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문제 정의
- 본 연구에 사용된 실험 장치는 미세휜관 내부에서의 응축 및 증발 시 냉매의 압력강하를 측정하기 위해 고안되었으며, 증발.웅축시 냉매의 성능을 측정할 수도 있게 만들어졌다.
가설 설정
- 이러한 관의 사용은 관내의 유동이횐의 영향으로 난류화되어 열교환효과를 증진시킨다는 이유이다. 본 연구에서는 미세휜관의 횐이 매끈한관에 거칠기(roughness)로 작용한다는 가정하에 미세 휜 관의 수력직경개념 올 도입한다. 그러므로, 다양한 형태의 관내 형상에 상관없이 본 연구에서 제시한 상관 관계식올 적용시킬 수 있도록 한다.
제안 방법
- 2) 냉매와 윤활유가 혼합 시에는 관내 액상 상태의 평균 질량비개념을 이용하여 혼합물의 물성치를 구해 상관관계식에 적용하여 관내 압력강하를 구하였다.
- 그의 모델을 사용하기 위해서는 각 요소의 분자량 및 몰비를 알아야만 한다. 각 냉매의 분자량 및 물성치는 2장에서 언급한 물성치를 이용하여 구하였다. 그러나, 윤활유의 분자량은 그 구성요소에 따라 매우 복잡하므로 크게 두 가지로 나누어 고려하였다.
- 각 냉매의 분자량 및 물성치는 2장에서 언급한 물성치를 이용하여 구하였다. 그러나, 윤활유의 분자량은 그 구성요소에 따라 매우 복잡하므로 크게 두 가지로 나누어 고려하였다. 첫째, 합성유인 경우(polyester oil)에는 그 성분에 따라 약간의 차이가 있으나, 500 kg/kmol를 대표치로사용하였으며, 둘째로 광유(mineral oil)인 경우는 800 kg/lnnol값올 대표치로 사용하였다.
- 특히 윤활유 같은 혼합물질의 각 몰비를 구하는 것은 하나의 연구 분야로 화학을 전공하는 연구자들에 의해 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러므로, 본 연구에서는 질량비와 평균 건 도를 이용, 다음과 같은 가정 올 도입하여 몰비를 구하였다. Fig.
- 6%로 실험치와 예측치가 편차를 보이고 있다. 단지, 1々 inch인 매끈한관과 미세횐관에서는 R134a에 SUS169 에스터 유가 포함된 흔합물만 실험치를 얻어 비교하였다.
- 웅축시 냉매의 성능을 측정할 수도 있게 만들어졌다. 본 실험 장치는 크게 세 개의 부분으로 이루어져 있는데, 냉매의 양 및 조건을 조절하는 냉매회로 (refrigerant loop)와 냉매와 열교환올 이루며 건 도를 조절해주는 냉각수 회로(wateK loop), 실험의 데이터를 직접 얻는 시험 부로 이루어져 있다. 실험에 사용된 미세횐관은 관내의 휜의 개수가 단위 길이당 60개이며, 길이 방향으로 나선각도(8, helix angle) 18° 를 갖고 핀의 높이 (e) 는 0.
- 본 연구에서는 기존의 냉매인 R22를 포함하여 사용 가능한 순수냉매인 R125, R32, R134a와흔합냉매인 R410a(R32/R125, 50/50 mass %), R407c(R32/R125/R134a, 23/25/52 mass %), R32/R134a(25/75 mass %)를 사용하여 옹축 및 증발 시 미세휜관에서의 압력강하를 실험적으로 고찰하여 새로운 압력강하 관계식을 유도하였다. 이 상관관계식올 윤활유가 포함된 관내유동에 적용하기 위해 최근 발표된 Yokozeki의 흔합법칙 (mixing rule)을 이용, 윤활유가 포함한 압력강하실험 데이터와 비교.
- 여기서, 마찰계수는 관의 특성치인 수력직경의 개념 (DQ을 도입, 현재 공조제품에 가장 많이 사용되는 매끈한관 및 미세 휜 관내 유동에 모두 적용할 수 있는 실험적 마찰계수를 다음과 같이 제시하였다.
