[논문]MF증발기 기초 형상 설계에 관한 연구

박용석; 성홍석; 서정세

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.6.039

Abstract ▼ AI-Helper

The evaporator is a key driver of an air conditioning system's efficiency. In this study, we study methods of maximizing the efficiency of a Massey Ferguson (MF) evaporator by measuring how the cooling performance of different shapes vary with temperature. We varied the tube insertion depth as well ...

The evaporator is a key driver of an air conditioning system's efficiency. In this study, we study methods of maximizing the efficiency of a Massey Ferguson (MF) evaporator by measuring how the cooling performance of different shapes vary with temperature. We varied the tube insertion depth as well as the shape of the evaporator's header and tube. When we compare header shapes of "D", "Ellipse", and "Quadrangle" types, we find that the elliptical header creates the smallest pressure loss and the highest temperature difference. Between tube shapes of "Rectangular", "Projection", and "Circular" types, the "Projection" type tube creates the most temperature difference. We also investigated the depth of tube insertion in the header and find that tube insertion of 5 - 10 mm is feasible; we selected the depths of 5, 7, and 10 mm since they corresponded to approximately 30%, 50%, and 70% of the total width of the header. The tube insertion test demonstrated that a tube insertion depth of 7 mm creates the least pressure loss and the highest temperature difference. In conclusion, the optimal evaporator design uses an "Ellipse" type header, "Projection" type tube, and a tube insertion depth between 30 and 50% of the header width.

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문제 정의

본 연구에서는 마이크로채널 튜브 열교환기의 부품 중 튜브와 헤더의 구조에 따른 열교환기 성능 변화를 수치해석을 통해 분석하여 기본 구조설계의 방향성을 제시하고자 한다.
MF열교환기 경계조건에서 입구 조건은 물이 유입되는 단면에 유동 방향이 일정한 균일 유동 조건을 사용하며, 벽면에서의 경계조건은 모두 Non-slip(점착) 조건을 적용하여 벽면에서의 난류 운동에너지의 확산은 Zero가 되며, 난류에너지의 생성율과 소산율에 지배를 받게 된다. 출구 조건의 경우 대기로 배출되는 대기압 조건을 부여하여 압력 부하를 받는 곳의 압력(게이지 압력)을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 MF증발기의 성능 향상을 위하여 CFD를 이용한 수치해석기법을 사용하여 압력강하와 온도변화를 측정하여 각 경우에 대해 비교해보았다. MF증발기의 형상은 아래 Fig.

가설 설정

01의 Code를 적용하여 해석을 수행하였다. MF증발기의 헤더, 튜브를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하고, 헤더로유입되는 유체는 완전발달된 유체로 가정하여 해석을 진행하였다.

제안 방법

근래에 보다 높은 효율이 요구됨에 . 따라 해당 모델들의 소형화, 슬림화 및 집적화에는 구조적으로 한계에 다다르고 있으며, 이에 대한 방안으로 Tuckerman와 Pease가 반도체 분야에서 적용되는 미세전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 이용하여 튜브 내 1 mm이하의 미세한 채널들로 구성된 마이크로 채널 타입의 열교환기를 처음으로 제안하였다^[2] .
플럭스를 사용하는 방법에는 부식성 플럭스(염화물계 플럭스) 사용법과 비부식성 플럭스(불화물계 플럭스) 사용법으로 다시 세분화 할 수 있다. 본 연구에서는 대량생산에 적용하고 있는 방법은 로를 이용한 염화물계 플럭스법, 비부식성 플럭스법을 사용한 시료와 해석결과를 이용하여 비교할 계획이다.
본 연구에서는 MF증발기의 성능 향상을 위하여 CFD를 이용한 수치해석기법을 사용하여 압력강하와 온도변화를 측정하여 각 경우에 대해 비교해보았다. MF증발기의 형상은 아래 Fig. 2와 같은 형상으로 모델링하였으며, MF증발기의 최적 설계를 위하여 헤더와 튜브의 형상과 Tube의 삽입 길이 및 위치, 리턴 홀수량 및 크기를 변수로 설정하였다.
MF증발기 부품 중 헤드파이프 형상 구조에 대하여 분석하였다. 헤드파이프는 MF증발기 형태를 결정하는 인자로 MF증발기의 핵심 부품이다.
MF 증발기의 입, 출구와 리턴 헤드파이프를 이어 실질적인 열교환이 이뤄지는 튜브의 내측 유로 형상에 대하여 분석하였다.
연구 모델은 총 3가지 형상으로 일반적으로 압출되어 사용되는 사각형상과 이를 변형한 돌기형상과 구형형상으로 분석하였으며 Table 4에 나타낸 형상과 같으며, 형상에 대한 해석 결과는 Table 5와 같으며 Table 6에 이를 정리하였다.
MF 증발기의 입, 출구와 리턴 헤드파이프를 이어 실질적인 열교환이 이뤄지는 튜브의 삽입 깊이에 대하여 분석하였다. 삽입 깊이는 헤드파이프 내면을 기준으로 5, 7, 10 mm 총 3가지로 Table 4에 나타낸 것과 같으며, 이에 대한 해석 결과는 Table 5와 같으며 Table 6에 이를 정리하였다.

대상 데이터

연구 모델은 총 3가지 형상으로 기존에 사용되는 “D” Type과 타원형상, 직각형상에 대해 분석하였으며 Table 1에 나타낸 형상과 같다.

