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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 핀-관 형태의 가스쿨러 모델링을 통해 여러 가지 구성에 따른 성능특성을 고찰하고 운전조건을 변화시켜 각각의 성능을 비교·분석함으로써 핀-관 가스쿨러의 최적화에 관한 연구를 진행하려 한다.
제안 방법
- 먼저 1열의 가정된 냉매의 입구상태와 주어진 1열의 공기측 상태량을 이용하여 1열의 공기측 출구상태량를 계산하고 주어진 2열의 냉매 입구상태량과 함께 1열 공기 출구 상태량이 2열 공기 입구상태량이 되어 1열 냉매 출구온도를 계산한다. Fig. 2와 같이 가정된 1열의 냉매 입구상태량과 2열 냉매 출구상태량을 비교하여 온도차가 0.5oC, 압력차는 200 kPa이하 오차범위 안에 수렴할 때까지 1열의 입구상태량을 변화시켜가면서 반복 계산을 수행하였다.
- 3과 같이 열교환기 전체 크기를 동일한 크기(846×780 mm)로 선정하고 각각의 배열변화를 통하여 총 5가지 열교환기 형태를 선정하였다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 각각의 열교환기에서 냉매는 2, 4, 5, 8, 10개로 나누어지고 이때 각각의 열교환기에 사용된 관의 개수는 40, 20, 16, 10, 8개로 전체 관의 수를 80개로 고정하여 설계하였다. 우선 냉매 유량(66 g/s)을 일정하게 고정하고 열교환기 수와 관 수를 변화시켜 표준외기조건(35/24cC)에서 각각의 열교환기의 성능 특성을 분석하였다.
- 동일한 크기의 열교환기에서 배열에 따른 성능 특성을 해석하기 위하여 Fig. 3과 같이 열교환기 전체 크기를 동일한 크기(846×780 mm)로 선정하고 각각의 배열변화를 통하여 총 5가지 열교환기 형태를 선정하였다.
- 일반적으로 비교적 간단하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있어 공랭식 열교환기 해석에 널리 적용되고 있는 관순법(7)(tube-by-tube method)을 이용하여 가스쿨러를 해석하였으며 공기와 냉매가 직교류형이며 하나의 핀-관이 해석의 대상으로 이전 관의 출구에서 냉매의 상태량이 다음 관의 입구 상태량이 된다. 먼저 1열의 가정된 냉매의 입구상태와 주어진 1열의 공기측 상태량을 이용하여 1열의 공기측 출구상태량를 계산하고 주어진 2열의 냉매 입구상태량과 함께 1열 공기 출구 상태량이 2열 공기 입구상태량이 되어 1열 냉매 출구온도를 계산한다. Fig.
- 본 연구에서는 이산화탄소용 핀-관 가스쿨러를 여러 가지 구성에 따른 성능특성을 파악하고 운전조건을 변화시켜 각각의 성능을 비교 분석하였다. 이를 위해 2-40, 4-20, 5-16, 8-10, 10-8 HX-tube 형태로 5가지 열교환기를 설계하였으며 각각의 열교환기에서 압력강하, 질량유속, 열교환기 용량을 분석하고, 운전조건을 변화시키면서 성능을 비교 고찰하였다.
- 3에서 볼 수 있듯이 각각의 열교환기에서 냉매는 2, 4, 5, 8, 10개로 나누어지고 이때 각각의 열교환기에 사용된 관의 개수는 40, 20, 16, 10, 8개로 전체 관의 수를 80개로 고정하여 설계하였다. 우선 냉매 유량(66 g/s)을 일정하게 고정하고 열교환기 수와 관 수를 변화시켜 표준외기조건(35/24cC)에서 각각의 열교환기의 성능 특성을 분석하였다. 이후 각각의 열교환기에서 운전조건 변화에 따라 성능을 비교 분석하기 위하여 공기의 유속, 냉매의 질량 유량, 냉매의 입구온도, 그리고 외기온도를 변화시켜 가면서 성능을 예측하여 분석하였다.
- 이 열교환기는 실제 열교환기로 쓰기는 부적합하지만 다른 열교환기 배열에 따른 성능을 비교·분석하기 위해서 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 이산화탄소용 핀-관 가스쿨러를 여러 가지 구성에 따른 성능특성을 파악하고 운전조건을 변화시켜 각각의 성능을 비교 분석하였다. 이를 위해 2-40, 4-20, 5-16, 8-10, 10-8 HX-tube 형태로 5가지 열교환기를 설계하였으며 각각의 열교환기에서 압력강하, 질량유속, 열교환기 용량을 분석하고, 운전조건을 변화시키면서 성능을 비교 고찰하였다. 이를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 우선 냉매 유량(66 g/s)을 일정하게 고정하고 열교환기 수와 관 수를 변화시켜 표준외기조건(35/24cC)에서 각각의 열교환기의 성능 특성을 분석하였다. 이후 각각의 열교환기에서 운전조건 변화에 따라 성능을 비교 분석하기 위하여 공기의 유속, 냉매의 질량 유량, 냉매의 입구온도, 그리고 외기온도를 변화시켜 가면서 성능을 예측하여 분석하였다. 본 연구에서 설정된 열교환기의 운전조건은 Table 2에 나타내었다.
