[논문]2상 유동 상태의 냉매가 흐르는 배관의 소음 예측을 위한 소음 선도 개발

김민성; 한형석; 정의봉

2상 유동 상태의 냉매가 흐르는 배관의 소음 예측을 위한 소음 선도 개발
Development of noise pattern map for the prediction of refrigerant-induced noise in the pipe with two-phase flow 원문보기

김민성 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 한형석 (국방기술품질원 함정센터) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부)

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문제 정의

본 연구에서는 냉매공급장치를 이용하여 다양한 2상 유동양식을 구현하고 그에 따른 소음을 측정하였다. 측정된 실험데이터로 부터 근사식을 구하고, 이를 바탕으로 소음선도를 개발하였다.
그러므로 소음측면에서 2상 상태의 냉매가 흐르는 배관에 대한 설계를 위해서는 소음예측을 위한 소음선도에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 수직 배관에서 2상 상태의 냉매유동에 의한 소음발생정도를 예측할 수 있는 소음선도를 개발하고자 한다.

제안 방법

그리고 유량계를 이용하여 싸이클에 흐르는 유량을 측정하였으며 팽창 밸브로 유량을 조절하였다. 그리고 열량를 가할 수 있는 챔버를 별도로 설치하여 건도값을 변경하였다.
냉매공급장치는 크게 주 싸이클과 보조 싸이클로 이루어져 있으며 보조 싸이클을 이용하여 주싸이클의 고압 및 과냉도를 조절하였다. 그리고 유량계를 이용하여 싸이클에 흐르는 유량을 측정하였으며 팽창 밸브로 유량을 조절하였다. 그리고 열량를 가할 수 있는 챔버를 별도로 설치하여 건도값을 변경하였다.
이러한 데이터베이스 구축을 위해서 특정 싸이클 조건을 연속적으로 운전할 수 있는 냉매공급장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 냉매공급장치는 크게 주 싸이클과 보조 싸이클로 이루어져 있으며 보조 싸이클을 이용하여 주싸이클의 고압 및 과냉도를 조절하였다. 그리고 유량계를 이용하여 싸이클에 흐르는 유량을 측정하였으며 팽창 밸브로 유량을 조절하였다.
실험에 사용된 냉매는 R600a이다. 다양한 싸이클 조건 및 관경크기에 대한 데이터 베이스 확보를 위하여 저압 온도는 10~-5℃, 유량은 1.3~5.2 kg/hr 그리고 건도는 0.1~0.7 범위에서 실험을 수행하였다. 그리고 내경이 3.
0mm 인 배관을 사용 하였다. 매 실험마다 싸이클 정보를 획득함과 동시에 유동양식을 관찰하고 소음을 측정하였다.
이러한 냉동 싸이클 조건 변화에 따른 유동양식을 사이트 글라스를 통해 관찰하고 그에 따른 소음을 측정하였다.
2상 유동에 의한 소음선도 개발을 위해서는 이를 위한 데이터베이스가 필요하다. 이러한 데이터베이스 구축을 위해서 특정 싸이클 조건을 연속적으로 운전할 수 있는 냉매공급장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 냉매공급장치는 크게 주 싸이클과 보조 싸이클로 이루어져 있으며 보조 싸이클을 이용하여 주싸이클의 고압 및 과냉도를 조절하였다.
소음선도개발을 위해서 Taitel & Dukler의 유동 양식지도에서 사용된 기체 쿠타테라제수와 마티넬리 수를 사용하였다. 측정 및 계산된 유량, 저압, 건도 등의 정보와 관경 크기 그리고 R600a의 물성치를 이용하여 쿠타테라제수(Ku_g)와 마티넬리수(X)를 계산하였다. 쿠타테라제수와 마티넬리수에 대한 수식은 아래와 같다.
본 연구에서는 냉매공급장치를 이용하여 다양한 2상 유동양식을 구현하고 그에 따른 소음을 측정하였다. 측정된 실험데이터로 부터 근사식을 구하고, 이를 바탕으로 소음선도를 개발하였다. 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
쿠타테라제수와 마티넬리수에 대응되는 소음값을 이용하여 회귀 분석을 통한 근사식을 구하였고, 이를 바탕으로 소음선도를 개발하였다.

대상 데이터

7 범위에서 실험을 수행하였다. 그리고 내경이 3.56mm, 8.0mm 인 배관을 사용 하였다. 매 실험마다 싸이클 정보를 획득함과 동시에 유동양식을 관찰하고 소음을 측정하였다.
소음선도개발을 위해서 Taitel & Dukler의 유동 양식지도에서 사용된 기체 쿠타테라제수와 마티넬리 수를 사용하였다.
실험에 사용된 냉매는 R600a이다. 다양한 싸이클 조건 및 관경크기에 대한 데이터 베이스 확보를 위하여 저압 온도는 10~-5℃, 유량은 1.

성능/효과

(1) Taitel & Dukler가 제안한 유동양식선도와 개발된 소음선도의 천이영역을 비교해 보았을 때, 유동양식선도에서 환상류로 천이되었어도 소음측면에서는 구간에 따라 소음이 크게 나타날 수 있음을 알 수 있다.
(2) 유동양식이 간헐류인 영역에서, 비교적 속도가 느린 슬러그류 같은 경우에는 소음레벨이 낮은 것을 알 수 있다.
(3) 소음선도를 이용하여 실제 냉장고 운전조건에서의 소음을 예측해본 결과 소음이 큰 영역에 있음을 알 수 있었고 내경크기, 건도 그리고 유량값을 바꾸면 소음이 줄어들 것으로 예측되었다.

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