식[11]을 사용하였다.

이론/모형

본 실험장치를 통해 획득한 데이터의 검증을 위해 상관식과 비교를 실시하였다. Copper Plain Tube의 열유속 변화에 따른 실험을 통해 실험과 상관식을 비교하였으며, 사용된 상관식은 Copper Plain Tube에서 비등열전달계수의 예측이 우수한 Cooper 상관식[11]을 사용하였다. 본 실험은 물측 입구온도를 10℃로 유지하고, 증발온도를 0℃로 고정 한 후 냉수측 유량의 증가시켜 전열관의 열유속의 증가에 따라 외측 열전달계수를 확인하였다.

성능/효과

(1) 유속변화에 따른 실험에서 냉수의 유속은 1.8 m/s 이상에서 총괄 열전달계수 및 외측 열전달계수의 증가율이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 이는 열역학적으로 비등곡선에서 핵비등 영역에 해당하는 부분으로 냉수의 유속 증가에 따른 열 유속의 증가량이 감소하는 것으로 판단하였다.
(2) 증발온도와 냉수 입구온도의 일정 온도차 실험을 통해 고온레벨 보다 저온레벨에서 약 60% 총괄열전달계수의 감소를 확인 하였으며, 해수냉각시스템의 냉수 입구 온도가 낮을수록 냉매의 증발량이 줄어들어 압축비 증가, 냉동효과 감소 등으로 인한 성능이 낮아지게 되므로 이는 만액식 열교환기 설계를 위한 주요 고려 사항이 되어야 할 것이다.
(3) 만액식 단관 열전달계수와 18 kW급 만액식 해수냉각시스템의 총괄열전달계수의 비교를 통해 동일 조건에서는 25% 정도 단관의 열전달계수가 큰 값을 나타내었다. 이는 단관인 본 실험에 비해 18 kW급 만액식 증발기의 관군(number of tube :180)에 따라 관 사이 냉매의 흐름방해 및 비등 열전달 방해의 결과로 비등 열전달의 저하와 시스템의 냉동유 함유가 그 원인으로 판단된다.
이는 열역학적으로 비등곡선에서 핵비등 영역에 해당하는 부분으로 냉수의 유속 증가에 따른 열 유속의 증가량이 감소하는 것으로 판단하였다. 결론적으로 냉수 측의 유속 설계 시 1.8m/s 이하의 유속 설계가 바람직하다고 판단된다.
2 m/s로 하여 실험을 실시하였다. 그 결과 증발온도가 감소함에 따라 총괄 열전달계수(U) 및 외측 열전달계수(ho)가 증가하는 경향을 그래프에서 확인 할 수 있다. 증발온도 –5℃에서 5℃로 증가함에 따라 U과 외측h 값이 각각 65%, 85% 감소하였다.
1 m/s 이상으로 증가할 경우 총괄열전달계수 및 외측열전달계수의 증가가 미미하거나 일정할 것으로 예상된다. 본 실험과의 결과와 18 kW급 만액식 해수냉각시스템에서의 총괄열전달 계수를 동일 유속에서 비교 시 2배 이상 큰 것을 확인 할 수 있었다. 이는 두 실험장치의 분석 조건이 다른점과 18 kW급 만액식 증발기의 전열관 관군에 의한 냉매의 비등으로 열전달의 감소와 냉동시스템에서의 원활한 작동을 위한 냉동유의 함유에 따른 감소가 원인으로 판단된다.
본 실험은 물측 입구온도를 10℃로 유지하고, 증발온도를 0℃로 고정 한 후 냉수측 유량의 증가시켜 전열관의 열유속의 증가에 따라 외측 열전달계수를 확인하였다. 분석결과 Figure 2에 나타난 것과 같이 적용된 열유속 구간 조건에서 실험을 통해 획득한 데이터가 10% 내외의 오차범위를 보이며 Copper 상관식이 실험결과를 적절히 예측하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 실험데이터의 신뢰성을 보여주는 것으로 판단된다.
Figure 5는 냉수 입구온도의 증가에 따라 총괄 열전달계수와 외측 열전달계수를 나타낸 그래프이다. 증발온도 실험과 같이 대수평균온도차의 증가보다 증발열량의 증가가 지배적인 것을 알 수 있었다. 또한 냉수의 온도가 증가할수록 물의 열전도율의 증가로 인한 대류열전달계수의 증가 또한 추가적인 원인으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	얼음 냉각 시스템의 단점은 무엇인가?	대부분의 어선에서는 포획된 어류를 관리하고 저장하기 위해 얼음 냉각 시스템을 사용한다. 그러나 얼음 냉각 시스템은 작동 시간의 제한뿐만 아니라 적절한 온도와 염분 농도를 유지하는 것이 어려운 단점이 있다. 본 연구의 목적은 어류 운반선의 어창에 적정한 해수온도 유지를 위한 해수 냉각 시스템용 만액식 증발 열전달 특성을 파악하는데 있다.
	만액식 증발기의 열전달 특성 실험의 조건은 무엇인가?	만액식 증발기의 열전달 특성 실험의 조건은 다음과 같다. 냉매는 R-134a를 사용하였으며, 실험 조건은 냉수 입구 유속, 증발온도, 입구온도 변화 실험에서 열전달 특성을 분석하였다. 기준 냉수 입구온도는 10℃이며, 5℃~15℃의 온도범위에 대한 분석을 실시하였으며, 이에 따라 증발온도는 0℃에서 -5℃~5℃로 변화시켜 분석을 실시하였다. 기준 냉수 입구 유속은 1.2m/s이며, 유속 구간 0.6~2.1m/s에 대한 열전달 특성 분석을 실시하였다.
	얼음 냉각 시스템의 사용목적은 무엇인가?	대부분의 어선에서는 포획된 어류를 관리하고 저장하기 위해 얼음 냉각 시스템을 사용한다. 그러나 얼음 냉각 시스템은 작동 시간의 제한뿐만 아니라 적절한 온도와 염분 농도를 유지하는 것이 어려운 단점이 있다.

