[논문]CO2 냉매용 전자팽창밸브의 해석 및 평가

김욱중; 윤석호; 홍용주; 김정엽; 강신일

문제 정의

가 있고, 일본에서는 Saginomiya, Fujikoki 등에서 CO2 히트펌프 급탕기용 전자팽창밸브를 개발하여 판매 중에 있으나 문헌에 나타난 전자팽창밸브 관련 연구 결과는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 CO2 냉매 적용을 목적으로 개발되고 있는 전자팽창밸브의 기본 설계를 위하여 수행한 유동과 구조 해석 및 시제품으로 제작한 전자팽창밸브의 개도에 따른 유량, 내압 특성 등을 실험적으로 고찰하였다.
본 논문에서는 CO2를 이용한 냉난방 시스템용으로 개발 중인 전자팽창밸브의 기본 설계를 위해 수행한 유동 및 구조 해석과 시제품으로 제작한 제품의 유량특성을 실험적으로 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 “CO2용 요소부품 해석 및 성능평가 기술 개발”과제의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사하는 바이다.

가설 설정

난류모형은 RNG k-ε모형을 사용하였으며 입구조건과 출구조건의 액체상태에서의 열물성이 큰 차이를 나타내고 있지 않음을 고려하여 액체상태의 열물성은 입구조건의 값을 사용하였고 기체상태의 값은 출구조건의 값으로 일정하게 가정하였다.
5 kW급 히트펌프 시스템에서 요구하는 냉매의 최대 질량 유량은 약 100 g/s 정도로서⁽⁷⁾ 이와 같은 질량 유량을 제어하기 위해 요구되는 전자팽창밸브의 오리피스 직경 결정을 위한 유동해석을 수행하였다. 유동 해석은 최대 이동 거리를 2.5 mm로 고정한 상태에서 오리피스 구경이 1.6, 1.8 mm인 경우에 대해 수행하였으며 0 펄스에서 밸브는 완전히 열린 상태, 480 펄스에서 완전히 닫힌 상태로 유지된 것으로 가정하였다. 본 논문의 해석 결과는 240 펄스 상태에 대한 것으로서 이 때 전자팽창밸브의 니들은 완전히 닫힌 상태로부터 1.

