넓은 환산압력 범위에서 적용가능한 응축열전달계수와 압력강하 모델개발 및 적용

김영찬,Ajayi, A. Samuel,윤린 대한설비공학회 2023 설비공학 논문집 Vol.35 No.11

본 연구에서는 0.1에서 0.97의 비교적 넓은 환산압력범위에서 적용가능한 관내 측 응축열전달계수와 압력강하모델 개발하였고, 이를 향후 중소기업 등 열교환기 설계에 활용하고자 오픈소스형태로 이상유동 열전달계수와 압력강하 예측 툴을 Python을 이용하여 개발하였다. 본 연구를 요약하면 다음과 같다. (1) 응축 열전달계수의 모델개발을 위해 총 966개의 데이터를 수집하였고, 압력강하를 위해서는 총 678개의 데이터를 수집하였다. 모델 개발에 활용된 냉매는 최근 널리 친환경 냉매로 사용되는 HFO계열과 HFC계열, 그리고 자연냉매인 CO2이다. (2) 응축열전달계수의 예측을 위해 Akers et al.(4) 상관식, Cavallini and Zecchin(14) 상관식, Dobson and Chato(15) 모델을 적용하였고, 각각 ±36%, ±68.8%와 그리고 ±67.7%의 오차를 나타냈다. 이는 각각의 상관식이 높은 환산압력을 고려하지 못하고, HFO 계열의 열 및 전달물성을 고려하지 않은 결과로 판단된다. 가장 오차가 낮은 Akers et al.(4) 모델을 기반하여 환산압력에 따라 계수를 달리하는 방법으로 응축열전달 상관식을 개발하였고, 오차는 ±24.6%로 낮출 수 있었다. (3) 넓은 환산압력 범위에서 관내 측 응축 시 압력강하의 예측을 위해 비교적 널리 활용되는 기존모델 적용했을 때 그 오차가 모두 ±50% 이상을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서는 넓은 환산범위에서 적용가능한 응축압력강하 모델을 그 활용도를 높이기 위해 비교적 단순한 형태로 개발하여 환산압력이 0.5 이상인 경우에 대해서는 ±15.7%로 총 ±29.2%의 오차율을 나타냈다. (4) 본 연구에서는 넓은 환산범위에서 활용가능한 응축열전달계수와 압력강하상관식을 보다 쉽게 활용 가능할 수 있도록 Python을 활용하여 오픈소스형태로 개발하였고 향후 웹을 통해 공개할 상변화가 발생하는 열교환기나 화학공정을 설계하는 중소기업에서 활용되기를 기대한다.

채널 간극 및 개수에 따른 판형 응축기의 열전달면적 및 압력강하 분석

김준성,김유택,김도엽 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.6

Recently, power generation technology using an organic Rankine cycle has attracted attention as an alternative method of fossil fuels. Using a plate heat exchanger is effective at miniaturizing the organic Rankine cycle. The channel distance and number of channels in the plate heat exchanger are variables that directly affect the heat transfer area and pressure drop. Accurate prediction during the design step of the thermodynamic cycle is crucial because the pressure drop is a factor that reduces the efficiency of the cycle. In this study, suitable heat transfer and pressure drop models for a plate-type condenser of an organic Rankine cycle were selected and an algorithm was developed to simultaneously calculate heat transfer and pressure drop. The developed algorithm was verified based on the results of the reference literature. Verification results indicated that the developed algorithm has sufficient reliability. Using the validated algorithm, a study was then conducted to improve the pressure drop of an experimental plate-type condenser of Kim et al. Results revealed a pressure drop of less than 3% to the inlet pressure of the condenser could be expected when the channel distance was 1.6mm or more and the number of channels was 93 or more. 최근 화석연료의 대체방안으로 유기랭킨사이클을 이용한 발전기술이 주목받고 있다. 판형 열교환기를 사용하는 것은 유기랭킨사이클의 소형화에 있어 효과적이다. 판형 열교환기의 채널 간극과 채널 개수는 열전달면적 및 압력강하에직접적인 영향을 미치는 변수이다. 압력강하는 사이클의 효율을 감소시키는 요소이므로 열역학적 사이클의 설계단계에서 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 유기랭킨사이클용 판형 응축기에 대한 적합한 열전달 및 압력강하모델을 선정하고, 열전달 및 압력강하를 동시에 연산할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 참고문헌의연구결과를 기준으로 검증하였다. 검증결과는 개발된 알고리즘이 충분한 신뢰성을 갖는 것으로 나타내었다. 검증을 마친알고리즘을 이용하여, Kim 등의 실험용 판형 응축기의 압력강하 개선을 위한 연구를 수행하였다. 그 결과, 채널 간극이1.6mm 이상, 채널 개수가 93개 이상에서 응축기의 입구압력 대비 3% 이내의 압력강하를 기대할 수 있었다.

Low GWP 냉매의 응축열전달 및 압력강하 특성

손병훈(Byung Hoon Shon),강용태(Yong Tae Kang) 대한설비공학회 2015 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2015 No.11

동일한 유입온도조건에서 R134a와 R22 적용 응축기의 특성비교

강신형,김창덕,변주석 한국에너지학회 2006 에너지공학 Vol.15 No.3

본 연구에서는 상용 냉동·공조기기에서 사용하고 있는 휜-관 열교환기에서 R22와 이의 대체냉매로 채용하고 있는 R134a의 압력강하와 열전달 특성에 대해 실험적으로 연구하였다. 실험은 입구온도 60oC, 질량유량 150, 200, 250 kg/m2s의 범위에 대해 수행하였다. 이때 공기의 유입조건은 건구온도 35oC, 상대습도 40%, 공기유속은 0.68~1.6 m/s이다. 실험 결과 응축기 출구의 과냉도를 5oC로 유지한 경우 R134a의 필요공기유속은 R22보다 5.9% 작게 나타났으며, R134a의 압력강하는 R22보다 18.1~20.4%의 범위 내에서 크게 나타났다.

