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문제 정의
- 따라서, 본 연구의 목적은 냉온 공기 열교환기(Heat Exchanger for the Evaporator, 이하 HEEVA라 한다) 개발을 통하여, 열펌프 성능향상을 공기 열교환기의 특성을 분석하고, 성능향상 실용화 열펌프 시스템을 개발하는데 있다.
제안 방법
- 난방 실험을 수행하였다. HEEVA/에 의한 찬 공기와 더운 공기의 온도변화, 전열량 및 냉온 공기열교환기 효율, 총열전달계수등을 측정 분석하였고, 냉난방시 외기온에 따른 열펌프의 성능계수, 소비전력, 응축기 . 증발기 출구 공기토출온도 변화를 측정 분석함으로서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 미치는 영향을 분석하기 위하여 냉 . 난방 실험을 수행하였다. HEEVA/에 의한 찬 공기와 더운 공기의 온도변화, 전열량 및 냉온 공기열교환기 효율, 총열전달계수등을 측정 분석하였고, 냉난방시 외기온에 따른 열펌프의 성능계수, 소비전력, 응축기 .
- 난방시 HEEVA에 의한 열펌프 성능특성 분석을 위하여 외기온과 더운 공기의 온도에 따라 응축기 출구의 공기풍량을 542 ~747nf/hr로 변환시켜가며 실험하였다. 그리고 응축기 .
- 가로 8배열, 세로 13배열로 구성되어 있다. 주위로의 열손실을 막기 위해 단열을 하였으며, HEEVA on/off 실험을 위해 튜브관군이 없는 더운 공기 덕트를 함께 제작하여 실험을 수행하였다. HEEVA의 사양은 표 2와 같다
- 그리고 응축기 . 증발기 공기 토출 온도를 측정하고, 소비전력은 전력계로 측정하여 열펌프의 성능계수를 분석할 수 있도록 하였다.
- 화석에너지에 대한 경제적 부담과 환경오염문제를 줄이기 위하여 열펌프의 성능계수향상을 위하여 냉온 공기열교환기(HEEVA)를 고안하였고, 이 열교환기의 열특성과 성능계수향상에 미치는 영향을 분석하기 위하여 냉 . 난방 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 사용하였다. 또한 낮은 외기온에서의 성능 저하를 막기 위해 증발기 출구와 응축기 출구 사이에 AVACTHE (Automatic Variable Area Capillary Type Heat Exchanger)# 설치하였고, 냉매는 R22(CHCLF2)를 사용하였다. 본 실험에 사용된 열펌프 시스템의 사양은 표 1과 같다.
- 본 실험에 사용된 공기 대 공기 열펌프 시스템의 압축기는 밀폐형 왕복동식 3마력이고, 응축기와 증발기는 직교류 열교환기로서 냉매와 공기 두 유체가 비혼합되는 휜이 있는 열교환기를 사용하였다. 또한 낮은 외기온에서의 성능 저하를 막기 위해 증발기 출구와 응축기 출구 사이에 AVACTHE (Automatic Variable Area Capillary Type Heat Exchanger)# 설치하였고, 냉매는 R22(CHCLF2)를 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 HEEVA의 개략도는 그림 1과 같으며, 외부커버는 스테인레스로 제작하였고, 튜브는 지름 20mm, 두께 hnm의 동관으로 제작하였으며, 대향류 정렬배열의 튜브 군으로 가로 8배열, 세로 13배열로 구성되어 있다. 주위로의 열손실을 막기 위해 단열을 하였으며, HEEVA on/off 실험을 위해 튜브관군이 없는 더운 공기 덕트를 함께 제작하여 실험을 수행하였다.
- 본 실험은 2001년 1월 12일부터 20이년 4월 28일까지 충청북도 청주시 충북대학교 농과대학에서 수행하였으며, 실험기간중 외기온은 -5°C~28°C 이었고, 외기온의 인위적 조절 없이 실험을 수행하였다. 실험조건으로 열펌프를 bypass로 작동하였고, HEEVA를 on/off 하여 실험을 수행하였으며, HEEVA의 성능분석을 위해 HEEVA 입출구 공기온도를 측정하여 찬 공기와 더운 공기간의 전열량 분석과 HEEVA의 효율을 분석하였다.
데이터처리
- 수행하였다. 실험조건으로 열펌프를 bypass로 작동하였고, HEEVA를 on/off 하여 실험을 수행하였으며, HEEVA의 성능분석을 위해 HEEVA 입출구 공기온도를 측정하여 찬 공기와 더운 공기간의 전열량 분석과 HEEVA의 효율을 분석하였다.
이론/모형
- HEEVA 더운 공기의 열전달 계수를구하기 위하여 식 (4)를 사용하였으며, 여기서 Nusselts수는 Petukhov 상관식 식 (5)를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 외기온이 -4~11°C로 변할 때 열펌프의 난방과정에서 HEEVA 찬공기 입출구 온도차는 4.5°C에서9.0°C로 증가하였으며, HEEVA에 의한 영향으로 2〜6°C상승된 공기가 증발기 입구로 유입되어 냉매증발을 촉진하였다.
