Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 11 pp. 6452-6457, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.11.6452 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김대영 1, 박차식 1* 1 호서대학교기계공학과대학원, 1 호서대학교기계공학부 Simulation of the flow characteristics of flowing through capillary tubes Daeyeong Kim 1, Chasik Park 1* 1 Graduate School of Mechanical Engineering, Hoseo University 1 School of Mechanical Engineering, Hoseo University 요약최근에지구온난화문제로인하여 R134a 냉매에대한규제가강화되면서대체냉매로서 냉매가개발되었다. 냉동사이클에서팽창장치인모세관은유량제어와압력조절의역할을한다. 본연구에서는모세관에흐르는냉매유동의지배방정식을사용하여 R134a와 냉매에대하여해석적연구를수행하였다. 모세관길이를 1-4 m로변화시켰을때 냉매의질량유량은 47.0% 감소하였다. 모세관의직경을 1.3-1.5 mm로변화시켰을때 R134a 냉매와 냉매의질량유량은각각 117.9% 와 121.0% 증가하였다. 모세관입구의과냉도를 0-7 변화시켰을때 R134a 냉매와 냉매의질량유량은 28.3% 와 29.1% 증가하는것으로나타내었고, 모세관입구에서운전조건을 35-60 로변화시켰을때 R134a 냉매는 31.0%, 냉매는 45.4% 증가를각각나타내었다. Abstract has been developed as an alternative refrigerant to R134a, which has been associated with global warming. The capillary tubes as expansion valves control the mass flow rate and balance system pressure in the refrigeration cycle. The present numerical model used the governing equations including the law of conservation of mass, momentum, and energy in a capillary tube. The mass flow rate of decreased by 47.0% as the capillary tube length was increased from 1 to 4 m. As the inner diameter of the capillary tubes was changed from 1.3 to 1.7 mm, the mass flow rate of R134a and increased by 117.9% and 121.0%, respectively. The mass flow rate of the R134a and increased by 28.3% and 29.1% with subcooling increasing from 0 to 7. In addition, when the inlet temperature of the capillary tubes was changed from 35 to 60, the mass flow rate of R134a and increased by 31.0% and 45.4%, respectively. Key Words : Alternative refrigerant, Capillary, Mass flow rate, 1. 서론초기에개발된 CFC계냉매는안정한냉매구비조건을갖추고있어냉동공조기기에널리사용되었다. 하지만 CFC계냉매가오존층붕괴의원인으로밝혀지면서냉매의생산및사용을규제하기위한몬트리올의정서가체결되었다 [1]. 이에따라오존층파괴지수 (ODP) 가 0 인 R134a 와같은 HFC계냉매로대체되어현재까지사용되어왔다. 그러나 1977년일본교토에서열린기후변화협에서는교토의정서를채택하여온실가스배출감축목표를설정하였다 [2]. 이에의하면 1차공약기간인 2008년부터 2012년까지 1990년대비 5.2% 감축을결정하여우리나라도이에대한준비가절실히필요한상황에직면하였다 [3]. 이처럼지구온난화문제로인하여 R134a 냉 본연구는호서대학교교내연구비지원사업의연구비지원 (2013-0017) 으로수행되었습니다. * Corresponding Author : Chasik Park(Hoseo Univ.) Tel: +82-41-540-5815 email: cspark@hoseo.edu Received : July 4, 2014 Revised (1st September 17, 2014, 2nd October 27, 2014) Accepted November 6, 2014 6452
