Experimental study on Effects of POE oil on R134a Evaporation Heat Transfer in Plate Heat Exchanger

(1)

Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 3, pp. 255~262, 2014 255

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2014.38.3.255 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5234(Online)

판형열교환기에서 POE오일이 R134a 증발 열전달에 미치는 영향에 대한 실험적 연구

장영수^* · 장재규^** · 강병하^*** · 김석현^***†

*국민대학교 발효융합학과, ** 국민대학교 대학원 기계공학과, ***국민대학교 기계시스템공학부

Experimental study on Effects of POE oil on R134a Evaporation Heat Transfer in Plate Heat Exchanger

Young Soo Chang^*, Jae Kyoo Jang^**, Byung Ha Kang^*** and Sukhyun Kim^***†

* Dept. of Advanced Fermentation Fusion Science and Technology, Kookmin Univ.,

** Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School, Kookmin Univ.,

*** School of Mechanical Systems Engineering, Kookmin Univ.

(Received November 12, 2013 ; Revised January 2, 2014 ; Accepted January 3, 2014)

- 기호설명 - A : 전열면적 [m²] Cp : 정압비열 [J/kg·K]

Dh : 수력직경 [mm]

i : 엔탈피 [kJ/kg]

Nu : Nusselt 수 OCR : 오일 순환율 [%]

Pr : Prnadtl 수 Re : Reynolds 수

∆Tm : 대수평균온도차

U : 총괄 열전달계수 [W/m²K]

그리스문자

ρ : 밀도 [kg/m3]

μ : 점성 [Ns/m²] 하첨자

avg : 평균 ev : 증발

h : 열전달 계수

mix : 오일-냉매 혼합물

oil : 오일

Key Words: Plate Heat Exchanger(판형열교환기), POE Oil(POE 오일), Evaporation Heat Transfer Coefficient (증발열전달계수)

초록: 판형열교환기의 증발과정에서 오일에 위한 영향을 알아보기 위해 마이크로 기어 펌프를 이용한 냉매-R134a 순환 성능실험 장치를 구성하여, 증발열전달 실험을 수행하였다. POE 오일을 펌프를 이용하 여 냉매 질량 유량에 비례하도록 0∼5%를 첨가하여, 오일순환량에 따른 열전달계수 변화를 측정하였다.

오일순환율이 증가할수록 R134a 증발 열전달계수는 감소하며, 압력손실은 증가한다. 질량유량 80 g/s, 증 발 온도 30℃ 일 때, 오일 순환율 2%조건에서 무오일 대비 약 10%의 열전달계수가 감소하였고, 압력손 실은 약 10% 증가하였다.

Abstract: To investigate the effect of oil on evaporation heat transfer of plate heat exchanger, evaporation heat transfer experiment was carried out using experimental apparatus for micro gear pumped R134a-oil circulation. By varying oil circulation rate of POE oil from 0 to 5%, evaporation heat transfer performance of plate heat exchanger was investigated. As OCR(Oil Circulation Ratio) increases, the evaporation heat transfer coefficient of R134a decreases and pressure drop increases. When the evaporating temperature is 30℃ and the refrigerant mass flow rate is 80 g/s, evaporation heat transfer rate decreases by 10 % and pressure drop increases by 10% at 2% of OCR condition.

† Corresponding Author, [email protected]

(2)

256

r : 냉매 sat : 포화영역 sh : 과열영역

최근 냉동 도 열교환기 처음 실용화 되다가 1950 제작되면서 갖추게 되었다 판 형상 때문에 이러한 복잡한 열교환을 활성화 환기보다 높은

증기압축식 위해서 적당량의 내 마찰로 인한 연장시키며, 일은 대부분 냉매 유동을 다시 압축기로 합되어 냉동시스템을 을 감소시켜

다.⁽¹⁾ 따라서 해서는 냉동 른 열교환기에서 연구가 필요하다 Cho and Tae R-407C와 POE 발 열전달에 일순환량이 경우 19%

는 R22 경우 감소하는 것으로 2.50mm 직경의 오일 순환에 를 수행하였다 직경 2.50mm 다. Hu 등⁽⁴

POE 오일 혼합물의 서 건도 0.65 감소율이 크게

선행 연구들은 증발 열전달에

냉매 포화영역 과열영역

1.