제안 방법

2) 35 MPa의 내압 상태에서 파괴가 발생하지 않은 밸브의 규격을 구조 해석을 통하여 결정하였으며 응력집중 방지를 위한 개선을 제안하였다.
CO2 냉매를 사용하는 냉난방 능력 10.5 kW급 히트펌프 시스템에서 요구하는 냉매의 최대 질량 유량은 약 100 g/s 정도로서⁽⁷⁾ 이와 같은 질량 유량을 제어하기 위해 요구되는 전자팽창밸브의 오리피스 직경 결정을 위한 유동해석을 수행하였다. 유동 해석은 최대 이동 거리를 2.
또한 해석은 전자팽창밸브의 기하학적 형상의 대칭성 및 유동조건을 고려하여 전체 해석 대상의 1/2에 대해 수행하였다. 격자는 유동면적의 최소가 발생하는 노즐 주위에서 발생하는 복잡한 유동현상을 모사할 수 있도록 오리피스 주위에 상대적으로 많은 격자를 배치하였으며, 밸브의 상류와 하류 부위에는 오리피스에서 멀어질수록 격자의 간격이 커지도록 배치하였다. 이때 생성된 격자는 사면체와 육면체의 복합격자로서 오리피스 직경 1.
가스냉각기와 증발기는 2중관형 열교환기로 제작하였고, 2차유체는 각각 물, 물/에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였다. 기본 성능으로서는 실제 작동 조건(압력)에서 전자팽창밸브를 통과한 유량 특성을 파악하였으며 유량 측정을 위하여 질량유량계(모델 번호 : DH025S119SB)를 사용하였다. 유량 특성 파악을 위해 오리피스 직경 1.
난류모형은 RNG k-ε모형을 사용하였으며 입구조건과 출구조건의 액체상태에서의 열물성이 큰 차이를 나타내고 있지 않음을 고려하여 액체상태의 열물성은 입구조건의 값을 사용하였고 기체상태의 값은 출구조건의 값으로 일정하게 가정하였다. 또한 해석은 전자팽창밸브의 기하학적 형상의 대칭성 및 유동조건을 고려하여 전체 해석 대상의 1/2에 대해 수행하였다. 격자는 유동면적의 최소가 발생하는 노즐 주위에서 발생하는 복잡한 유동현상을 모사할 수 있도록 오리피스 주위에 상대적으로 많은 격자를 배치하였으며, 밸브의 상류와 하류 부위에는 오리피스에서 멀어질수록 격자의 간격이 커지도록 배치하였다.
해석에서의 전자팽창밸브 유동조건은 Table 1에 나타낸 바와 같은 실험조건을 적용하였다. 유동조건은 입구 CO2 압력이 약 10 MPa이므로 입구조건이 초임계 상태임을 알 수 있으며 초임계상태를 포함하여 해석에 필요한 CO2의 열물성은 EES(Engineering Equation Solver)를 통하여 구하였다. 유동 해석을 위해 지배방정식으로는 연속방정식, 운동량 방정식과 특별히 2상 팽창을 고려하여 기체상 방정식을 이용하였다.
기본 성능으로서는 실제 작동 조건(압력)에서 전자팽창밸브를 통과한 유량 특성을 파악하였으며 유량 측정을 위하여 질량유량계(모델 번호 : DH025S119SB)를 사용하였다. 유량 특성 파악을 위해 오리피스 직경 1.8 mm의 밸브가 사용되었으며 전자팽창밸브 입구 온도는 5℃에서 40℃, 압력은 8 MPa에서 10 MPa로 변화시키면서 수행하였다.
전자팽창밸브의 최대 설계 하중에서의 설계 조건과 설계 가이드를 구하고자 구조 해석을 수행하였다. 재질로는 STS304, Brass, Copper로 구성되어 있는 것을 대상으로 하였으며 재질의 물성치와 규격은 Table 3과 같다.

대상 데이터

시험 장치는 압축기, 가스냉각기, 내부열 교환기, 전자팽창밸브 및 증발기로 구성된 히트 펌프 시스템으로서 압축기는 CO2용으로 개발된 Dorin사의 TCS340/4 모델을 사용하였다. 가스냉각기와 증발기는 2중관형 열교환기로 제작하였고, 2차유체는 각각 물, 물/에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였다. 기본 성능으로서는 실제 작동 조건(압력)에서 전자팽창밸브를 통과한 유량 특성을 파악하였으며 유량 측정을 위하여 질량유량계(모델 번호 : DH025S119SB)를 사용하였다.
8에 보인 바와 같이 실험 장치를 구성하여 수행하였다. 시험 장치는 압축기, 가스냉각기, 내부열 교환기, 전자팽창밸브 및 증발기로 구성된 히트 펌프 시스템으로서 압축기는 CO2용으로 개발된 Dorin사의 TCS340/4 모델을 사용하였다. 가스냉각기와 증발기는 2중관형 열교환기로 제작하였고, 2차유체는 각각 물, 물/에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였다.
6은 Solid Model과 Mesh를 나타낸 것이다. 유한 요소 모델의 요소수와 절점수는 각각 36,656개와 11,206개가 사용되었으며 Brass는 4절점 사면체 요소, STS304와 Copper는 3절점 쉘요소를 사용하여 모델을 구성하였다. 경계조건으로 밸브의 끝단을 완전 구속하였으며 하중 조건으로는 최대 압력 조건인 35 MPa를 사용하였다.
전자팽창밸브의 최대 설계 하중에서의 설계 조건과 설계 가이드를 구하고자 구조 해석을 수행하였다. 재질로는 STS304, Brass, Copper로 구성되어 있는 것을 대상으로 하였으며 재질의 물성치와 규격은 Table 3과 같다. 유한 요소 해석은 MSC/NASTRAN을 이용하여 수행하였으며 Fig.