참고문헌 (11)

I. G. Han, C. G. Moon, J. D. Kim, and J. I. Yoon, "Heat load characteristics of sea water cooling appratus on inshore fishing boat," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 25, no. 6, pp. 1317-1323, 2001 (in Korean).
J. I. Yoon, K. H. Choe, C. H, Son, I. H. Kang, C. L. Kim, and S. H. Seol, "Performance comparison of flooded seawater cooling system with respect to heat sink temperature," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 20, no. 2, pp. 91-96, 2016 (in Korean).

원문보기 상세보기
C. H. Son, I. H. Kang, J. N. Lee, C. L. Kim, and J. I. Yoon, "Characteristics of refrigeration system for fishing-ships applying flooded evaporator," Proceedings of 2016 International Conference on Engineering, Technology, and Applied Science Spring Meeting, Taipei, Taiwan, 2016.
C. H. Son, J. I. Yoon, S. H. Jung, C. L. Kim, S. H. Seol, and I. H. Kang, "Experimental study on seawater cooling system of effects on heat source temperature," Proceeding of the 40th the Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, p. 83, 2016 (in Korean).
P. A. Perigreen, S. A. Pillal, P. K. Surendran, and T. K. Govindan, "Studies on preservation of fish in refrigerated sea-water," Central Institute od Fisherise Technology, vol. 12, no. 2, pp. 105-111, 1975.
E. Kolbe, "Refrigeration energy prediction for flooded tanks on fishing vessels," American Society of Agricultural Engineers, vol. 6, no. 5, pp. 624-628, 1990.
J. K. Lim, H. M. Jeong, J. D. Kim, and J. I. Yoon, "Fluid and thermal characteristics of fish hold storage for sea water cooling system," Proceedings of 1991 The Korean Society of Mechanical Engineers Meeting, pp. 885-890, 1991 (in Korean).
I. H. Cha, Experimental Correlation of Heat Transfer for Enhanced Surface Tubes uesd in Flooded Evaporating using Wilson Polt Method, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Kyunghee University, Korea, 2005 (in Korean).
D. S. Jung, "Pool boiling heat transfer coefficients of new refrigerants on various enhanced tubes," Korean Journal Of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 13, no. 8, pp. 710-720, 2001 (in Korean).
S. G. Kim, An Experimental Study of Heat Transfer Performance by Oil Concentration in a Flooded Evaporator, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Pusan University, Korea, 2011 (in Korean).
M. G. Cooper, "Heat flow rate in saturated nucleate pool boiling-a wide-ranging examination using reduced properties," Advances in Heat Transfer, vol. 16, pp. 157-239, 1984.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증