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문제 정의
- 본 연구에서는 10RT급 흡수식 냉온수기에 적용가능한 판형열교환기를 선정하기 위하여 쉐브론 각도 60°(Low theta), 120°(High theta) 및 60°와 120°를 섞은 Sample (Mixed theta) 3종류의 판형열교환기를 고온 용액 열교환기에 적용하여 쉐브론 각도에 따라 열전달과 압력강하에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 판형열교환기는 Swep사에서 제조되는 모델이며 쉐브론 각도 60°를 Low theta, 120° High theta 그리고 60°와 120를 번갈아가며 적층한 것을 Mixed theta로 구분하여 실험하였다.
- Muley 등(3) 2 ≤Re≤ 400,≤ 130≤ Pr≤ 290의 실험조건에서 30°, 30°/60°, 60° 3종류의 쉐브론 각도에 따른 열전달 및 차압상관식을 실험을 통하여 도출하였다.
- 각계측장치는 보정(Calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더(Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.5초 간격으로 저장하였다.
- 2는 질량유량에 따른 용액 열교환기의 열전달률을 나타낸 것이다. 고온부 작동유체의 온도는 155℃, 저온부 작동유체의 온도는 70℃로 일정한 조건에서 동일한 질량유량으로 평균 열전달률을 비교하였다.
- 열교환기 입출구의 용액유량과 온도를 측정하기 위해 질량유량계(TOSHIBA, LF430DL) 및 열전대(Omega, T-type)를 설치하였다. 또한 입출구의 차압을 측정하기 위해 고온부와 저온부에 각각 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다. 각계측장치는 보정(Calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더(Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.
- 일정한 농도와 온도를 유지할 수 있도록 각각 15kW의 히터를 용액탱크 내에 설치하고 가열된 냉매증기의 응축을 위하여 항온조(SAMJUNG ENC, SJ-15A)를 설치하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 막기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였으며 용액의 농도를 정밀하게 측정하기 위하여 굴절률계(Atago, R-5000)를 사용하여, 샘플링 밸브, 가열탱크, 취출구 순으로 설치하여 온도 및 농도를 측정하였다. 굴절률계의 측정범위는 0.
- 실험은 ARI(Air-conditioning & Refrigeration Institute)의 성능 검사 규격에 따라 해당 실험조건으로 실험장치를 가동하는 동안 첫째, 열교환기의 입구 출구의 온도값이 평균값으로부터 0.2℃ 이상 변하지 않고 둘째, 고오부와 저온부의 유량이 평균값에서 ±2% 이상 변화지 않으면 셋째, 고온부와 저온부의 입, 출구온도로 계산한 열량이 평균값과 ±5% 이하의 차이를 보이면 정상상태로 판단하였으며 이 상태를 5분 이상 유지시킨 후에 데이터를 컴퓨터에 저장하였다.
- 열교환기 입출구의 용액유량과 온도를 측정하기 위해 질량유량계(TOSHIBA, LF430DL) 및 열전대(Omega, T-type)를 설치하였다. 또한 입출구의 차압을 측정하기 위해 고온부와 저온부에 각각 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다.
- 일정한 농도와 온도를 유지할 수 있도록 각각 15kW의 히터를 용액탱크 내에 설치하고 가열된 냉매증기의 응축을 위하여 항온조(SAMJUNG ENC, SJ-15A)를 설치하였다.
대상 데이터
- 실험 장치는 LiBr 농도 62.2%, 온도 135~165℃인 고온 순환부와 LiBr 58.5%, 온도 70℃인 저온 순환부와 용액이 열교환하는 시험부로 구성된다.
- 실험에 사용된 고온부와 저온부의 작동유체는 LiBe 수용액을 사용하였으며, 고온부와 저온부의 작동유체는 용액탱크에서 히터를 가열하여 농도를 유지시켰다. 시험부 입구 측에는 보조 열교환기를 설치하였으며 항온조를 통하여 온도를 일정하게 유지시켰따.
성능/효과
- (1) 용액의 질량유량이 증가함에 따라 실험대상 3종류의 열교환기에서 열전달률과 압력강하가 증가하였으며, High theta type이 열전달률과 압력강하가 가장 높게 나타났다.
- (2) 총괄열전달계수는 기준유량인 350kg/h에서 High theta type은 0.65 kW/m2℃로 가장 높게 나타났고, Mixed theta type은 0.14 kW/m2℃로 가장 낮게 나타났다.
- (3) 판형 용액열교환기의 성능을 나타내는 유용도는 질량유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 각 쉐브론 각도에 따른 유용도는 질량유량 150kg/h에서 High theta type 0.
- (4) 레이놀즈수가 증가함에 따라 f 인자 및 j 인자는 감소하는 경향을 보였으며, 쉐븡론 각도가 120° High theta type이 가장 높은 값을 나타내었다.
- Fig. 2와 동일한 조건에서 질량유량이 증가함에 따라 압력강하는 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다. Fig.
- 2의 열전달률의 경향과는 반대로 High theta type의 압력강하가 가장 크고, Low theta type이 가장 낮게 나타 났다.
- 레이놀즈수가 증가함에 따라 f 인자는 감소하는 경향을 보이며, 쉐브론 각도가 120° High theta type이 가장 높은 값을 나타내었다.
- 레이놀즈수가 증가함에 따라 j 인자는 감소하는 경향을 보이며, 실험유량 범위에서 쉐브론 각도가 120° High theta type이 가장 높은 값을 나타내었다.
- 질량유량이 증가함에 따라 모든 쉐브론 각도에서 열전달률이 증가하였으며, High theta type이 고온부와 저온부의 유체 교란효과가 우수하여 가장 높은 열전달률을 보였다.
- 5는 용액 열교환기의 성능을 나타내는 유용도를 나타낸 것이다. 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하는 경향을 보였다. 각 쉐브론 각도에 따른 유용도는 질량유량 150kg/h에서 High theta type 0.
- 4는 질량유량에 따른 용액 열교환기의 총괄열전달계수를 나타낸 것이다. 질량유량이 증가함에 따라 총괄열전달계수는 증가하는 경향을 보였다. 각 쉐브론 각도에 따른 총괄열전달계수는 Fig.
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