[논문]알루미늄 평행류 열교환기 헤더 내 냉매 분배에 관한 연구

김도영; 김내현; 김수환; 변호원; 이을종

알루미늄 평행류 열교환기 헤더 내 냉매 분배에 관한 연구
A Study on the Refrigerant Distribution in an Aluminum Parallel Flow Heat Exchanger Header 원문보기

김도영 (인천대학교 대학원) , 김내현 (인천대학교 기계공학과) , 김수환 (인천대학교 대학원) , 변호원 (인천대학교 대학원) , 이을종 (인천대학교 대학원)

The refrigerant R-134a flow distributions are experimentally studied for a round header/ten flat tube test section simulating a brazed aluminum heat exchanger. Three different inlet orientations (parallel, normal, vertical) were investigated. Tests were conducted with downward flow for the mass flux from 70 to $130\;kg/m^2s$ and quality from 0.2 to 0.6. In the test section, tubes were flush-mounted with no protrusion into the header. It is shown that normal and vertical inlet yielded approximately similar flow distribution. At high mass fluxes or high qualities, however, slightly better results were obtained for normal inlet configuration. The flow distribution was worst for the parallel inlet configuration. Possible explanation is provided based on flow visualization results.

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문제 정의

본 연구에서 수행한 입구 방향이 유량 분배에 미치는 영향을 검토하였다. Fig.
본 연구에서는 10 채널로 구성된 평판관 열교환기에서 헤더의 유입 방향이 평판관 헤더내 유량 분배에 미치는 영향을 R-134a 냉매를 사용하여 실험적으로 검토하였다. 평판관이 헤더에 삽입되지 않는 하향류에 대하여 질량유속 70≤G≤130 kg/m²s, 건도 0.

가설 설정

5로 감소한다. 6번 채널 (a) flow distribution data 부터는 거의 액체가 공급되지 않는다. 유동 형태 사진을 통해서도 전방부로 대부분의 액체가 공급되고 후방부는 액체 유입이 거의 없음을 확인 할 수 있다.