냉동 공조 분야의 열교환기 중 하나인

실용화 되어 유제품의 1950년대에 세브론

오늘날과 같은 되었다. 판형열교환기는

때문에 복잡한 복잡한 내부유동은

활성화 시켜 높은 열전달 증기압축식 냉동시스템

적당량의 오일이 인한 마모를 , 소요동력을 대부분 압축기 내에

을 따라 냉동시스템 압축기로 돌아오게

냉동시스템을 순환하게 감소시켜 냉동시스템

따라서 이러한 현상을 냉동시스템 내로 열교환기에서 열전달

필요하다.

Cho and Tae⁽²⁾는 마이크로핀 POE 오일, 미네랄 열전달에 대한 실험적

5%이었을 19% 압력손실이

경우 평균 22.7%, R407 것으로 나타났다 직경의 튜브 내에서 순환에 따른 열전달 수행하였다. 오일에

2.50mm 튜브에서

4)은 마이크로핀 혼합물의 열전달 0.65 이상에서

크게 나타남을 연구들은 주로 열전달에 미치는

1. 서 론

분야의 관심을 하나인 판형열교환기는

유제품의 저온 세브론 타입의 같은 형태의 판형열교환기는 좁은

복잡한 내부유동을 내부유동은 판형열교환기

기존의 쉘-튜브 성능을 가지게 냉동시스템은 압축기를

오일이 필요하다.

마모를 방지하여 압축기의 소요동력을 감소시킨다

내에 존재하나 냉동시스템 내부를 돌아오게 된다. 오일이

순환하게 되면 시스템 전체의 성능을

현상을 정확하게 내로 순환하는

열전달 특성 및 압력강하에 마이크로핀 튜브

미네랄 오일 실험적 연구를

때, R22 경우 증가하였으며 22.7%, R407C 경우 나타났다. Wenjian

내에서 냉매 열전달 성능 변화에 오일에 의한 열전달계수

크게 나타남을 이크로핀 튜브 내에서

열전달 특성 연구 이상에서 오일에 의한

남을 보였다.

튜브 내에서 영향을 연구한

장영수 · 장재규

끌고 있는 고밀 판형열교환기는 1930년대 살균 등에 활용 판형열교환기가 전열판 모양을 좁은 유로와 전열 내부유동을 가지게 된다

판형열교환기 내부의 튜브 형식 열교 가지게 된다.

압축기를 구동시키기 . 오일은 압축기 압축기의 수명을 다. 압축기의 나, 압축기 토출 내부를 순환하다가

오일이 냉매와 되면, 열전달성능

성능을 떨어뜨린 정확하게 이해하기

오일의 양에 압력강하에 대한 튜브 내에서 R

순환에 따른 수행하였다.

경우 21%, R407C 증가하였으며, 열전달계수

경우 평균 8.4%

. Wenjian 등⁽³⁾은 6.34mm, 냉매 R22와 미네랄

변화에 대한 연구 열전달계수 변화는 나타남을 알 수 있었

내에서 R410A 연구를 수행하여 의한 열전달 계수 에서 오일 순환이 연구한 논문이 다수

장재규 · 강병하

고밀 년대 활용 판형열교환기가

모양을 전열 된다.

내부의 열교 구동시키기

압축기 수명을 압축기의 오

토출 순환하다가 냉매와 혼

성능 떨어뜨린 이해하기 위 양에 따 대한

R-22, 따른 증

. 오 21%, R407C

열전달계수 8.4%

6.34mm, 미네랄

연구 변화는

있었 R410A와

하여 계수 순환이 다수

이며 변화에

형열교환기에서 순환량

하였다

판형열교환기를 태에

교환 의 매사이의 적, 과 발구간과 정하여 타내었다

여기서 에서

수평균온도차로 증발영역에서의 열전달

열교환기 열교환기 열저항 와 물 달계수를

Fig.