이론/모형

유동조건은 입구 CO2 압력이 약 10 MPa이므로 입구조건이 초임계 상태임을 알 수 있으며 초임계상태를 포함하여 해석에 필요한 CO2의 열물성은 EES(Engineering Equation Solver)를 통하여 구하였다. 유동 해석을 위해 지배방정식으로는 연속방정식, 운동량 방정식과 특별히 2상 팽창을 고려하여 기체상 방정식을 이용하였다. 난류모형은 RNG k-ε모형을 사용하였으며 입구조건과 출구조건의 액체상태에서의 열물성이 큰 차이를 나타내고 있지 않음을 고려하여 액체상태의 열물성은 입구조건의 값을 사용하였고 기체상태의 값은 출구조건의 값으로 일정하게 가정하였다.
재질로는 STS304, Brass, Copper로 구성되어 있는 것을 대상으로 하였으며 재질의 물성치와 규격은 Table 3과 같다. 유한 요소 해석은 MSC/NASTRAN을 이용하여 수행하였으며 Fig. 6은 Solid Model과 Mesh를 나타낸 것이다. 유한 요소 모델의 요소수와 절점수는 각각 36,656개와 11,206개가 사용되었으며 Brass는 4절점 사면체 요소, STS304와 Copper는 3절점 쉘요소를 사용하여 모델을 구성하였다.

성능/효과

1) 유동 해석 기법이 전자팽창밸브 내에서 발생하는 상변화를 정확히 모사하기에는 다소 무리가 있으나 유사한 유량 특성을 예측함을 알 수 있었으며, 통과하는 질량유량에는 오리피스 목 면적이 큰 영향을 미치고 1.8 mm 오리피스 직경의 전자팽창밸브는 최대 100 g/s의 용량에 적합함을 알 수 있었다.
실험값과의 차이는 상변화 과정이 수반되는 복잡한 전자팽창밸브의 유동현상을 상변화가 없는 단상모델로 해석하는 것이 적합지 않기 때문으로 판단된다. 2상 모델로 해석한 결과는 단상 모델의 결과값 보다 작은 질량유량을 예측하고 있으며 오리피스 직경에 따라 크게 변화하지 않은 실험값보다도 작은 값으로 계산되었다.
3) 성능으로서 다양한 운전 조건에서 전자팽창밸브를 통과하는 유량을 측정할 수 있는 실험 장치를 구성하였으며 밸브 입구의 조건에 따라 설계에 적합한 유량 조절이 이루어짐을 확인하였다.
8 mm인 경우에 대해 수행하였으며 0 펄스에서 밸브는 완전히 열린 상태, 480 펄스에서 완전히 닫힌 상태로 유지된 것으로 가정하였다. 본 논문의 해석 결과는 240 펄스 상태에 대한 것으로서 이 때 전자팽창밸브의 니들은 완전히 닫힌 상태로부터 1.25 mm 이동된 상태에 위치하게 된다.
7에 나타난 바와 같이 steel의 용접부에서 나타났다. 본 해석에서는 용접부를 1 body로 처리를 하였기에 응력 집중 부위가 steel의 인장 강도를 초과한 것으로 나타났으나 전체적인 응력 상태는 steel 인장 강도 보다는 작아서 안전한 것으로 판단되었다. 그러나 응력 집중 부위에서의 응력 집중 현상을 완화시킬 수 있는 구조의 개선 및 용접 방법에 대한 개선이 필요한 것으로 분석되었다.
그림에 나타난 바와 같이 개도는 240 펄스 및 480 펄스에 대해 수행되었으며, 해석결과 구한 질량유량은 240 펄스에서는 실험결과 보다 다소 낮게 480 펄스에서는 실험결과보다 다소 큰 값을 나타내었다. 이와 같은 전자팽창밸브에 대한 유동해석 결과는 유동해석기법이 전자팽창밸브 내에서 발생하는 상변화를 정확히 모사하기에는 다소 무리가 있으나 유사한 유량 특성을 예측함을 알 수 있었다.
8 mm의 경우의 속도분포를 나타낸다. 전자팽창밸브내의 유동은 밸브의 목 주위에서 급격히 변화가 발생하여 수십 m/s에 이르는 고속의 유동속도가 발생하는 것으로 나타났다. 이후 하류에서는 가속된 제트유동이 출구로 진행하면서 확대관의 영향으로 고속영역이 크게 확대되는 영향을 나타내고, 이후에는 완만한 유동발달과정이 진행되는 것으로 나타났다.
8 mm 전자팽창밸브의 최소유동면적을 나타낸다. 최소유동면적은 노즐 입구에서 발생하며, 오리피스 직경 1.6 mm의 경우 1.086 mm² , 1.8 mm의 경우 1.306 mm²로 나타나 오리피스 직경 1.8 mm의 경우가 약 1.2배 더 크게 발생하는 것으로 나타났다. 다음의 식 (1)은 압축성 유동의 경우 오리 피스를 통과하는 가스의 질량유량을 표현하는 식으로서 오리피스 목의 면적은 질량유량에 매우 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
표에서 SP는 전자팽창밸브 입구조건으로 상변화 없이 열물성이 일정하게 유지되는 것으로 가정했을 때 구한 질량유량을 나타내고 있다. 해석으로 구한 CO2의 질량유량은 오리피스 직경 1.6 mm의 경우 실험값과 유사하게 나타났으나 오리피스 직경 1.8 mm의 경우 1.6 mm에 비해 전자팽창밸브를 통과하는 CO2의 질량유량이 약 18% 증가하는 것으로 예측되어 실험값 보다 다소 크게 나타났다. 이와 같은 해석 결과는 비록 입구조건의 차이는 있으나, 식 (1)에 나타낸 바와 같이 오리피스 목 면적의 증가가 통과하는 질량유량에 큰 영향을 미치고, 오리피스 직경 1.