제안 방법

Watanabe et al.⁽⁵⁾은 내경 20 mm의 수평 원형헤더와 4 개의 내경 6 mm 수직 원형 분지관에 대하여 R-11을 사용하여 상향류 분지 실험을 수행하였다. 실험은 질량 유속 40～120 kg/m²s, 건도는 0～0.
(7)은 원형헤더와 15 개의 평판관으로 구성된 시험부에서 R-22를 사용하여 헤더 방향과 냉매 주입관의 방향이 유량분배에 미치는 영향을 검토하였다. 질량유속은 60 kg/m²s로 고정되고 건도는 0～0.
(8)은 원형헤더와 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에서 물-공기를 사용하여 유동방향(parallel inlet, normal inlet, vertical inlet)에 따른 분배 영향을 검토하였다. 수직 유입 형상이 가장 분배가 좋았으며 측면 유입이 수직유입에 비해 다소 분배가 안 좋은 것으로 나타났다.
(8)의 후속 연구로 물-공기 대신에 냉매 R-134a를 사용하여 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에 대하여 질량유속 70～130 kg/m²s, 건도는 0.2～0.6 범위에서 유량분배 실험을 수행하였다. 시험 범위에서 헤더 입구 유동은 대부분 성층류로 관측되었다.
시험부 하부헤더에서 유출된 2상 냉매는 응축기에서 응축된 후 마그네틱 펌프로 유입된다. 냉매 유량은 펌프로부터 토출된 냉매 일부를 우회시켜 조절하였다. 예열기 전방에는 정확도 ± 1.
본 연구에서 액체와 기체 유량 데이터는 각 채널에 흐르는 유량을 평균 유량값 (전체 유량이 각 채널에 균일하게 분배됬을 때 얻어지는 값)으로 나눈 유량비 (liquid flow ratio and gas flow ratio) 로 나타내었다. Fig.
유량계측장치는 이중관 열교환기로 관내로 냉매가 흐르며 관 외측의 냉각수에 의해 응축된다. 열교환기의 유동은 대향류로 구성되며 채널간 유량 변화에 따른 광범위한 열부하를 감당할 수 있도록 항온 칠러를 이용하여 냉각수의 유량과 온도를 조절하였다. 유량계측장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다.
예열기 전방에는 정확도 ± 1.5 x 10-6 kg/s의 질량유량계(0∼400 kg/hr)를 설치하여 유량을 측정하였다.
평판관 채널을 흐르는 유량은 밸브를 조작하여 시험부를 흐르는 유동을 유량측정부로 보내어 측정하였다. 채널 내를 흐르는 액체유량과 기체유량의 측정은 열교환기에서 2상 유체를 응축시킨 후 전체 유량과 열정산에 의해 계산된 건도로부터 구하였다. Fig.
유량계측장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다. 측정의 정확도를 높이기 위하여 한곳의 온도를 4개의 열전대로 동시에 측정하였다. 냉매 입출구에서 절대 압력도 측정되었다.
이를 위하여 항온 칠러를 사용하여 응축액의 과냉도를 조절하였다. 평판관 채널을 흐르는 유량은 밸브를 조작하여 시험부를 흐르는 유동을 유량측정부로 보내어 측정하였다. 채널 내를 흐르는 액체유량과 기체유량의 측정은 열교환기에서 2상 유체를 응축시킨 후 전체 유량과 열정산에 의해 계산된 건도로부터 구하였다.
011 (0℃에서)로 공기-물의 값보다 9배 가량 크기 때문에 나타나는 현상으로 동일한 질량유속과 건도 일지라도 유동양식은 현저히 다를 수 있다. 평판관이 헤더에 삽입되지 않는 세가지 유입방향(parallel inlet, normal inlet, vertical inlet)에 대하여 냉매 유량분배 특성을 비교하였다.
8 mm 핏치의 평판관 (10개)으로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC를 가공하여 제작 하였다. 헤더 하부에는 평판관이 삽입될 수 있도록 알루미늄 블록을 장착하였고 알루미늄 블록과 헤더 사이에는 O-ring을 장착하여 기밀을 유지하였다.

대상 데이터

그들은 유량분배가 질량유속과 건도에 따라 크게 달라진다고 보고하였다. Vist and Pettersen⁽⁶⁾은 직경이 다른 두 개의 수평 원형헤더(내경 8 mm와 16 mm)에 내경 4 mm의 수직 원형 분지관이 10 개 장착된 시험부에서 R-134a를 사용하여 분지 실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류에 대하여 수행되었고 질량유속은 124～836 kg/m²s 건도는 0～0.
3에는 시험부의 상세도를 나타내었다. 시험부는 실제 평판관 열교환기를 모사하여 내경 17 mm의 상하부 헤더와 9.8 mm 핏치의 평판관 (10개)으로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC를 가공하여 제작 하였다.
Vist and Pettersen⁽⁶⁾은 직경이 다른 두 개의 수평 원형헤더(내경 8 mm와 16 mm)에 내경 4 mm의 수직 원형 분지관이 10 개 장착된 시험부에서 R-134a를 사용하여 분지 실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류에 대하여 수행되었고 질량유속은 124～836 kg/m²s 건도는 0～0.5까지 변화되었다. 헤더 입구에서의 유동은 높은 질량유속을 제외하고는 성층류이었다.
⁽⁵⁾은 내경 20 mm의 수평 원형헤더와 4 개의 내경 6 mm 수직 원형 분지관에 대하여 R-11을 사용하여 상향류 분지 실험을 수행하였다. 실험은 질량 유속 40～120 kg/m²s, 건도는 0～0.4 범위에서 수행되었고 헤더 입구의 유동 형태는 성층류이었다. 그들은 유량분배가 질량유속과 건도에 따라 크게 달라진다고 보고하였다.
열교환기의 유동은 대향류로 구성되며 채널간 유량 변화에 따른 광범위한 열부하를 감당할 수 있도록 항온 칠러를 이용하여 냉각수의 유량과 온도를 조절하였다. 유량계측장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다. 측정의 정확도를 높이기 위하여 한곳의 온도를 4개의 열전대로 동시에 측정하였다.