강병하 · 김석현

이며, 판형열교환기에서 변화에 대한 연구는 형열교환기에서 순환량 변화에 하였다.

2. 열전달계수

판형열교환기를 태에 따라 증발 교환 과정을 대향류로

개략적인 온도분포는 매사이의 열전달량은

, 두 유체 사이의 같이 나타낼 발구간과 과열구간 정하여, 물과 냉매의 타내었다.

T Q T Q T

∆ ∆ ∆

여기서 ∆Tm은 전체 에서 대수평균 수평균온도차로 증발영역에서의

전달량으로 정의한다 열교환기 열관류율은 열교환기 전도열저항으로 열저항을 무시하면

같다. 즉 열교환기 측 대류열전달계수를 달계수를 구할

. 1 Schematic view of temperature distribution in test section as the evaporation of R134a

김석현

판형열교환기에서 오일에 연구는 많지 않다 형열교환기에서 R134a의

따른 증발열전달

열전달계수

판형열교환기를 증발기에 증발 영역과 과열

대향류로 가정하면 온도분포는 Fig. 1 열전달량은 총괄

사이의 평균온도차에 나타낼 수 있다. 식

과열구간 각각의

냉매의 평균온도차를

Q=UA T∆

1 Q 1 Q 1

s a t s h

T Q T Q T

m s a t s h

= +

∆ ∆ ∆

전체 평균 온도차 온도차 ∆Tsh

수평균온도차로 정의한다.

증발영역에서의 열전달량, 정의한다.

열관류율은 물과 전도열저항으로 나타나며

무시하면 냉매 측

열교환기 총괄열전달계수를 대류열전달계수를 안다면

수 있다.

Schematic view of temperature distribution in test section as the evaporation of R134a

오일에 의한 열전달 않다. 본 연구에서는 증발과정에서 증발열전달 특성 변화를

열전달계수 측정방법

증발기에 사용할 경우 과열 영역이 존재한다 가정하면 물 측과

Fig. 1과 같으며 열전달계수 평균온도차에 비례하는

식 (1)의 열관류율 의 열관류율의 평균온도차를 식

Q UA T

= ∆ m

1 Q 1 Q 1

s a t s h

T Q T Q T

m sa t s h

= +

∆ ∆ ∆

온도차, ∆Tsat은 Tsh는 과열영역에서의

. 그리고 Qsat

, Qsh은 과열영역에서의 물과 냉매측

나타나며 열교환기 측 열전달계수 총괄열전달계수를

안다면 냉매측

Schematic view of temperature distribution in test section as the evaporation of R134a

열전달 특성 연구에서는 판 증발과정에서 POE오일 변화를 관찰

법

경우 냉매의상 존재한다. 열 측과 냉매 측 같으며, 물과 냉 열전달계수, 열전달 면 비례하는 식 (1) 열관류율을 증 열관류율의 합으로 가 식 (3)으로 나

(1) (2)

1 1 1

T Q T Q T

m s a t s h

∆ ∆ ∆

(3)

은 포화영역 과열영역에서의 대

sat은 냉매 측 과열영역에서의

대류열전달, 열교환기 전도 열전달계수는 식 (5) 총괄열전달계수를 측정하고,

냉매측 평균열전

Schematic view of temperature distribution in test 특성

판 오일 관찰

냉매의상 열 측 냉 면 ) 증 가 나

) ) )

포화영역 대 측 과열영역에서의

, 전도

(5) , 평균열전

Schematic view of temperature distribution in test

(3)

판형열교환기에서 POE 오일이 R134a 증발 열전달에 미치는 영향에 대한 실험적 연구 257 Table 1 Experimental condition

water mass flow [ kg / min ] Refrigerant side 0.8 ~ 3.7

Water side 2.6 ~ 8.1

1 1 1

( t )

UA h A kA h A

w w r r

= + + (4)

₍¹ ¹ ^t₎ ¹ h k

r U h

w

− −

= − (5)

별도로 진행된 판형 열교환기 물 대 물 단상 열 전달 실험 결과를 Modified Wilson Plot method⁽⁵⁾를 통해, 물 측 열전달계수 상관식을 Re, Pr 의 함수로 구하였다.

