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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 가정용 냉장고의 고효율화 및 경량화 그리고 가격 경쟁력을 갖춘 응축기의 개발을 위하여 다음과 같은 새로운 응축기를 제시하고자한다. 새로운 형태의 roll-plate형 응축기는 철(steel)재질의 관(tube)에 같은 재질의 판 (plate)이 부착되어 있는 형태이다.
- 1 (b)에 나타내었다. 위를 바탕으로 새로운 형태의 응축기의 성능을 검토 분석하여 가정용 냉장고의 응축기 모델로의 상용화 가능성을 제시하였다.
제안 방법
- 1. 냉장고용의 고성능이며 생산성이 우수한 roll-plate type fin-tube condenser를 개발하였다.
- 공기 입구 온도를 30℃로 일정하게 유지한 후 열 교환이 정상상태에 도달한 후 120분간의 특성을 파악하였다. 열교환기의 성능과 온도분포를 알아보기 위해 열교환기의 입·출구 측에 T형 열전대와 차압계를 설치하였고, 휜의 표면 온도를 측정하기 위해 plate의 휜에 T형 열전대를 부착하였다 또한 공기의 입 출구 온도를 측정하기 위해 T형 열전대를 기계실의 입구와 출구 측에 각각 개씩 설치하였으며, 항온실내의 온도는 실험 장치의 주위로 4곳에 T형 열전대를 설치하여 측정하였다.
- 냉매 순환은 항온 순환 수조를 이용하여 입구 온도 50 ~ 70℃, 유량은 150 ~ 300 ㎏/㎡s의 상태로 실험하였다. 기계실에 일정 풍량을 공급하기 위하여 인버터로 팬 회전수를 조정하여 0.15 ~ 0.45 m/s의 공기 풍량을 제어하였다.
- 또한 계측부는 T-type 열전대를 사용하여 온도를 측정하기 위하여 Datalogue (yokogawa, DR-230)를 사용하였으며, 열교환기의 입·출구의 압력을 측정하기 위하여 차압계, 이것과 인터페이스를 위한 PC로 구성되어 있다.
- 4에서 AB구간은 입구(inlet)이고 BC구간은 axi-symmetric조건의 해석을 위한 축(axis), 그리고 CD구간은 출구(outlet)영역을 나타낸다. 또한, AE와 ED구간은 단열경계조건을 적용하였다. 계산 영역 내부에는 관과 휜이 위치하고 있다.
- 새로운 형상의 롤(roll)-플레이트형 휜-관 열교환기를 제안, 제작하여 열전달 특성 및 적용성에대한 실험결과, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
- 압력 차이에 의한 유동상태를 시뮬레이션하기 위해 입·출구에서는 압력경계조건을 사용하였다.
- 열교환기 형상에 따른 성능 실험(Ⅰ)과 이 실험(Ⅰ)을 바탕으로 공기 분배판을 설치하여 공기 유동에 대하여 수치해석(Ⅱ)을 하고, 이를 실험적으로 검증(Ⅲ)하였다.
- 열교환기의 성능과 온도분포를 알아보기 위해 열교환기의 입·출구 측에 T형 열전대와 차압계를 설치하였고, 휜의 표면 온도를 측정하기 위해 plate의 휜에 T형 열전대를 부착하였다 또한 공기의 입 출구 온도를 측정하기 위해 T형 열전대를 기계실의 입구와 출구 측에 각각 개씩 설치하였으며, 항온실내의 온도는 실험 장치의 주위로 4곳에 T형 열전대를 설치하여 측정하였다.
- 열교환기의 형상이 롤의 형태로 되어 있으므로 수치해석을 통하여 공기의 유동을 해석하였다. 실험에서와 마찬가지로 열교환기의 중앙부의 공기 유동이 문제점으로 나타났으며, 중앙부의 bypass 공기를 전열 면적이 큰 외곽부로 분배하기 위하여 중앙부에서부터 각각 15 mm, 20 mm, 25 mm, 25 mm 와1열 (column), 25 mm 와 1, 2열(column) 부분을 막아서 중앙부의 bypass 공기 유동을 최소화시킴으로써 성능이 보다 향상됨을 알 수 있었다.
- 열교환기의 성능과 온도분포를 알아보기 위해 열교환기의 입·출구 측에 T형 열전대와 차압계를 설치하였고, 휜의 표면 온도를 측정하기 위해 plate의 휜에 T형 열전대를 부착하였다 또한 공기의 입 출구 온도를 측정하기 위해 T형 열전대를 기계실의 입구와 출구 측에 각각 개씩 설치하였으며, 항온실내의 온도는 실험 장치의 주위로 4곳에 T형 열전대를 설치하여 측정하였다. 열전대 및 차압계로부터 얻어진 데이터의 처리는 DR230 계측 시스템과 컴퓨터를 이용하여, 매 2초 간격으로 120분간 측정하여 PC에 모든 측정값을 받아 프로그램 상에서 평균온도를 구하여 처리하도록 하였다. 본 실험에 사용된 열전대는 항온조에서 표준온도계로 보정하였으며, 온도측정에서의 편차는 보정 값에서 ±0.
