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평행류형 마이크로채널 이산화탄소 증발기에서 2상 압력손실 및 유량분배에 대한 연구

A study on the two-phase pressure drop and flow distribution in a parallel flow microchannel CO2 evaporator

초록/요약 도움말

본 연구는 직경 0.8mm의 채널을 가지는 Micro Channel Tube(MCT)를 증발관으로 이용해 제작한 이산화탄소용 평행류형 열교환기에서 냉매의 분배경향을 측정하는 방법을 제시하고 이를 바탕으로 다양한 조건에서 이산화탄소의 분배 경향을 확인하는 것을 목적으로 이루어졌다. 본 연구가 가지는 차별성은 열교환기 외부 표면에서 이루어지는 열전달을 위해 공기 대신 분리된 가열장치를 이용하는 것과 압력강하와 과열도 측정을 통해 열교환기를 구성하는 각 튜브 내부를 흐르는 2상 이산화탄소의 유량을 계산하는 것이다. 관 내부에서 발생하는 2상 유체의 열전달과 외부에서 발생하는 공기와의 열전달은 상이한 특성을 가지기 때문에 일반적으로 각각에 대한 연구가 개별적으로 이루어진다. 하지만 실제 열교환기에서 열전달은 튜브의 안과 밖에서 동시에 일어나기 때문에 각각의 영향을 파악하기 힘들다. 열교환기 외부에서 발생하는 열전달을 통제할 수 있다면 이러한 문제를 해결할 수 있으며 이를 위해 공기 대신 전기를 이용한 열선을 이용하는 가열방법을 제시하였다. 본 연구에서 평행류형 열교환기 내 2상 이산화탄소의 유량측정은 압력강하와 각 MCT 내 이산화탄소의 과열도 측정을 바탕으로 이루어졌다. 측정 데이터와 MCT 내 이산화탄소의 질량유량 및 건도 사이의 관계에 대한 이해를 위해 하나의 MCT를 대상으로 2상 압력강하 실험을 수행해 그 특성을 확인하고 추가적으로 내부에 미소 그루브가 파여진 grooved MCT 내 2상 압력강하의 특성도 확인해 보았다. 이를 바탕으로 주어진 조건에서 MCT 내 2상 압력강하 값과 과열도를 계산할 수 있는 1차원 시뮬레이션 모델 그리고 이를 바탕으로 전체 열교환기 시뮬레이션 모델을 만들었다. 이산화탄소 분배 실험은 세가지 자세(수평헤더/수평 MCT, 수직헤더/수평 MCT, 수평헤더/수직 MCT)에서 질량유속, 열유속 그리고 입구건도를 바꾸어 가며 수행되었으며 헤더 내 중력의 영향을 잘 예측하는 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 과열도가 나타나지 않는 경우 정확한 값을 제시할 수 없다는 문제를 가지며 정량적인 오차를 포함하기에 이를 보완할 방안이 필요하다.

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초록/요약 도움말

This study was performed to investigate the method of measurement of refrigerant distribution characteristic without additional apparatus, only by the temperature and pressure data. The understanding about the relation between the pressure drop in the MCT, degree of superheat, heat transfer rate, flow rate of refrigerant and quality is required for this method. The method was verified by the parallel flow evaporator for carbon dioxide. The evaporator was composed of Micro Channel Tube (MCT) which has 0.8mm of inner diameter. To know the characteristic of 2-phase pressure drop in the MCT accurately, the pressure drop experiment was performed. Additionally, the pressure drop in the grooved MCT was investigated. Based on this experiment, 1-dimensional simulation model which can calculate the pressure drop and the degree of superheat in the MCT for given condition was developed. Since the characteristic of 2-phase heat transfer in the tube is quite different from that of outer wall, the study about them performed individually. However, in the real situation, the heat is transferred at the inside and outside of the tube simultaneously, it cannot be considered separately. This problem can be solved by controlling the outer wall heat transfer and heating method using heating wire instead of air is suggested. The refrigerant distribution experiments with three orientations of heat exchanger (horizontal headers/ horizontal MCT, vertical headers/ horizontal tubes, and horizontal headers/ vertical tubes) were performed and the experimental results calculated by the present method predict the effect of gravity in the header well. This means that the present method has validity, however it includes some quantitative errors and cannot provide the correct result when the degree of superheat is not observed.

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