물 측 열전달 계수를 구하기 위한 실험에서는 2 차 유체 측 유로와 냉매 측 유로에 모두 물을 사 용하였고, 냉매 측과 2차 유체측 유로의 물 순환 유량을 변화 시키며 진행하였다. Table 1에 물 대 물 단상 실험 조건을 나타내었다.

판형열교환기 전열판의 재질은 스테인리스 스틸 이며, 두께는 0.4 mm이다. 열교환기 전체 열저항 에서 전열판에 의한 전도열저항이 차지하는 비율 은 1 – 2% 정도이며, 총괄열전달계수는 전도열저 항을 무시하면 식 (6)과 같다. 그리고 2차 유체 측 과 냉매 측 단상열전달 상관식을 각각 식 (7), (8) 로 가정한다.

1 1 1

1 2

U =h +h (6) 1 / 3

R e 1 P r

1 1

n

N u = C (7) 1 / 3

R e 2 P r

2 2

n

N u =C (8)

식 (7)과 (8)을 정리하여 식 (9), (10)과 같이 나 타낼 수 있다.

1/3 1 1

ln[Pr ( )( )] ln ln Re

1 1

2

k C n

D U h

h

− = − − (9)

1/3 1 1

ln[Pr ( )( )] ln ln Re

2 2

1

k C n

D U h

h

− = − − (10)

Table 2 Coefficients of correlations 7 and 8

C n

Refrigerant side (1) 0.139 0.68 Water side (2) 0.148 0.67

(a) Refrigerant side (Water)

(b) Water side (Water)

Fig. 2 Comparison of the experiment data with predicted value by correlation

여기서 k 는 물의 열전도율, D_h 는 판형열교환기의 수력직경⁽⁶⁾이다. 미지수 C1, C2, n1, n2 는 실험자료 를 이용하여 식 (9)와 (10)의 반복적인 회귀분석을 통하여 구할 수 있으며, Table 2 에 결과를 정리하 여 나타내었다.

Fig. 2 (a)는 2 차 유체 유로에서, Figure 2 (b)는 냉 매 측 유로에서 개발한 상관식과 실험 값의 오차 를 나타내었다. 모두 실험값과 상관식간의 오차가 10% 이내에 있음을 알 수 있다.

(4)

장영수 · 장재규 · 강병하 · 김석현 258

Table 3 Geometric characteristic of the test section Units Value Fluid flow plate length mm 520

Plate width mm 115 Area of the plates m² 0.06 Angle of the corrugation ° 120 Number of plates 60

Corrugation type Herringbone

Table 4 Properties of the POE oil

Item Property

Manufacturer Idemitsu Kosan Co.

Model Icematic SW-22

Type POE oil

Specific gravity at 15℃ 0.995 Pour point (℃) -52 Flash point (℃) 232

3. 실험 장치 및 방법

R134a 증발 실험장치의 개략도를 Fig. 3에 나타 내었다. 판형열교환기의 증발과정에서 오일의 영 향을 실험하기 위해 펌프를 이용한 냉매-오일 순 환 성능실험 장치를 구성하였다.

냉동시스템의 오일순환율은 압축기의 종류, 냉 매와 오일의 물성, 작동조건에 따라 달라지는데, 통상 1∼5% 정도로 알려져 있다.⁽⁷⁾POE 오일은 오 일펌프를 이용하여 냉매 질량 유량에 비례하도록 0∼5%를 첨가하여, 오일 순환량에 따른 열전달 성능의 변화를 측정하였다. Table 3과 4에 본 연구 에 사용된 판형열교환기와 POE 오일의 사양을 나 타내었다.