매에대한규제가강화되고있어 2007년부터미국 Dupont 와 Honeywell가 R134a를대체할수있는 냉매를공동으로개발하여왔다. Minor and Spatz 는소형자동차의공조시스템을이용하여 냉매는 R134a 냉매에비해냉동용량과에너지효율은 4-8% 정도낮은것으로나타났지만, 시스템의최적화를통해 의성능을높일수있다고발표하였다 [4]. Zilio et al. 은자동차공조기조건에서 R134a에비해 의성능이 2-4% 정도낮게나타나는것으로발표하였다 [5]. 냉매 는약가연성물질로독성및폭발성이없고, 오존층파괴지수는 0이며지구온난화지수는 4인친환경냉매이다 [6]. Pamela Reasor et al.[7] 는 Tube-fin and micro-channel 열교환기를적용하여 R134a와열역학적특성이유사한것을연구하였으며, Cho et al.[8] 은 EES V8.688을이용하여 R134a와 의열역학적특성을비교한바가있다. 팽창장치중모세관은가장간단하고저렴한부품이다. 모세관은팽창장치중시스템용량조절폭이다른팽창장치에비하여매우적어서모세관을사용하는시스템은설계점이외에서는성능이다소떨어지는단점이있으므로, 시스템설계에있어모세관용량선정은매우중요하다. 모세관의유동특성에관한연구는기존냉매에대해서는이론적인모델링과실험에의한경험적상관식등으로많은연구가진행되어왔다. 그러나최근지구온난화문제로규제를받고있는 R134a의대체냉매로개발된 냉매에대한모세관내유동특성에관한연구는전무한실정이다. 본연구에서는해석적연구를통하여, 모세관의길이및운전조건에따라 R134a와 냉매의모세관내유량특성을비교분석하였다. 2. 모세관모델링및해석방법본연구에서는냉매 R134a와 의모세관길이에따른냉매의질량유량특성을분석하기위하여 R134a 의선행연구에서수행한시뮬레이션과유사한방법으로모델링을수행하였다 [9]. R134a와 냉매에대한물성치는 EES Ver8.688을사용하여구하였다 [10]. [Fig. 1] Flow chart of Simulation. 시뮬레이션방법은 Fig. 1의순서도에서나타내었다. 임의의질량유량을가정하여주어진모세관입구상태의온도, 압력을고려하여모세관내지배방정식인연속방정식, 에너지방정식그리고운동량방정식을이용하여모세관출구방향으로의미세온도차에따른하류지점의냉매물성치를반복계산하도록하였다. 과냉도에의한액상영역의모세관미소길이를먼저계산을하고, 이상영역부터는미세온도를순차적으로떨어뜨려입구와출구부분의냉매의물성치를구하여, 압력강하에의한미소구간을구하도록하였다. 이상영역의미소길이구간은엔트로피의구배가 0이되어초킹조건이발생할때까지계산을수행하도록하였다. 이때까지계산된액상영역과이상영역의미소길이합이모세관의길이이며설정한모세관의길이와일치하면시뮬레이션이종료되도록하였다. 시뮬레이션이수렴하지않을경우에는가정한질량유량을수정하여처음부터다시계산을시작하여시뮬레이션이수렴하도록하였다. 점성계수와마찰계수는액상영역과이상영역으로나누어기존문헌의유동모델을사용하였다 [9]. 이상영역의점성모델은식 (1) 의 McAdam's et al. 모델을적용하였고마찰계수는액상과이상영역모두식 (2) 의 Churchill 상관식을적용하였다. (1) 6453
한국산학기술학회논문지제 15 권제 11 호, 2014 여기서, (2) 이고, 는점성계수를나타내고 Re와 는레이놀즈수와상대조도를나타낸다. 고, 식 (3) 에서 냉매의레이놀즈수가작아식 (2) 의마찰계수가커지기때문이다. 또한, 식 (4) 의냉매의유속에서 냉매가 R134a 냉매보다질량유량이낮지만, R134a 냉매가 냉매보다밀도가커서냉매유속은 냉매가 R134a 냉매보다빠르게된다. 즉, 냉매가 R134a 냉매보다레이놀즈수와냉매유속이크기때문에식 (5) 에서의증분길이가작아져임의로설정한모세관의길이에도달할때증발온도가 가 R134a 보다낮아지기때문에 냉매가 R134a 냉매보다더많은압력강하가나타난다. 3. 시뮬레이션결과 Fig. 2는본논문시뮬레이션결과값의신뢰도를분석하기위해 R134a의모세관내질량유량을실험을통해측정한기존의 Melo et al.[11] 과 Dirik et al.[12] 의실험데이터를사용하여본논문의시뮬레이션결과와비교하였다. 기존의실험데이터와본시뮬레이션결과값의평균오차는 5.7% 이내로나타났다. Melo et al. 의실험데이터와본시뮬레이션결과값과비교하였을경우 -3.7% 에서 16.6% 의오차범위를나타내었으며, Dirik et al. 의실험데이터는 -9.3% 에서 -1.1% 오차범위를나타내었다. Fig. 3은응축온도 45, 과냉도 3, 모세관직경 1.5mm, 모세관길이 3000mm 일경우, R134a와 냉매의모세관내압력강하를비교한것이다. R134a 냉매의압력강하는 56.4% 로나타났고, 냉매는 59.5% 으로 R134a 냉매에비하여 냉매가더많은압력강하를나타내었다. [Fig. 2] Comparison of experimental data and simulation results. (3) (4) (5) [Fig. 3] Comparison of pressure drop with R134a and. 이는동일한모세관의조건에서 R134a 냉매가 냉매보다질량유량과점성계수가크게나타나 6454