대상 데이터
- 열교환기는 여러 가지 형태가 있지만 가장 대표적인 공조용 열교환기인 핀-관 열교환기는 원형 동관과 알루미늄 핀으로 구성되어 있으며 동관 내에는 냉매가 흐르며 유동과 직각 방향으로 공기가 핀 사이를 흐르게 설계되어 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 핀-관 형태의 열교환기를 선정하였으며 관 내경 4 mm, 외경 5 mm 구리관으로, 핀의 형태는 오프셋 스트립(off-set strip)핀을 사용하였다. 본 연구에서 제안된 열교환기의 사양을 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 가스쿨러에서 냉매측 열전달 특성을 고려하기 위한 열교환계수는 Gnielnski(3)가 제안한 식을 사용하였고, 냉매측 압력강하는 Churchill(4)가 제안한 식을 사용하였으며, 공기측 열전달 계수 j인자는 Wang(5)이 제안한 식을 사용하였다. 또한 핀 효율은 Schmidt(6)가 제안한 식을 이용하였다.
- 이 제안한 식을 사용하였다. 또한 핀 효율은 Schmidt(6)가 제안한 식을 이용하였다. 일반적으로 비교적 간단하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있어 공랭식 열교환기 해석에 널리 적용되고 있는 관순법(7)(tube-by-tube method)을 이용하여 가스쿨러를 해석하였으며 공기와 냉매가 직교류형이며 하나의 핀-관이 해석의 대상으로 이전 관의 출구에서 냉매의 상태량이 다음 관의 입구 상태량이 된다.
- 또한 핀 효율은 Schmidt(6)가 제안한 식을 이용하였다. 일반적으로 비교적 간단하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있어 공랭식 열교환기 해석에 널리 적용되고 있는 관순법(7)(tube-by-tube method)을 이용하여 가스쿨러를 해석하였으며 공기와 냉매가 직교류형이며 하나의 핀-관이 해석의 대상으로 이전 관의 출구에서 냉매의 상태량이 다음 관의 입구 상태량이 된다. 먼저 1열의 가정된 냉매의 입구상태와 주어진 1열의 공기측 상태량을 이용하여 1열의 공기측 출구상태량를 계산하고 주어진 2열의 냉매 입구상태량과 함께 1열 공기 출구 상태량이 2열 공기 입구상태량이 되어 1열 냉매 출구온도를 계산한다.
성능/효과
- (1) 열교환기 구성에 따른 열교환기 용량은 4-20 HX-tube가 13.424 kW로 가장 크게 나타났으며 이는 8-10 HX-tube에 비하여 약 3.5% 증가한 값을 보였다. 또한 압력강하는 4-20, 5-16, 8-10, 10-8 HX-tube가 100 kPa 이하로 상대적으로 적게 나타나는 것으로 확인되었으며 2-40 HX-tube의 경우 큰 질량유속으로 인하여 277 kPa 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- (2) 공기 입구속도와 냉매입구온도 그리고 냉매 질량유량 변화에 따른 열교환기 성능은 4-20 HX-tube가 가장 효율적으로 나타났으며 넓은 운전 범위에서 열교환기 성능 감소가 가장 작게 나타나 열교환기의 신뢰성이 가장 높은 것으로 나타났다.
- 외기온도가 증가함에 따라 열교환기의 냉매와 외기의 온도 차가 감소하기 때문에 열교환 효과의 감소로 열교환기 용량이 줄어드는 경향을 보인다. 2-40 HX-tube의 용량이 18.7%로 감소하여 감소정도가 가장 크게 나타나며 외기온도 변화에 따른 성능 민감도가 가장 큰 것으로 확인되었다. 반면 4-20 HX-tube와 10-8 HX-tube는 외기온도 변화에 따라 용량이 17%정도 감소하여 성능의 감소정도가 가장 작게 나타나 외기 온도변화에 대한 성능 변화가 작은 것으로 확인되었다.
- 하지만 성능의 향상정도는 공기 속도변화가 증가함에 따라 감소하는 경향을 가진다. 공기 입구속도 변화에 대한 열교환 용량 정도는 4-20 HX-tube가 상대적으로 일정하게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
- 압력강하는 열교환기의 길이가 길어지고 질량유속이 클수록 증가하는데 본 연구에서도 열교환기의 길이와 질량유속이 4-20 HX-tube보다 2배 큰 2-40 HX-tube의 압력강하가 가장 크게 나타났으며 4-20 HX-tube 이후에 압력강하는 100 kPa이하로 2-40 HX-tube에 비하여 50% 이하로 감소한다. 따라서 열교환기 출구온도, 압력강하, 질량유속의 변화에 대한 성능은 4-20 HX-tube가 가장 효율적인 것으로 확인되었다.