실험장치의 냉매 순환부는 냉매펌프, 질량유량 계, 예열기, 열교환기 시험부, 냉각부, 과냉각기, 오일탱크, 오일펌프로 구성된다. 냉매펌프는 마그 네틱 기어타입의 구동방식으로 인버터를 사용하여

Fig. 3 Schematic diagram of the test setup

펌프의 회전수를 제어함으로써 유량을 정확하게 조절할 수 있다. 펌프는 액체만을 유동시킬 수 있 기 때문에 시험부를 통과한 과열 증기 냉매를 과 냉 영역으로 냉각할 수 있는 과냉각기가 설치 되 어 있다.

증발기로 유입되는 냉매의 건도를 일정하게 유 지하기 위해 가열수와 전기히터로 작동하는 예열 기(pre-heater)를 설치하였다.

냉매 순환부에 일정량의 오일을 순환시키기 위 해 오일펌프를 사용하였으며, 펌프의 회전수 제어 는 인버터를 사용하여 오일 유량을 정확하게 제어 할 수 있다. 오일의 주입은 냉매 순환량 대비 0∼5% 범위에서 1% 간격으로 조절하였다. 주입되 는 오일의 유량은 질량 유량계를 사용하여 측정하 였다. 시험부를 통과한 오일은 시험부 출구에 설 치된 오일 분리기에서 회수되며, 오일펌프에 의해 재순환된다. 실험에 사용한 오일분리기의 오일 분 리효율은 약 99%이다.⁽⁷⁾

시험부에 공급되는 냉매의 질량유량과 시험부 입출구 온도는 질량유량계, 열전대를 이용하였고, 시험부 입구 압력, 압력손실은 절대압력계와 차압 계를 이용하여 측정하였다. 냉매의 증발을 위해 공급되는 2차유체인 물의 질량유량과 입출구온도 는 질량유량계와 백금저항온도계를 이용하여 측정 하였다. 전체 시스템의 열교환기 및 장치 내 배관 의 모든 부분은 단열재를 사용하여 충분히 단열함 으로써 외부의 열손실을 최소화 하였다.

Table 5에 본 연구의 실험 범위를 나타내었다.

증발기 입구 건도와 출구 과열도를 일정하게 유지 한 상태에서 냉매 질량유량과 증발온도를 변화시

(5)

판형열교환기에서 키며 실험을

증발기에서 식 (11), (12) 전달량은 냉매 동하기 때문에 달량을 고려하여

Q m i i m C T T

r= r r e− r i + oil p oil oil e− oil i

여기서 Q_r은 며, Cp,oil 는 열전달량은 값을 사용하였 실험자료의 의 정압비열은

4.1 무오일 실험데이터의 에 냉매 측 여 나타내었으며 고 있음을 알

증발온도 질량유량에 었다. 냉매 험조건에서 도 증가하게

Fig. 6 은 냉매 측 평균 열전달 계수를

Mass flow rate Inlet quality Degree of superheat

Evaporation Temp.

Inlet pressure OCR

판형열교환기에서 실험을 수행하였다 증발기에서 물 측과

2)와 같이 계산할 냉매 R134a 와 때문에 R134a 와 고려하여 계산하였다

Q m C T T

w = ɺw p w i − w e

( ) ( )

, , , , ,

Q m i i m C T T

r= ɺr r e− r i + ɺoil p oil oil e− oil i Q= Q +Q

은 R134a-POE 는 POE 오일의 열전달량은 냉매측과 물

하였다. R134a 실험자료의 처리는 EES 정압비열은 ASHRAE

4. 실험결과

무오일 상태에서 실험데이터의 신뢰성을

측 열전달량과 나타내었으며, 오차 알 수 있다.

20℃, 25℃

따른 열전달 입구건도와

냉매 질량 증가하게 된다.

무오일조건에서 평균 열전달 계수를 계수를 구하기

Table 5 Experiment

Mass flow rate Inlet quality Degree of superheat

Evaporation Temp.

Inlet pressure OCR

판형열교환기에서 POE 오일이 수행하였다.