성능/효과

(1) 측면유입과 수직유입의 액체분배는 유사하게 나타났으며, 높은 건도와 질량유속에서 측면 유입이 다소 분배가 좋은 것으로 나타났다.
(2) 평행유입의 액체분배가 가장 안 좋은 것으로 나타났으며 대부분의 액체가 헤더의 전방부에 공급되고 후방부에는 거의 공급되지 않았다.
(3) 측면유입의 경우 측면으로 유입된 액체가 헤더의 옆 벽면에 부딪힌 후 벽면을 타고 후방으로 전달되고 수직유입은 상부로부터 공급된 액체가 하부 벽면에 부딪힌 후 충돌 반력에 의하여 후방까지 공급되어 유량 분배가 개선되는 것으로 판단된다.
(4) 모든 입구 형상에서 질량유속이 증가할수록 액체분배가 좋게 나타났다.
⁽⁸⁾은 원형헤더와 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에서 물-공기를 사용하여 유동방향(parallel inlet, normal inlet, vertical inlet)에 따른 분배 영향을 검토하였다. 수직 유입 형상이 가장 분배가 좋았으며 측면 유입이 수직유입에 비해 다소 분배가 안 좋은 것으로 나타났다. 평행류 유입의 경우 수직, 측면 유입에 비해 확연히 유동 분배 불균형을 나타내었다.
평행유입은 유입 액체의 대부분이 2번 채널에 공급되고 측면과 수직유입에 비해 유량분배가 불균형하게 나타났다. 질량유량이 130 kg/m²s로 높아지면 표준편차는 측면유입이 0.88, 수직유입이 1.02, 평행 유입이 1.58로 측면 유입의 유량 분배가 가장 좋게 나타났다. 이러한 결과는 Kim et al.
낮은 질량유량 70 kg/m²s에서 측면과 수직유입의 유량분배는 거의 유사하게 나타났다. 평행유입은 유입 액체의 대부분이 2번 채널에 공급되고 측면과 수직유입에 비해 유량분배가 불균형하게 나타났다. 질량유량이 130 kg/m²s로 높아지면 표준편차는 측면유입이 0.
Table 1에 액체 유량비의 표준편차를 나타냈다. 평형유입의 표준편차가 가장 크고 높은 건도와 질량유속을 제외하고는 측면유입과 수직유입이 유사하게 나타났다. 모든 입구 형상에서 질량 유속이 증가 할수록 표준편차는 감소한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

알루미늄 평판관 열교환기는 무엇으로 구성되어 있는가?

알루미늄 평판관 열교환기는 루버휜과 평판관으로 구성된다. 공기는 루버휜 사이를 흐르고 냉매는 수력직경 1～2mm의 다채널 평판관 내로 흐른다.

알루미늄 열교환기에서 여러 개의 평판관이 하나의 패스로 구성되어 있는 이유는 무엇인가?

알루미늄 열교환기는 여러 개의 평판관이 하나의 패스로 구성된다. 이는 작은 유동 단면적을 갖는 단일 관으로 냉매회로를 구성하면 압력손실이 너무 커지게 되므로 다수의 평판관으로 분지함으로써 관내 압력손실이 과대해지는 것을 막기 위함이다. 이 경우 각각의 평판관에 균일하게 냉매를 분배하는 것이 중요하다.

증발기에서 채널마다 증기와 액체가 균일하게 분배되는 것이 중요한 이유는 무엇인가?

응축기에서는 증기가 응축하기 때문에 채널마다 증기와 액체의 비율이 다를지라도 전열성능에 미치는 영향은 그렇게 심각하지 않다. 하지만 증발기에서는 채널 벽면이 액막으로 덮여 있어야만 증발이 제대로 일어나게 되므로 채널마다 증기와 액체가 균일하게 분배되는 것이 중요하다.

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