- 열원부로는 60℃의 열원을 공급하기 위하여 항 온조(HMT-300-CBN-28-30)가 사용되었다. 제어부는 정밀한 유량을 공급하기 위한 질량 유량계를 사용하였고, 인버터로 팬 회전수를 조정하여 공기 풍량을 제어하였다. 또한 계측부는 T-type 열전대를 사용하여 온도를 측정하기 위하여 Datalogue (yokogawa, DR-230)를 사용하였으며, 열교환기의 입·출구의 압력을 측정하기 위하여 차압계, 이것과 인터페이스를 위한 PC로 구성되어 있다.
대상 데이터
- 계산 영역 내부에는 관과 휜이 위치하고 있다. 관의 내부직경은 3.76mm이다 .
- 3은 본 연구에 사용되어진 실험장치의 개략도이다 실험 장치는 외기온도 조건을 설정할 수 있는 항온실내에 설치하였으며, 항시 설정온도와 내부온도를 모니터를 통하여 쉽게 확인할수 있도록 되어있다. 실험을 위하여 작동유체는 브라인과 물을 1:1로 섞어서 제작하였으며, 풍동의 경우 실제 가정용 냉장고의 기계실을 제작하여 내부의 압축기, 팬 등을 배치 및 사용하였다.
- 열교환기는 외경 4.76 mm, 내경 3.76 mm로 제작된 강관에 spiral 형태의 휜을 부착한 spiral type 과 동일한 강관에 plate를 부착하고 plate를 휜으로 제작한 형태, plate에 루버 휜(louver fin)을 관의 위 아래에 중으로 부착한 열교환기의 4가지 형상을 실험하였으며 그 형상은 Fig. 2 와 같다.
이론/모형
- 수치 시뮬레이션을 위한 계산을 간략화하기 위해 계산 영역으로는 열교환기의 한 단면을 사용하였고, 또한 3차원화 해석을 하기 위해 axi-symmetric조건을 사용하였다.
- 수치 시뮬레이션을 하기 위한 CFD 코드로는 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하였다.
성능/효과
- 2. 질량 유속 300 ㎏/㎡s, 전면 풍속 3.5 m/s일 때, 열 전달량은 439 W, 총괄 열전달계수 19.56 W/㎡K 로 최대값을 보였다
- 3. 휜의 형상에 따른 열 전달량을 측정한 결과 공기 측에 루버휜을 설치하여, 전열면에 불연속표면(interrupted face)을 형성시킨 것이 평판 휜에비해 18 % 크게 나타났다. 이는 열 경계층이 두꺼워지는 것을 방지, 대류 열전달계수가 증가한것 때문으로 보인다.
- 4. 공기의 유동 불균일에 의한 열전달 저하 량은 최대 8.2 %였다.
- 본 실험에 사용된 열전대는 항온조에서 표준온도계로 보정하였으며, 온도측정에서의 편차는 보정 값에서 ±0.2℃ 정도로 나타났다.
- 분배기(distributor)크기는 25 mm를 막았을 때가 가장 성능이 좋았으며, 이는 중앙부의 공기 유동은 많이 억제 되었으나 상부의 전열 면적이 큰 부분에서의 공기 유속이 가장 높게 나타난 것으로 보아 큰 전열 면적이 있는 상부에 공기 유동을 집중시킴으로써 열 교환 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 다음Fig.
- 열교환기의 형상이 롤의 형태로 되어 있으므로 수치해석을 통하여 공기의 유동을 해석하였다. 실험에서와 마찬가지로 열교환기의 중앙부의 공기 유동이 문제점으로 나타났으며, 중앙부의 bypass 공기를 전열 면적이 큰 외곽부로 분배하기 위하여 중앙부에서부터 각각 15 mm, 20 mm, 25 mm, 25 mm 와1열 (column), 25 mm 와 1, 2열(column) 부분을 막아서 중앙부의 bypass 공기 유동을 최소화시킴으로써 성능이 보다 향상됨을 알 수 있었다.
- 10 은 전면 풍속 변화에 따른 총괄 열전달계수를 나타내었다. 전면 풍속이 증가할수록 총괄 열전달계수는 증가하였으며, 질량 유속이 증가할수록 총괄 열전달계수는 증가하였다. 질량 유속이 300kg/㎡s, 전면 풍속 0.
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