냉매 측 열전달량은 계산할 수 있다

와 POE 오일이 와 POE 오일의 계산하였다.

( )

, ,

Q m C T T

w = ɺw p w i − w e

( ) ( )

, , , , ,

Q m i i m C T T

r = ɺr r e− r i + ɺoil p oil oil e− oil i

( ) / 2

Q Q Q

r w

= +

POE 오일 혼합물 오일의 정압비열이다

물 측 열전달량의 R134a 와 물의 열역학적

EES 를 사용하였다 ASHRAE 의 자료⁽⁸⁾를

실험결과 및 고찰

열전달 성능 신뢰성을 확인하기

량과 물 측 열전달량 ±5% 이내에서

℃, 30℃에서 전달량 변화를 입구건도와 출구 과열도가

유량 증가에

무오일조건에서 냉매 질량유량에 계수를 나타내었다

위해 단상 Experimental conditions

Units

g/s 30, 40, 50, 60, 70, 80

℃

℃ 20 bar 5.7

%

오일이 R134a

열전달량은 각각 있다. 냉매 측 오일이 혼합되어 오일의 각각의 열전

( )

, ,

Q m C T T

w w p w i w e

( ) ( )

, , , , ,

Q m i i m C T T

r= r r e− r i + oil p oil oil e− oil i

( ) / 2

혼합물 열전달량이 정압비열이다. 증발기의 열전달량의 산술평균 열역학적 물성과 사용하였다. POE 오일

를 이용하였다

고찰

성능

확인하기 위하여 Fig 전달량을 비교하 이내에서 잘 일치하 무오일조건에서 Fig. 5에 나타내 과열도가 고정된 증가에 따라 열전달량

질량유량에 따른 나타내었다. 냉매

실험을 통해 al conditions

Range 30, 40, 50, 60, 70, 80

0.3 5 20 25 5.7 6.7 0 ~ 5

R134a 증발 열전달에

각각 측 열 혼합되어 유 열전

(11)

( ) ( ) (12)

(13)

열전달량이 증발기의 산술평균

물성과 오일 이용하였다.

Fig. 4 비교하 일치하 무오일조건에서

나타내 고정된 실 열전달량 따른 냉매 측 통해 개

30, 40, 50, 60, 70, 80

30 7.7

발한 상관식을 산하였다 할수록 가

Fig.

Fig

Fig.

열전달에 미치는 발한 판형열교환기의 상관식을 이용하여 산하였다. 평균 할수록 증가하였고

낮을수록 더

00 3 6 9 12 15

Qr [kW]

. 4 Energy balance between water and refrigerant side for no-oil

20 30

3 4 5 6 7 8 9 10 11

Q [kW]

Refrigerant mass flow rate [g/s]

Fig. 5 Heat transfer

. 6 Average heat

evaporation temperatures 영향에 대한 판형열교환기의 2 차

이용하여 냉매측 평균 열전달 계수는 증가하였고, 동일한

더 높게 나타났다

3 6

-5%

+5%

Tev = 20ôC Tev = 25ôC Tev = 30ôC

Qw [kW]

Energy balance between water and refrigerant side oil test

40 50

Tev = 20ôC Tev = 25ôC Tev = 30ôC

eat transfer rate for various evaporation temperatures

verage heat transfer coefficient for various evaporation temperatures

대한 실험적 연구 차 유체 측의

냉매측 평균 열전달계수를 계수는 냉매 유량이 동일한 유량에서는

나타났다. 포화압력이

9 12

Qw [kW]

Energy balance between water and refrigerant side

60 70 80

rate for various evaporation temperatures

transfer coefficient for various evaporation temperatures

연구 259 열전달계수 열전달계수를 계 유량이 증가 유량에서는 증발 온도 포화압력이 낮을

12 15

80 90

transfer coefficient for various 259 열전달계수 계 증가 온도 낮을

transfer coefficient for various

(6)

260

Fig. 7 Pressure drop for various evaporation temperatures 수록 밀도비가

커지며 열교환기 저항이 감소하므로 보인다.

