에너지변환공학 냉장고 열교환기 고효율 및 소형화 기술개발 2010.11.23 신상환.

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1 에너지변환공학 냉장고 열교환기 고효율 및 소형화 기술개발 신상환

2 연구배경/ 목표 연구배경 목표/내용 냉장고 시스템에서 열교환기 고효율화 및 소형화를 통해 비용절감, 냉매 충진량 감소 가능
마이크로 채널 튜브 열교환기의 적용으로 성능 향상 및 소형화 가능 목표/내용 개발목표 1차년도 연구에서는 열전달 촉진기술 및 적용 가능성 평가를 위해 핀 형상, 냉매유로, 표면처리, 튜브형상 및 재질 등의 방법을 연구 하여, 각 방법 적용시 문제점 및 제한성에 대해 판단하였고, 냉장고 열교환기 성능 향상을 위해 마이크로 채널 튜브 열교환기 적용 시 성능 향상 및 공기측 압력강하 감소 예측 결과를 도출하였다. 본 2차년도 과제에서는 냉장고 증발기용 New type micro-channel 열교환기를 제작하여 열교환기의 소형화 및 소형화 열교환기의 냉장고 적용 방안을 도출하고자 한다. 연구 후 성과물 - 1차년도 : 열전달 촉진 기술 및 적용 가능성 평가 - 2차년도 : 열교환기 샘플 제작 / 성능 평가 및 냉장고 세트 적용 1 차년도 세부 과제내용 1. 선행연구 분석을 통한 성능 향상 방안 도출 2. 마이크로 채널 튜브 열교환기 적용성 평가 3. Coildesigner상용 프로그램을 이용한 열교환기 설계 2차년도 세부 과제내용 1. 성능 평가 장치 구축 2. 동일성능 소형화 열교환기 샘플 제작 3. 열교환기 성능 평가 및 냉장고 세트 적용

3 Basic Science 냉동이란? 냉동 정의 방법 어떤 물체의 온도를 주위온도 보다 낮게 인위적으로 낮게 유지 시키
는 방법을 넓은 의미에서 냉동(Refrigeration)이라 한다. 냉각(Cooling), 동결(Freezing), 냉방, 냉장 . . . Cooler, Chiller, Refrigerator, Freezer . . . 방법 자연적(일시적)인 냉동법 : 외기냉방, Pre Cooling 기계적(연속적)인 냉동법 : 냉동기(Refrigerator)

4 Basic Science 냉매의 상태변화와 p-h선도 냉매가 냉동장치에 의하여 연속적으로 액으로 증기로 끊임없이 순환하는 것
증발기에서 냉매가 증발함으로 해서 냉각작용 냉동작용하고 난 저압의 냉매증기는 다시 압축기로 흡입 냉매의 상태변화와 p-h선도

5 Basic Science 냉장고 기본 구조 냉장고 냉동 원리 증발기의 역할 응축기 압축기
기체 냉매를 고온, 고압의 기체로 압축함 응축기 고온, 고압의 기체가 응축기를 지나는 동안 열을 방출하여 액화됨 모세관(팽창밸브) 저온, 고압의 액체가 모세관을 통과하여 압력이 낮아짐 증발기 저온, 저압의 냉매가 기화하면서 열을 빼앗아 냉장고 안의 온도가 급격히 내려감 증발기의 역할 냉동실 주위에 증발기가 설치 되어 있음 증발기를 빠져나온 냉기는 냉동실과 냉장실에 공급되면서 고내 온도 조절 (간접식 냉각) 증발기는 고내 온도 유지, 고내 습기 제거 역할 Ref. 송길영, ‘100만인의 전기상식 알기 쉬운 전기의 세계’,동일출판사, 2004

6 마이크로 채널 열교환기 제작 핀-관 열교환기 튜브 단면 마이크로채널 튜브 단면 마이크로 열교환기 완성 후 정면 모습
핀-관 열교환기 정면 모습

7 증발기 해석 결과 정리 주요 형상 Round tube Micro channel tube 비고 W*H*D (mm) 270 * 540 * 60 270 * 496 * 23.4 체적감소 64.2% FPI 4.6 Number of rows 18 9 Number of column 2 단위체적당 성능 (W /cm3) 냉매측 압력손실 (kgf/cm2) 공기측 압력손실 (Pa) Round tube Micro channel tube 해석 0.017 0.047 0.04 0.15 271 8 비교 (Round tube 기준) 단위체적당 약 2.8 배 향상 압력강하 3.7 배 증가 공기측 압력강하 33 배 감소 마이크로 채널 열교환기의 경우 두께 감소 폭 큼. 마이크로 채널 열교환기 적용시, 단위 체적당 약 2.8배 성능 향상 냉매측 압력 손실 약 3.7배 증가 / 공기측 압력 강하 33배 감소 → 실험적으로 검증 필요 (냉장고 조건 / 냉매(R600a) / MC tube HEX)

8 마이크로 채널 튜브 열교환기 적용 마이크로채널 열교환기는 채널의 크기가 작아지고 채널의 수가 늘어날수록 단위체적당 큰 전열면적을 가지므로 기존의 매크로(macro) 단위의 열교환기와 비교하여 우수한 성능을 보이며, 소형화 및 경량화가 가능 < 원형관 튜브 > 하만영 교수 실험실 보유 결과 < 원형관의 열전달 해석 > < 마이크로채널의 열전달 해석 > 원형관 열교환기 마이크로채널 열교환기 < 마이크로채널 튜브 > ※ 마이크로채널 열교환기의 특징 열전달 성능이 뛰어남 (원형관 대비 20% 이상) - 수력직경이 작음 - 공기 흐름 특성이 우수 열교환기의 소형화, 경량화가 가능 - 열전달 성능이 높기 때문에 소형으로 제작가능 냉매 충전량이 적음 - 기존 Fin tube HEX 보다 내부 유동체적이 작음 실험실 보유 결과 < 에어컨용 열교환기 성능비교>