- 위의 새로운 상관관계식에 흔합법칙을 이용하여 윤활유와 냉매의 혼합물에 적용하여 그 타당성을 살펴보았다. 우선, 윤활유와 냉매 혼합물을 이용한 압력강하 실험데이터는 최근 IOWA University의 Pate 둥에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 본 연구의 관계식에 적용하여 보았다. 그들은 3/8 inch와 1/2 inch의 두 가지 종류의 매끈한 관과 미세휜관을 사용하여, R12인 경우 나프탈렌 (naphthenic) 종류의 윤활유로 점성도가 150SUS, 300SUS를 이용하였으며, R134a는 에스터 종류로 점성도가 169SUS, 369SUS, 150SUS 세 가지를 사용했다.
- 위의 새로운 상관관계식에 흔합법칙을 이용하여 윤활유와 냉매의 혼합물에 적용하여 그 타당성을 살펴보았다. 우선, 윤활유와 냉매 혼합물을 이용한 압력강하 실험데이터는 최근 IOWA University의 Pate 둥에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 본 연구의 관계식에 적용하여 보았다.
- 유도하였다. 이 상관관계식올 윤활유가 포함된 관내유동에 적용하기 위해 최근 발표된 Yokozeki의 흔합법칙 (mixing rule)을 이용, 윤활유가 포함한 압력강하실험 데이터와 비교. 검토하였다.
- 검토하였다. 이때, 냉매와 윤활유, 혼합물의 점성도는 건 도를 이용한 관내 평 균윤활유 질량비개념을 도입하여 구하였으며 , 윤활유의 물성치는 기존의 다른 실험식을 이용하여 간접적으로 구하였다.
- 이 값들은 CAS (Chemical Abstracts Subject) 에서 제 공하는 값으로 일반적으로 합성유의 경우 분자 구조상 약간의 차이는 있으나, 대부분의 합성유의 분자량은 400 ~600kg/kmol의 값을 가지며, 광유의 경우 이보다 조금 큰 700~ 900kg/kmol를 갖는다. 이와 같이, 각 윤활유의 성분과 점도에 따라 분자량이 결정되지만, 대표치 분자량을 사용하여도 본 연구에는 큰 영향이 없을 것으로 판단하여 이를 사용하였다. 그 이유는 냉매와 윤활유의 혼합물 중 윤활유의 질량비가 상대적으로 매우 적으므로 그 대표 값을 사용하여도 혼합법칙을 사용하는 데는 큰 영향을 주지 않기 때문이다.
- 본 연구에서는 기존의 냉매인 R22를 포함하여 사용 가능 대체 냉매를 사용하여 응축 . 증발 시 미세횐관에서의 압력강하를 실험적으로 고찰하고, 이를 바탕으로 몇 가지 새로운 개념을 사용하여 압력강하 관계식을 제시, 이를 윤활유를 포함한 대체냉매의 관내압력 손실에 적용하였다. 본 연구에서 새로■이 도입되어 사용된 중요한 개념은 다음과 같다.
대상 데이터
- 전체적으로 예측치와실험치가 비교적 잘 일치하고 있으나, 압력 차가 작은 범위에서 몇몇 데이타들은 차이가 남을 볼 수 있다. 관의 종류에 따라 매끈한관은 수력직경이 8.0mm, 11.1皿인 두 가지 형태에서 데이터를 얻었으며, 미세휜관은 수력직경이 5.45m, 7.432皿 에서 이루어졌다. 관의 종류별로 평균편차를 계산하면 미세횐관이 약 19.
- 그들은 3/8 inch와 1/2 inch의 두 가지 종류의 매끈한 관과 미세휜관을 사용하여, R12인 경우 나프탈렌 (naphthenic) 종류의 윤활유로 점성도가 150SUS, 300SUS를 이용하였으며, R134a는 에스터 종류로 점성도가 169SUS, 369SUS, 150SUS 세 가지를 사용했다. 또, R22인 경우에는 광유로 점성이 150SUS, 300SUS인 두 가지 윤활유를 사용하여 실험을 하였다. 특히, 윤활유의 질량비를 0~5%로 조절하여 각 질량비 별로 데이터를 얻었다.
- 그러나, 지금까지 제시된 관계식들은 실험조건, 냉매의 종류, 관의 형태, 윤활유의 유무에 따라 제한적으로 사용될 수 있올 뿐 일반적으로 사용하기에는 많은 한계들을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존의 냉매인 R22를 포함하여 사용 가능 대체 냉매를 사용하여 응축 . 증발 시 미세횐관에서의 압력강하를 실험적으로 고찰하고, 이를 바탕으로 몇 가지 새로운 개념을 사용하여 압력강하 관계식을 제시, 이를 윤활유를 포함한 대체냉매의 관내압력 손실에 적용하였다.