이론/모형

본 연구는 유체의 유동에 대한 해석으로 Autodesk CFD 10.01의 Code를 적용하여 해석을 수행하였다. MF증발기의 헤더, 튜브를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하고, 헤더로유입되는 유체는 완전발달된 유체로 가정하여 해석을 진행하였다.
또한 대류항은 상류도식법을 사용하였으며, 압축성을 고려하였기에 점성항은 중심차분법을 사용하였다. 열전달에 대하여 에너지 방정식을 사용하여 열교환기 내부에서의 속도분포 및 압력을 계산하기 위해 사용된 지배 방정식은 연속방정식(Continuity equation)과 정상상태 3차원 비압축성 유동장 (3-Dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS-3D)과 에너지의 지배방정식은 식(1), (2)와 같 이 표현된다^[6].

성능/효과

연구 모델은 총 3가지 형상으로 기존에 사용되는 “D” Type과 타원형상, 직각형상에 대해 분석하였으며 Table 1에 나타낸 형상과 같다. 헤드파이프를 포함한 유체가 흐르는 부피는 90.38 cm³이며, 경계조건을 동일하게 설정하였을 때 Table 2와 같은 해석 결과를 얻었으며, 이를 바탕으로 Table 3와 같이 해석 결과를 정리하였으며, Table 2의 해석 결과를 유체 Vector에 대한 분석시 유체 흐름은 유사하며 단순 벽면 형상 마찰에 의한 압력 손실이 발생하는 것으로 확인하였으며, 타원형상의 헤드파이프에서 낮은 압력손실과 높은 열교환 효을을 나타내는 것을 확인하였다.
사각형상보다 냉매와 접촉면적이 넓어지는 돌기형상과 구형형상이 열효율이 가장 높은 것으로 나타났으며, 이중 돌기 형상이 가장 효율이 높은 것을 확인하였다.
2. 튜브형상은 외부와 접촉면적이 넓을수록 열효율이 좋으며 본 연구에서는 돌기형상이 가장 높은 열효율을 나타낸다.
3. 최적 튜브 삽입 깊이는 형상에 따라 다를 것으로 보이며, 본 연구에서는 유체의 흐름에 영향이 최소화되는 7mm가 가장 적합한 것을 확인하였다.
헤드 벽면과 거리가 가장 멀어 와류가 발생하지 않아 유체의 흐름이 원활하여 열효율이 가장 높을 것으로 예상되었던 튜브 삽입 깊이 5 mm 의 해석 결과는 튜브 삽입 깊이 7mm 보다 열효율이 낮게 나타났으며 압력강하 또한 높게 나타난 것으로 보아 리턴 헤드파이프의 리턴 홀과 거리가 가장 가까워 정상상태의 유체가 일정한 방향으로 형성되어 열효율이 높은 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공조 냉동시스템의 주요 구성은?	공조 냉동시스템의 주요 부품은 압축기, 증발기, 응축기 등으로 구성되어 있다. 연구개발 초기에는 소비전력의 80% 이상을 차지하는 압축기의 개량을 통해 시스템 효율을 향상시켜왔으나, 이후 압축기 개량에 따른 효율증대가 한계에 이르면서 증발기, 응축기 부품에 대한 연구개발이 확대되고 있다[1] .
	열 교환기를 소형화된 구조를 만들기 위해 어떤 공정을 이용하는가?	근래에 보다 높은 효율이 요구됨에 . 따라 해당 모델들의 소형화, 슬림화 및 집적화에는 구조적으로 한계에 다다르고 있으며, 이에 대한 방안으로 Tuckerman와 Pease가 반도체 분야에서 적용되는 미세전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 이용하여 튜브 내 1 mm이하의 미세한 채널들로 구성된 마이크로 채널 타입의 열교환기를 처음으로 제안하였다[2] .
	마이크로채널 튜브 열교환기 구조적인 특징상 얻는 장점은?	마이크로채널 튜브 열교환기는 설계 구조적으로 단위체적 당 높은 전열면적을 가질 수 있기 때문에 고성능화, 소형화 및 집적화에 적합하고, 차세대 열교환기 타입으로서 프로그램을 이용한 수치적 해석과 실제 실험적 연구를 통해 성능의 우수성이 입증되고 있다[3] .

참고문헌 (6)

Wang, S. M., “A Trend of Noise and Vibration Research in Compressor”, Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 509-513, 2004.
Jeon, S. H., Kim, Y. H., Lee, K. J., “Numerical Study of Heat Transfer Enhancement on Microchannel Plate Heat Exchanger with Channel Shape”, Proceedings of the KSME Spring Conference, pp. 1000-1005, 2007.
Yan, S. N,, Park, Y. M., Jeong, Y. M., Lee, J. K., Park, Y. M., “An Experimental Study on the Performance of Aluminum Microchannel Tube Condensers According to the Number of Passes”, Proceedings of the The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers Of Korea, pp. 1214-1219, 2010.
10.1016/j.ijrefrig.2007.10.007 Park, C. Y., Pega H., “Experimental and numerical study on microchannel and round-tube condensers in a R410A residential air-conditioning system”, International Journal of refrigeration, Vol. 31, pp. 822-831, 2008.

상세보기
Kim, J. H., Groll, E. A., “Performance Comparisons Of A Unitary Split System Using Microchannel and Fin-TubeOutdoor Coils, Part I: Cooling Tests”, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, pp. 557, 2002.
10.3795/KSME-B.2016.40.11.745 Seong, H. S., Lee, C. H, Suh, J. S, “A Numerical Study on Mass Transfer and Methanol Conversion Efficiency According to Porosity and Temperature Change of Curved Channel Methanol-Steam Reformer”, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 40, No. 11, pp. 745-753, 2016.

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