- 2. 실온이 4〜22°C일 때 HEEVA 더운공기 입출구 온도차는3°C에서7°C로 증가하였으며, 응축기에 유입되는 공기온도를 3~8°C낮게 함으로서 압축기 소모전력을 감소시켜 COP 상승효과를 나타냈다.
- 3. 외기온과 실온변화에 따라 풍량 346m3/hr의 찬 공기가 받은 열량과 풍량 747m3/hr의 더운 공기가 준 열량간의 차는 50〜 150kcal/M로 나타났으며, 더운 공기가 준열량과 찬 공기가 받은 열량의 비가 83 - 98% 이었으므로 HEEVA의 열교환율은 91% 을 보였다.
- 4. 총합열전달계수는 이론값이 실험값보다 1〜3W/m2K 크게 나타났으며, 이 결과는 두 값 사이에 10% 내.외의 편차로서 Nusselt수를 구하기 위한 Petukhov상관식의 자체오차 15%에 비해 크지 않은 오차범주에 속하며, 이론상의 총합열전달계수 유도식의 타당성을 입증한 것이라 하겠다.
- 5. HEEVA를 작동함으로서 난방시 COP가 HEEVA를 작동하지 않았을 경우보다 0.3~0.5 향상된 것으로 나타났다. 이것은 HEEVA가 겨울철 난방에 효율을 높일수 있는 것으로 판단된다.
- 풍량 346m3/h의 찬 공기가 받은 열량과 풍량 747m3/h의 더운 공기가 준 열량간의 차는 50〜 150kcal/hr로 나타났으며, HEEVA 효율은 더운 공기가 준열량과 찬 공기의 비율로서 83〜98% 정도로 나타나 평균 91% 정도의 효율을 보였다. HEEVA 설계시 가정으로서 주위로의 열량손실과 불결계수를 고려하지 않았으나, 실험상 주위로의 열량 손실과 냉온 공기 열교환기 자체의 불결계수를 고려한다면 공기-공기 HEEVA로서 설계상의 목적에 부합한 것으로 나타났다.
- 출구의 온도변화를 보여 주고 있다. Room온도가 상승함에 따라 HEEVA 더운 공기 입출구 온도차는 3〜7°C정도로 증가하였고, HEEVA에 의한 영향으로 응축기 입구 공기온도가 3~8°C 낮게 유입되는 것으로 나타났다.
- 그림 7은 외기온이 -5〜5°C로 변할 때 난방시 HEEVA의 작동유무에 따른 COP변화를 보여 주고 있다. 난방시 HEEVA가 작동할 때 외기온이 증가함에 따라 COP가 2.9~3.6 정도로 증가하여 나타났으며, HEEVA를 작동하지 않을 때 COP가 2.6~3.1정도를 보였다. 즉, HEEVA가 작동할 때가 0.
- 5정도 높은 결과를 보였다. 저온의 외기온하에서 COP의 감소는 증발기측에서 열흡수율이 낮기 때문이며, 난방시 HEEVA를 작동하여 증발기 유입 찬 공기의 온도를 상승시켜 냉매의 증발효과를 통한 압축기 소비전력 감소가 COP를 향상시킨것으로 나타났다.
- 난방시 더운 공기가 찬 공기에 열량을 주어 응축기출구 더운 공기 온도가 하강하였으나, 응축기측에서 더운 공기의 입 . 출구 온도차 상승폭이 HEEVA가 작동하지 않을 때 보다 크게 나타남으로서 응축효과가 상승하여 COP가 상승한 것으로 나타났다.
- HEEVA에서 열교환을 하여 얻은 열전달매체(공기)의 입출구온도, 풍량을 측정하여 (2)식에 대입하여 얻은 결과이다. 풍량 346m3/h의 찬 공기가 받은 열량과 풍량 747m3/h의 더운 공기가 준 열량간의 차는 50〜 150kcal/hr로 나타났으며, HEEVA 효율은 더운 공기가 준열량과 찬 공기의 비율로서 83〜98% 정도로 나타나 평균 91% 정도의 효율을 보였다. HEEVA 설계시 가정으로서 주위로의 열량손실과 불결계수를 고려하지 않았으나, 실험상 주위로의 열량 손실과 냉온 공기 열교환기 자체의 불결계수를 고려한다면 공기-공기 HEEVA로서 설계상의 목적에 부합한 것으로 나타났다.
- 보여 주고 있다. 풍량 542m3/h에서 HEEVA가 작동할 때 외기온이 증가함에 따라 공기토출온도가 29-57°C 정도로 증가하는 것으로 나타났으며, 외기온 -3~1°C에서 공기 토출 온도가 2〜3°C 정도 낮은 결과를 보여 응축기출구 더운 공기의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 난방시 더운 공기가 찬 공기에 열량을 주어 응축기출구 더운 공기 온도가 하강하였으나, 응축기측에서 더운 공기의 입 .
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