- 본 연구에서는 실험적으로 얻은 압력강하 데이터, 총 831개(응축 시 205개, 증발시 626개)를이용하여 새로운 상관관계식을 다음과 같이 제시하였다. 수평관내의 2상 유동의 압력손실은 마찰에 의한 압력강하과 운동량에 의한 압력강하의 합으로 식 (15) 와 같이 나타낼 수 있다.
- 본 실험 장치는 크게 세 개의 부분으로 이루어져 있는데, 냉매의 양 및 조건을 조절하는 냉매회로 (refrigerant loop)와 냉매와 열교환올 이루며 건 도를 조절해주는 냉각수 회로(wateK loop), 실험의 데이터를 직접 얻는 시험 부로 이루어져 있다. 실험에 사용된 미세횐관은 관내의 휜의 개수가 단위 길이당 60개이며, 길이 방향으로 나선각도(8, helix angle) 18° 를 갖고 핀의 높이 (e) 는 0.2 nun 이다. 이런 기하학적 형상에서 실질적으로 냉매가 흐르는 단면적C4c)을 계산하면 60.
- 그러나, 윤활유의 분자량은 그 구성요소에 따라 매우 복잡하므로 크게 두 가지로 나누어 고려하였다. 첫째, 합성유인 경우(polyester oil)에는 그 성분에 따라 약간의 차이가 있으나, 500 kg/kmol를 대표치로사용하였으며, 둘째로 광유(mineral oil)인 경우는 800 kg/lnnol값올 대표치로 사용하였다. 이 값들은 CAS (Chemical Abstracts Subject) 에서 제 공하는 값으로 일반적으로 합성유의 경우 분자 구조상 약간의 차이는 있으나, 대부분의 합성유의 분자량은 400 ~600kg/kmol의 값을 가지며, 광유의 경우 이보다 조금 큰 700~ 900kg/kmol를 갖는다.
- 또, R22인 경우에는 광유로 점성이 150SUS, 300SUS인 두 가지 윤활유를 사용하여 실험을 하였다. 특히, 윤활유의 질량비를 0~5%로 조절하여 각 질량비 별로 데이터를 얻었다. Table 1은 냉매와 윤활유 혼합물의 실험조건을 자세히 나타내 주고 있다.
데이터처리
- Fig. 5, Fig. 6은ate둥이 실험하여 얻은 실험치와위의 혼합법칙을 이용하여 본 연구에서 제 시한관계식으로 얻은 예측치를 비교한 것으로, 우선웅축 데이터를 비교하였다. 전체적으로 예측치와실험치가 비교적 잘 일치하고 있으나, 압력 차가 작은 범위에서 몇몇 데이타들은 차이가 남을 볼 수 있다.
이론/모형
- 그러므로, 본 연구에서는 Yokozeki의 혼합법칙을 이용하여 얻은 결과를 냉매와 윤활유 혼합물의 물성치로 사용하였다. 그의 모델을 사용하기 위해서는 각 요소의 분자량 및 몰비를 알아야만 한다.
- 여기서, V 는 몰비를 나타낸다. 그러므로, 본 연구에서는 최근 Yokozeki에 의해 실험적으로 고찰된 혼합법칙을 이용하여, 혼합물의 물성치를 예측한 후 이를 이미 제시된 관계식에 적용하였다. 우선, Yokozeki는 다음과 같은 형태로 혼합물의 물성치를 제시하였다.
- Bo Pie ire는 그의 실험적 결과로 윤활유가 포함한 경우의 2상 마찰계수를 포함하지 않은 경우와 다르게 제시하였다. 본 연구에서는 실험적으로 구한 상관관계식을 윤활유가 포함한 냉매 흐름에도 적용하기 위해 냉매와 윤활유가 혼합된 혼합물의 물성치를 정확히 제시해줄 수 있는 흔합법칙(mixin坦 rule) 을 사용하였다. 혼합법칙에 관하여는 많은 연구자들의 의해 냉매 간의 여러 형태의 혼합법칙 관계식이 발표되어 왔으나, 냉매와 윤활유의 혼합물에 대한 물성치를 예측하는 관계식은 최근 몇몇 연구자에 의해 발표되고 있는 실정이다.