Fig. 7은 판형열교환기 동일한 증발 수록, 동일한 압력강하는 냉매 포화증기의 가하게 된다

판형열교환기에서 의 증가에 따른 열유속이 커짐에 계수의 증가율이 건에서 냉매 로 열교환기 촉진되기 때문으로 냉매 질량유량이 여 증가하게 열유속 증가에 폭되어, 질량유량 폭이 더 커지는

4.2 오일에 무오일 실험과 변화시키며 에 따라 시험부 손실은 증가하게 내부에서 냉매와 이라 여겨진다

작용하여 열전달계수가 열전달 계수가

Pressure drop for various evaporation temperatures 밀도비가 커지는데

열교환기 내 증기의 감소하므로 열전달계수가

무오일조건에서 판형열교환기 압력 강하

증발 온도 조건에서 동일한 유량에서는

증가 하였다 포화증기의 밀도가

된다.

판형열교환기에서 저열유속조건에서는 따른 열전달계수의

커짐에 질량유량의 증가율이 커지게 냉매 질량유량의 열교환기 표면에서

때문으로 알려져 질량유량이 증가함에 증가하게 된다. 따라서

증가에 의한 열전달계수의 질량유량 증가에

커지는 경향을 오일에 의한 열전달

실험과 동일한 실험을 수행하였다 시험부에서 열전달계수는 증가하게 된다.

냉매와 분리되어 여겨진다. 즉, 유막형태의

열전달계수가 계수가 감소하는

Pressure drop for various evaporation temperatures 커지는데 증기가 차지하는

증기의 속도가 열전달계수가 증가하는 무오일조건에서 냉매 질량유량에

강하 변화를 조건에서 냉매의 유량에서는 증발 온도가

하였다. 포화 압력이 밀도가 감소하여

저열유속조건에서는 열전달계수의 변화가

질량유량의 증가에 커지게 된다. 이는 질량유량의 증가에 따른

냉매 기포의 알려져 있다.⁽⁹⁾

증가함에 따라 열유속도 따라서 냉매 질량유량

열전달계수의

증가에 따라 열전달계수의 경향을 보인다.

열전달 성능 변화 동일한 조건에서

수행하였다. 오일순환율 열전달계수는

. 이는 오일이 분리되어 유막을

유막형태의 오일이 열전달계수가 감소하고,

감소하는 것으로 판단된다

장영수 · 장재규

Pressure drop for various evaporation temperatures 차지하는 비율이 속도가 증가하고

증가하는 경향을 질량유량에 따른 나타낸 것이다 냉매의 유량이 증가할

온도가 낮을수록 압력이 감소할수록

압력강하가 저열유속조건에서는 질량유량

변화가 크지 않으나 증가에 따른 열전달

이는 고열유속 따른 대류영향으 기포의 이탈과 생성이

) 본 연구에서는 열유속도 비례하 질량유량 증가와

상승 효과가 열전달계수의 증가

변화

조건에서 오일순환율을 오일순환율 증가 감소하고, 압력 오일이 판형열교환기 형성하기 때문 오일이 열저항으로 , 이에 따라 증발 판단된다.

장재규 · 강병하

Pressure drop for various evaporation temperatures 비율이 증가하고,열 경향을 따른 것이다.

증가할 낮을수록 감소할수록 압력강하가 증

질량유량 않으나, 열전달 고열유속 조 대류영향으 생성이 연구에서는 비례하 증가와 효과가 증

증가

오일순환율을 증가 압력 판형열교환기

때문 열저항으로

증발

R [ -]

R [-]

R [ -]

Fig. 8

Fig 대해 화를

Rh

강병하 · 김석현

0 1

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

POE oil concentration [%]

R

h

[ -]

0 1

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Rh [-]

0 1

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

R

h

[ -]

Fig. 8 Effect of OCR on evaporation heat transfer coefficient for various experimental conditions

