제 4 장 결과 및 고찰
제 1 절 서리성장에 따른 증발기 성능예측 모델 검증
Fig. 4.1은 본 연구에서 설계한 열교환기에 Xia and Jacobi(2010)이 제안한 상관식 을 적용한 이상(two-phase)상태에서 건도에 따른 이산화탄소 냉매의 열전달계수 변 화를 나타내고 있다. 본 연구에서는 초기의 냉매 건도가 0.1로 유입되도록 설정하 여 해석을 수행하였다. 냉매의 질량유속이 222.6 kg/m2s로 일정하게 냉매가 유동할 때 건도가 증가함에 따라 간헐류와 환상류에서 열전달계수가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 성층-파형류와 드라이아웃이 발생하면서 열전달계수는 감소하 였으며, 분무류에서는 약 0.3 kW/m2K로 매우 낮은 열전달계수 값이 나타났다.
Fig. 4.2는 시간에 따른 핀과 관 표면에서의 서리서장 변화를 보여주고 있다. 시 간이 경과함에 따라 서리두께가 증가하는 경향이 나타났으며, 서리 성장률은 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 주어진 조건에서 증발기의 냉매 건도가 약 0.74에 서 서리두께가 감소하는 경향이 나타나는데 이는 이산화탄소 냉매가 환상류에서 성층-파형류와 드라이아웃이 발생하면서 공기와의 열전달이 감소하기 때문이다. 또 한 건도가 0.88일 때 시간에 상관없이 서리두께가 0이 되는데 이는 증발기로 유입 되는 냉매의 입구조건을 시간과 상관없이 동일한 값으로 해석하였기 때문이다.
Fig. 4.3은 시간에 따른 공기측 유동면적의 블록비(block ratio)를 나타내고 있다.
블록비는 전체 공기측 유동면적당 서리성장에 의해 감소한 유동면적으로 다음과 같이 표현된다.
(4-1)
시간이 경과함에 따라 블록비는 감소하는 경향을 보이는데 이는 Fig. 4.3에서 볼 수 있듯이 시간이 지날수록 서리두께가 증가하고 이에 유동면적이 감소하기 때문이다.
또한 건도가 증가함에 따라 열교환기에서 공기측 블록비가 감소하는데 이는 냉매 측 압력강하에 의해 공기와의 열교환하는 냉매의 온도가 점점 감소하기 때문이다.
Fig. 4.4는 본 연구에서 설계한 모델과 Xia and Jacobi(2010)의 성능해석 결과 값 을 비교·분석하기 위해 시간에 따른 이산화탄소 증발기의 냉방용량 변화를 보여 주고 있다. 시간이 경과함에 따라 본 연구에서 설계한 모델과 #2의 냉방용량은 각 각 27.9%와 21.8% 감소하였다. 또한, 냉방용량이 평균 약 0.67 kW정도 차이가 나는 데 이는 열교환기 사양 및 체적비가 약 3.2배정도 차이가 날뿐만 아니라 Xia and Jacobi(2010)의 관 안쪽의 냉매를 에틸알코올(ethyl alcohol)을 사용한 것에 반해 본 연구에서 설계한 모델의 경우 이산화탄소를 사용하여 두 냉매의 열전달계수 값의 차이로 인하여 냉방용량 차이가 크게 나타나는 것으로 판단된다. 냉방용량의 차이 를 제외하고 Fig. 4.4에서 볼 수 있듯이 시간이 경과함에 따라 냉방용량 감소율 및 경향성이 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0
100 200 300 400 500 600 700
S
SW+SLUG SW
M A D
I B
Mass velocity (kg/m2 s)
Vapor quality
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
G hco2
Heat transfer coefficient (kW/m2 K)
Fig. 4.1 The CO2 flow pattern map for the present model.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
F ro st t h ic kn es s (m m )
Vapor quality
Time (min) 20 40 60 80 100 120
Fig. 4.2 Comparison of frost thickness with vapor quality.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0
0.3 0.6 0.9 1.2
B lo ck r at io
Vapor quality
Time(min) 20 40 60 80 100 120
Fig. 4.3 Comparison of block ratio with vapor quality.
0 20 40 60 80 100 120
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Present model
#2(Xia and Jacobi(2010)) Condition A
Tref,in=-10oC T
air,in=-1oC RHair,in=80% Vair,in=1.0 m/s
C o o lin g c ap ac it y (k W )
Time (min)
Fig. 4.4 Comparison of cooling capacity with time.