- 5% 증가한 값을 보였다. 또한 압력강하는 4-20, 5-16, 8-10, 10-8 HX-tube가 100 kPa 이하로 상대적으로 적게 나타나는 것으로 확인되었으며 2-40 HX-tube의 경우 큰 질량유속으로 인하여 277 kPa 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 7%로 감소하여 감소정도가 가장 크게 나타나며 외기온도 변화에 따른 성능 민감도가 가장 큰 것으로 확인되었다. 반면 4-20 HX-tube와 10-8 HX-tube는 외기온도 변화에 따라 용량이 17%정도 감소하여 성능의 감소정도가 가장 작게 나타나 외기 온도변화에 대한 성능 변화가 작은 것으로 확인되었다. 운전조건 변화에 따른 성능고찰 결과는 4-20 HX-tube가 입구 공기속도, 냉매유량, 냉매출구온도, 외기온도 변화에 따라 일정 이상의 열교환기 용량을 확보함으로써 주어진 구조에서 가장 신뢰성 있는 열교환기로 확인되었다.
- 따라서 관의 수가 16개 이하가 될 때는 열교환기 용량이 급격히 감소한다. 본 연구에서 2-40 HX-tube의 열교환 용량은 4-20 HX-tubed의 열교환 용량에 비하여 약 0.15% 증가하는 반면 5-16 HX-tube은 0.22%, 8-10 HX-tube는 2%, 10-8 HX-tube는 3.39% 감소하는 것으로 확인되었다.
- 냉매의 입구 온도가 증가하게 되면 냉매의 입·출구 온도차가 커짐에 따라 열교환 효과가 증대되고 이에 열교환기 용량은 증가된다. 본 연구에서는 냉매 입구온도가 80℃에서 120oC로 증가될 때 4-20, 5-16, 8-10, 10-8 HX-tube는 약 34%로 비슷한 성능향상을 보이지만 2-40 HX-tube의 경우 31%로 상대적으로 낮은 성능향상 정도를 나타냈다. 이는 냉매유량 증가에 비해 입·출구 온도차의 증가정도가 열교환기 용량에 더 큰 영향을 미치기 때문이다.
- 이 열교환기는 실제 열교환기로 쓰기는 부적합하지만 다른 열교환기 배열에 따른 성능을 비교·분석하기 위해서 해석을 수행하였다. 압력강하는 열교환기의 길이가 길어지고 질량유속이 클수록 증가하는데 본 연구에서도 열교환기의 길이와 질량유속이 4-20 HX-tube보다 2배 큰 2-40 HX-tube의 압력강하가 가장 크게 나타났으며 4-20 HX-tube 이후에 압력강하는 100 kPa이하로 2-40 HX-tube에 비하여 50% 이하로 감소한다. 따라서 열교환기 출구온도, 압력강하, 질량유속의 변화에 대한 성능은 4-20 HX-tube가 가장 효율적인 것으로 확인되었다.
- 5는 열교환기의 압력강하와 질량유속의 변화를 열교환기 구성에 따라 비교하여 보여주고 있다. 열교환기의 질량유속은 보통 450 kg/m2s에서 1550 kg/m2s까지 주로 사용되는데 본 연구에서 설계된 대부분의 열교환기의 질량유속은 사용 범위 안에 들지만 2-40 HX-tube는 질량유속이 2626 kg/m2s로 상대적으로 크게 나타났다. 이 열교환기는 실제 열교환기로 쓰기는 부적합하지만 다른 열교환기 배열에 따른 성능을 비교·분석하기 위해서 해석을 수행하였다.
- 반면 4-20 HX-tube와 10-8 HX-tube는 외기온도 변화에 따라 용량이 17%정도 감소하여 성능의 감소정도가 가장 작게 나타나 외기 온도변화에 대한 성능 변화가 작은 것으로 확인되었다. 운전조건 변화에 따른 성능고찰 결과는 4-20 HX-tube가 입구 공기속도, 냉매유량, 냉매출구온도, 외기온도 변화에 따라 일정 이상의 열교환기 용량을 확보함으로써 주어진 구조에서 가장 신뢰성 있는 열교환기로 확인되었다.
후속연구
- 따라서 이산화탄소의 물성 및 이용에 대한 기초연구와 이를 냉동공조 시스템에 적용시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만 시스템 성능 향상과 구성요소의 최적화를 위한 더욱 체계적인 연구가 필요하다. 이산화탄소용 가스쿨러에 관한 기존의 연구를 살펴보면 Chang and Kim(1)은 이산화탄소 히트펌프 시스템의 가스쿨러로 핀-관 열교환기를 사용할 경우 설계변수의 변화에 따른 성능해석을 통하여 최적설계를 위한 자료를 제공하였으며 Yin et al.
- 따라서 본 연구에서는 핀-관 형태의 가스쿨러 모델링을 통해 여러 가지 구성에 따른 성능특성을 고찰하고 운전조건을 변화시켜 각각의 성능을 비교·분석함으로써 핀-관 가스쿨러의 최적화에 관한 연구를 진행하려 한다. 본 연구를 통하여 이산화탄소용 핀-관가스쿨러의 최적화를 통한 제품개발의 기초적인 데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.