후속연구

본 해석에서는 용접부를 1 body로 처리를 하였기에 응력 집중 부위가 steel의 인장 강도를 초과한 것으로 나타났으나 전체적인 응력 상태는 steel 인장 강도 보다는 작아서 안전한 것으로 판단되었다. 그러나 응력 집중 부위에서의 응력 집중 현상을 완화시킬 수 있는 구조의 개선 및 용접 방법에 대한 개선이 필요한 것으로 분석되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO2와 같은 자연냉매를 적용하는 냉동기 혹은 히트펌프 시스템에 대한 연구가 활발한 이유는 무엇인가?	지구온난화 물질인 CFC 및 H(C)FC 계열의 냉매의 사용이 금지되면서 CO2와 같은 자연냉매를 적용하는 냉동기 혹은 히트펌프 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다.(1-3) 그러나 CO2 냉매의 경우 환경친화적인 장점에도 불구하고 임계온도가 낮고 작동압력이 H(C)FC 계열 냉매에 비해 5배 이상 높아 사이클 구성에 필수적으로 요구되는 팽창장치나 사방밸브와 같은 요소부품 개발에 큰 장애가 되고 있다.
	CO2 냉매의 문제점은 무엇인가?	지구온난화 물질인 CFC 및 H(C)FC 계열의 냉매의 사용이 금지되면서 CO2와 같은 자연냉매를 적용하는 냉동기 혹은 히트펌프 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다.(1-3) 그러나 CO2 냉매의 경우 환경친화적인 장점에도 불구하고 임계온도가 낮고 작동압력이 H(C)FC 계열 냉매에 비해 5배 이상 높아 사이클 구성에 필수적으로 요구되는 팽창장치나 사방밸브와 같은 요소부품 개발에 큰 장애가 되고 있다.
	전자팽창밸브는 어떻게 동작하는가?	전자팽창밸브는 크게 오리피스(orifice), 니들(needle), 구동 스테핑모터로 구성된다. 외부전원에 의해서 구동스테핑모터가 작동하면 니들의 직선운동에 따라서 오리피스 내의 냉매가 흘러가는 면적이 정해지고, 이에 따라 냉동시스템 내에 흐르는 냉매의 유량과 작동압력이 결정된다.

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