Fig. 8(a)∼(c) 대해 오일순환율 화를 식 (14)와

134 / - oil mixture heat transfer coeffic

mix h

r

h R a POE

R = h = R a

김석현

1 2 3

(a) Tev

1 2 3

(b) Tev

1 2 3

(c) Tev

Effect of OCR on evaporation heat transfer coefficient for various experimental conditions

(c)는 다양한 오일순환율에 따른 냉매

같이 정의하여

134 / - oil mixture heat transfer coeffic 134 heat transfer coefficient

R a POE

h R a

4 5

80 g/s 60 g/s 40 g/s

ev = 20 ℃

4 5

80 g/s 60 g/s 40 g/s

ev = 25 ℃

4 5

80 g/s 60 g/s 40 g/s

ev = 30 ℃

증발온도와

냉매 평균 열전달계수 정의하여 나타내었다

134 / - oil mixture heat transfer coeffic 134 heat transfer coefficient

6 80 g/s 60 g/s 40 g/s

질량유량에 열전달계수 변 나타내었다.

134 / - oil mixture heat transfer coefficient 134 heat transfer coefficient

(14) Effect of OCR on evaporation heat transfer

질량유량에 변

(14)

(7)

판형열교환기에서 POE 오일이 R134a 증발 열전달에 미치는 영향에 대한 실험적 연구 261 오일순환율 증가에 따라 열전달계수는 감소하며,

오일순환율 1%에서 2% 사이에서 열전달계수 감 소율이 컸다. 냉매 질량유량이 작아질수록 오일순 환율 증가에 따른 증발 열전달달계수 감소비율이 컸으며, 증발온도 30℃인 경우, 오일순환율 2% 근 처에서 무오일 대비 약 10% 정도의 열전달계수가 감소하였다.

0 1 2 3 4 5 6

10 20 30 40 50 60 70 80 90

80 g/s 60 g/s 40 g/s

Pressure drop [kPa]

(a) Tev = 20 ℃

0 1 2 3 4 5 6

10 20 30 40 50 60 70 80

80 g/s 60 g/s 40 g/s

Pressure drop [kPa]

(b) Tev = 25 ℃

0 1 2 3 4 5 6

10 20 30 40 50 60 70 80

80 g/s 60 g/s 40 g/s

Pressure drop [kPa]

(c) Tev = 30 ℃

Fig. 9 Effect of OCR on pressure drop for various experimental conditions

Fig. 9(a)∼(c)는 증발온도 20℃, 25℃, 30℃인 경 우, 다양한 냉매 질량유량 조건에서 오일순환율에 따른 판형열교환기 압력손실을 나타낸 것이다. 오 일순환율이 증가할수록 압력강하가 증가하며, 증 발 온도 30℃, 질량유량 80 g/s 일 때, 오일순환율 2%에서 무오일 대비 약 10%의 압력손실이 증가 하였다.

6. 결 론

본 연구에서는 고온수 제조를 위한 2 원 히트펌프 시스템에서, 상부 사이클인 R134a 의 증발기를 판형 열교환기로 사용할 경우, POE 오일순환량에 따른 판 형열교환기에서 R134a 의 증발열전달 특성의 변화에 대하여 연구하였다.

판형열교환기에서 냉매의 평균열전달계수를 구 하기 위해, 물-물 단상 열전달 실험과 Modified Wilson Plot 기법을 적용하여 판형열교환기의 단상 유동에 대한 열전달계수 상관식을 500≤Re≤1600 범위에서 개발하였으며, 상관식과 실험결과와의 오차는 10% 이내이다. 개발한 물측 열전달계수 상관식을 이용하여, 증발기에서 평균 냉매열전달 계수를 측정하였다. 오일순환율 증가에 따라 냉매 의 평균 열전달계수는 감소하게 되며, 냉매 유량 이 작아질수록 감소정도는 더 커진다. 증발온도 30℃인 경우, 오일순환율 2% 근처에서 무오일 대 비 약 10% 정도의 열전달계수가 감소하며, 압력 손실은 약 10% 증가하였다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부 에너지기술평가원의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.(No.

20132010101780)

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