- 본 연구에서는, 열역학 제1법칙과 Bo Pierre의 개념을 도입하여 Fanning 마찰계수를 다음과 같이구하였다. _
- 식 (13) 과 같이 윤활유의 몰비를 질량비로 '간접적으로 구한 후 Yokozeki의 흔합법칙에 사용하여 혼합물의 물성치를 구하였다. 본 연구의 관계식에서 사용된 무차원수는 Reynolds수와 Boiling 수로 두 무차원수 중 윤활유의 물성치와 관련된 변수는 Reynolds수로 다음과 같이 다시 정의될 수 있다.
- 식 (5) 는 기존의 Arrhenius 방정식을 변형시킨 형태로 혼합물의 점도를 알아내기 위해 그는 새로운 요소인 Yokozeki parameter를 정의하여 사용하였다. 식 (6) 은 그가 제시한 새로운 변수로서, 戏는 각 요소의 몰비, 陥는 각 요소의 분자량, 瓦는 실험적 변수를 나타내는데, 많은 냉매혼합물인 경우 为값은 0.
- 위 식에서 특이할 사항은 마찰계수 정의시 Reynolds수는 관내 전체유동의 평균비체적을 기상과 액상, 모두 고려하여 계산하였으며, 또한 수력직경 개념을 이용하였고, Boilin明수는 Bo Pierre가 사용한 것과 같은 무차원수를 이용하였다. 위의 새로운 상관관계식에 흔합법칙을 이용하여 윤활유와 냉매의 혼합물에 적용하여 그 타당성을 살펴보았다.
- 그 이유는 냉매와 윤활유의 혼합물 중 윤활유의 질량비가 상대적으로 매우 적으므로 그 대표 값을 사용하여도 혼합법칙을 사용하는 데는 큰 영향을 주지 않기 때문이다. 윤활유의 물성 치중 본 연구에 필요한 액상 밀도 및 동점 계수는 최근 발표된 Kedzierski의 실험식을 이용하였다. 즉, 액상 밀도, 과 액상의 동점 계수, 은 포화온도 7; 로 다음과 같이 주어진다.
- 그러므로, 다양한 형태의 관내 형상에 상관없이 본 연구에서 제시한 상관 관계식올 적용시킬 수 있도록 한다. 즉, 본 연구의 마찰계수는 Bo Pierre의 마찰계수의 1/2에 해당하는 Farming .마찰계수를 근거로 하는 식 (20) 을 이용, 실험적으로 얻은 데이터 중, 증발과 웅축 총 831개의 데이타로부터 다음과 같은 새로운 마찰계수를 얻었다.
성능/효과
- 3) 본 연구에서 제시된 관계식을 이용 실험치와비교한 결과 평균 편차가 19% 이내의 좋은 결과를 얻었으나, 증발 시 매끈한 관인 경우에는 전체적으로 약간 적게 예측되었다.
- 0%, 149%로 미세횐관인 경우 응축 시와 매우 흡사하게 나왔다. 이와같이, 본 연구에서 제시한 관계식에 평균 질량비개념 올 도입하여 흔합법칙을 사용, 윤활유와 냉매가 혼합된 유동의 관내 압력손실을 예측할 때에도 냉매만 사용하였을 때와 마찬가지로 매우 좋은 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 특히, Yokozeki의 모델은 최근 Michels둥이 실험적으로 R22/AB150, R134a/POE-68, R410a/PVE-68를 이용하여 점도를 측정한 결과 그의 모델이 실험치와 매우 잘 일치함올 증명했다. 그러므로, 본 연구에서는 Yokozeki의 혼합법칙을 이용하여 얻은 결과를 냉매와 윤활유 혼합물의 물성치로 사용하였다.
후속연구
- 4) 앞으로 사용 가능한 냉매와 윤활유의 혼합물인 경우보다 정확한 압력 강하를 예측하기 위해서는 복합물질로 구성된 윤활유의 물성치에 관한 연구와 혼합물의 물성치 계산 및 냉매와 윤활 유간의 정확한 관계식이 요구된다.
- 본 연구에서는 미세휜관의 횐이 매끈한관에 거칠기(roughness)로 작용한다는 가정하에 미세 휜 관의 수력직경개념 올 도입한다. 그러므로, 다양한 형태의 관내 형상에 상관없이 본 연구에서 제시한 상관 관계식올 적용시킬 수 있도록 한다. 즉, 본 연구의 마찰계수는 Bo Pierre의 마찰계수의 1/2에 해당하는 Farming .
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