응축기의 설계조건에서 R22와 R134a의 압력강하 예측 및 실험

강신형,김창덕,변주석 한국에너지학회 2006 에너지공학 Vol.15 No.4

본 실험적 연구는 슬릿휜-관열교환기의 냉매측 압력강하에 대하여 수행하였다. 응축기의 설계조건에서 미세휜관내 냉매 R22와 R134a의 압력강하에 대한 실험데이터와 앞서 제안한 상관관계식과 상호 비교하였다. 실험은 냉매 R22와 R134a의 응축기 입구온도 60oC, 질량유속 150~250 kg/m2s 범위에서 수행하였다. 공기의 유입조건은 건구온도 35oC, 상대습도 40%이며, 공기유속의 범위는 0.68~1.43 m/s이다. 실험결과 응축기의 과냉도 5oC조건에서 R134a의 압력강하는 R22보다 22~25.6% 높게 나타났으며, 냉매의 질량유속 200~250 kg/m2s의 범위에서 실험으로부터 측정한 R22와 R134a의 압력강하는 예측결과와 ?20%내에 일치하였다.

냉매 R717과 HRC134a를 작동유체로 이용한 냉동장치의 성능특성에 관한 연구

김성배,김병철,하옥남 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2007 機械技術硏究 Vol.10 No.1

Nowadays HCFCs refrigerants are restricted because it causes the depletion of ozone layer. However, natural gases such as ammonia as an organic compound, propane and propylene as hydrocarbon are easy and cheap to obtain as well as environmental. Accordingly, this experiment apply the R717 and HFC134a to study the performance characteristic from the superheat control and compare the energy efficiency of two refrigerants from the high performance. The condensing pressure of refrigeration system is increased from 15bar to 16bar and degree of superheat is increased from O℃ to 5℃ at each condensing pressure. As the result of experiment, when comparing the each COP, we knew the R717 is suitable as the alternative refrigerant of the HFC134a.

R134a 냉동장치의 과열도 변화에 의한 성능 특성 연구

김성배,하옥남 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2007 機械技術硏究 Vol.10 No.1

Since the use of CFCs and HCFCs refrigerants are to be restricted due to the depletion of ozone layer, this experiment applies the R134a gas to study the performance characteristic from the superheat control for improving the energy efficiency. The experiments are carried out for the condensing pressure of refrigeration system from 1.5MPa to 1.6MPa by 0.05 MPa and for superheat temperature from O℃ to 5℃ by 1℃ at each condensing pressure. As a result of experiment, when the superheat temperature is 1℃ at each condensing pressure, the refrigeration system has the highest performance.

열교환기 구조 변화에 따른 NH₃와 R22의 성능특성연구

하옥남,하경수,이승재,정송태 한국공작기계학회 2005 한국공작기계학회 춘계학술대회논문집 Vol.2005 No.-

Nowadays HCFCs refrigerant are restricted because it cause depletion of ozone layer. However, natural gases such as ammonia as an organic compound, propane and propylene as hydrocarbon are easy and cheap to obtain as well as environmental. Accordingly, this experiment apply the NH3 and R22 to study the performance characteristic from the superheat control and compare the energy efficiency of two refrigerants from the high performance. The condensing pressure of refrigeration system is increased from 15bar to 16bar and degree of superheat is increased from 0 to 10℃ at each condensing pressure. As the result of experiment, when comparing the each COP, we knew the NH₃ is suitable as the alternative refrigerant of the R22.

나노입자를 포함한 자연냉매의 마이크로 휜관 응축 열전달 특성

이호생 한국동력기계공학회 2008 동력시스템공학회지 Vol.12 No.3

This paper deals with the heat transfer and pressure drop characteristics of R-290 (Propane),R-600a (Iso-butane) and (Propylene) as an environment friendly refrigerant and R-2 as a HCFC's refrigerant for condensing. The test section is a horizontal double pipe heat exchanger. Condensing heat transfer and pressure drop measurements were performed for 12.70 mm micro-fin tube and compared with the results in smooth tube. The local condensing heat transfer coefficients of hydrocarbon refrigerants superior to those of R-22 and the maximum increasing rate of heat transfer coefficient was found in R-600a. The average condensing heat transfer coefficients in hydrocarbon refrigerants showed 20 to 28% higher values than those of R-22. Hydrocarbon refrigerants have a higher pressure drop than that of R-2 with respect to refrigerant quality and mas flux. Also, the heat transfer coefficient and pressure drop of working fluids in smooth and micro-fin tube were compared. The heat transfer enhancement factor (EF) between smooth and micro-fin tube varied from 2.2 to 2.6 in all experimental conditions.

열교환기 구조 변화에 따른 NH₃와 R22의 성능특성연구

하옥남(Ok-Nam Ha),하경수(Kyung-Soo Ha),이승재(Seung-Jae Lee),정송태(Song-Tae Jeong) 한국생산제조학회 2005 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2005 No.5

Nowadays HCFCs refrigerant are restricted because it cause depletion of ozone layer. However, natural gases such as ammonia as an organic compound, propane and propylene as hydrocarbon are easy and cheap to obtain as well as environmental. Accordingly, this experiment apply the NH₃ and R22 to study the performance characteristic from the superheat control and compare the energy efficiency of two refrigerants from the high performance. The condensing pressure of refrigeration system is increased from 15bar to 16bar and degree of superheat is increased from 0 to 10℃ at each condensing pressure. As the result of experiment, when comparing the each COP, we knew the NH₃ is suitable as the alternative refrigerant of the R22.