9 Basic Science . 대류 열전달 고체면과 인접한 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는 열전달 Tw T∞
                                                                                                                                               Basic Science 대류 열전달 고체면과 인접한 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는 열전달 Tw T∞ Fluid Flow hconv 여기서, h : 대류열전달계수 (kcal/m2 ㆍhr ㆍ˚C) A : 열전달 면적 (m2) T∞ : 온도경계층을 벗어난 점에서의 유체온도 (˚C) Tw : 평판표면온도 (˚C)

10 실험장치 및 측정방법 실험장치 규격 <송풍기> <냉각기> <공조용 챔버> <습도계>
공기출구온,습도 공기입구온,습도 공기유속 냉매입출구 온도 실험장치 및 측정방법 <송풍기> <냉각기> <공조용 챔버> 실험장치 규격 범 위 정도 공기온도 -20 ~ 80 ℃ ± 0.2 ℃ 공기속도 0 ~ 4.0 m/s ± m/s 공기습도 30 ~ 95 RH% ±3 RH% 열교환기 냉매측 입구온도 0 ~ -30 ℃ ± 1 ℃ 열교환기 입출구 온도차이(△T) 2 ℃ 이하 - <습도계> <풍속계>

11 열교환기 성능 평가 실험장치 사진 공기출구 냉매출구 공기입구 냉매입구 공기 출구측 온습도 측정
공기 출구측 온습도 측정 (온도12개소,습도1개소 실시간 측정) 공기입구 공기출구 냉매출구 냉매입구

12 = Basic Science Energy balance 계산 방법 Q : heat transfer rate
냉매 측 열전달량 공기 측 열전달량 = 5% 이내 만족 Heat balance (%) = Q : heat transfer rate m : mass flow rate cp : specific heat T : temperature h : enthalpy ref : refrigerant sen : sensible heat lat : latent heat 목표조건 공기온도 냉매온도 공기습도 조건 1 (성능) 20℃ 5℃ 30% 조건 2 (착상) -20℃ 70%

13 Qsen 계산 <측정값> <평균값>
입구 온도에 비해 출구 온도 편차가 심하기 때문에 12 point를 측정하여 평균값을 취함 선행연구에서는 공기 측 출구 부에 mixing fan을 설치하여 공기를 혼합

14 Qlat 계산 <측정값> <계산값> 측정값 : 공기 측 입출구 상대습도, 온도
온도를 대입하여 계산 <측정값> <계산값> 측정값 : 공기 측 입출구 상대습도, 온도 EES 프로그램을 이용하여 상대습도와 온도로 엔탈피 도출

15 Qloss 계산 공기 측 입 출구 온도에 따른 heat loss 계산 후 식 도출 공기 입구 온도 : 5℃
냉매 입구 온도 : -5, -10, -15, -20 ℃

16 energy balance 검증 공기 입구 온도 : 20℃ 냉매 입구 온도 : 5 ℃ 공기 입구 습도 : 30%
공기 입구 유속 : 1.5 m/s 총 5회 반복 실험에서 Energy balance 5% 이내 만족

17 착상조건하에서 핀-관 열교환기 성능, 공기측 압력강하량 평가
열교환기 성능평가 방법 착상조건하에서 핀-관 열교환기 성능, 공기측 압력강하량 평가 총 에너지 열전달률은 착상이 일어나면서 22% 감소(567W → 443W) 공기측 압력강하는 서리층의 성장으로 인한 공기유동에 대한 차단 효과를 나타냄 압력강하량↑ 공기유량↓ 열교환기 성능↓

18 Basic Science 실제 냉장고내 증발기 착상현상 가시화 착상에 의한 시스템의 성능 저하

19 Basic Science 착상이란? 습공기가 0 ℃ 이하의 낮은 온도로 유지되는 냉각면과 접할 때,
냉각면에 다공성의 서리층이 형성되는 현상

20 Basic Science 제상이란? 제상방법 전열방식(electric heater) 고온 가스(hot gas)방식
착상으로 인하여 열교환기의 성능이 저하되므로 주기적으로 서리층을 제거하는 작업 제상방법 전열방식(electric heater) 고온 가스(hot gas)방식 역 사이클 방식(heat pump) 기계적 제거 방식 제상 시기 결정 방법 시간 제상 제어 시간-온도 제상 제어 압력 강하 제상 제어 전열방식 전기히터가 증발기 내부나 주위에 설치되어 가열되면서 증발기 표면에 형성된 서리를 녹임 압축기를 정지시킨 후, 전기 히터 작동 모든 서리가 녹은 후 증발기 표면에 부착된 온도 감지를 통하여 제상 작업 종료

21 Basic Science 착상운전초기 착상운전중기 착상운전말기 제상운전

22 향후 과제 진행 방안_실험계획 냉장고 열교환기의 주 역할 : 고내 온도 유지 / 고내 습기 제거
냉장고 열교환기 소형화(동일성능) 냉장고 저장용량 증가 , 냉매 충진량 감소 가능 마이크로 채널 열교환기 적용으로 열교환기 소형화(동일성능)시 예상 문제점 및 실험계획 열교환기 체적 감소로 수분제거 역할 기능 감소 높은 열전달 성능과 소형화로 인한 착상의 문제점 크게 나타남 서리 제거를 위한 제상이 빈번하게 발생하여 고내 온도 상승 및 압축기 운전율 상승 소형화