Fig. 5는 R134a 냉매와 냉매에대하여모세관의내부직경변화에따른질량유량을나타낸다. 모세관입구에서의온도는 45, 과냉도 3, 모세관길이를 1000 mm로고정하고모세관내경을 1.3 mm에서 1.7 mm까지 0.2 mm씩증가시키며시뮬레이션을실시하였다. 모세관의직경을증가시키면모세관내부에서의저항이줄어들어모세관내부를흐르는냉매의질량유량은증가하게되는데, R134a 냉매는 117.9%, 냉매는 121.0% 각각증가하였다. [Fig. 4] Comparison of mass flow rate of R134a and with the variation of capillary length. Fig. 4는 R134a 냉매와 냉매에대하여모세관길이변화에따른질량유량을나타낸다. 모세관입구에서의온도는 45, 과냉도 3, 모세관내경은 1.5 mm로고정하고모세관길이를 1 m에서 4 m까지 0.5 m씩증가시키며시뮬레이션을실시하였다. 냉매 R134a와 는모세관길이가 1 m에서 4 m로증가하면모세관내의질량유량은 47.0% 감소하였다. 동일한조건에서 R134a 냉매가 냉매보다 4.0-5.3% 의질량유량이더많이흐르는것으로나타났다. R134a 냉매와 냉매가포화액체일경우 R134a 냉매가 냉매에비해밀도가크므로질량유량은 R134a 냉매가 냉매에비해크게나타나게된다. Massflow (kg/h) 60 50 40 30 20 10 0 R134a L=1000 mm Tc = 45 o C Tsc = 3 o C 1.3 1.5 Inner diameter (mm) [Fig. 5] Comparison of mass flow rate of R134a and with the variation of capillary inner diameter. 1.7 Massflow (kg/h) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 T c 35 o C R134a, T c 45 o C R134a, T c 60 o C R134a, I.D=1.5mm L=1000mm 0 1 2 3 4 5 6 7 Subcooling Temperature ( o C) [Fig. 6] Comparison of mass flow rate of R134a and with the variation of subcooling temperature. Fig. 6는 R134a 냉매와 냉매의과냉도변화에대한질량유량을나타낸다. 모세관의길이 1 m, 모세관의직경 1.5 mm으로고정하고, 응축온도 35, 45, 45 에대하여과냉도가 0-7 로증가시키며시뮬레이션을실시하였다. 과냉도가증가할수록냉매의질량유량은전체적으로선형적인증가추세를나타내었다. 과냉도가 0 에서 7 로변화할때, 질량유량은 R134a 냉매의경우 28.3% 증가하였고, 냉매의경우에는 29.1% 증가하였다. 동일한조건에서 R134a 냉매는 냉매보다약 5-6% 정도냉매의질량유량이더많이흐르는것으로나타났다. 과냉도가증가함에따라과냉상태의냉매는모세관을통과하는동안상대적으로높은밀도로인해질량유량은증가하게된다. 6455
한국산학기술학회논문지제 15 권제 11 호, 2014 [Fig. 7] Comparison of mass flow rate of R134a and with the variation of condensing temperature. Fig. 7은 R134a 냉매와 냉매의모세관입구에서의온도변화에대한질량유량을나타낸다. 모세관입구에서의온도를 35 에서 60 로 5 씩증가시키고, 모세관의길이 1 m, 과냉도 3 조건에서시뮬레이션을실시하였다. 모세관입구온도가 35 에서 60 로증가할때, R134a 냉매의경우는 31.0%, 냉매의경우는 45.4% 의증가를나타내었다. 동일한조건에서 R134a 냉매가 냉매보다 4.4-7.8% 의질량유량이더큰것으로나타내었다. 이는모세관입구에서의온도가증가함에따라모세관입출구에서의압력차가증가하여질량유량이증가하기때문이다. 3. 결론 본논문은 냉매의모세관내의유동특성을분석하고자 R134a 냉매의선행연구의실험데이터를통하여시뮬레이션의신뢰도를보이고모세관길이와내경그리고운전조건변화에따른질량유량변화를고찰하여다음과같은결론을도출하였다. (1) R134a 냉매가 보다점성계수와질량유량이크기때문에동일한운전조건에서 냉매가 R134a 냉매보다압력강하가많이일어난다. 모세관의길이가 3m일경우 R134a 냉매는 56.4%, 냉매는 59.5% 의압력강하가일어난다. (2) 모세관의길이가 1 m에서 4 m로증가할때냉매 R134a와 의각각 47.0% 감소하는추세를나타내었으며, 동일한운전조건에서는포화온도에서의밀도가 R134a 냉매가 냉매보다크므로 4.0-5.3% 의질량유량이더큰것으로나타났다. (3) 모세관의직경이 1.3 mm에서 1.5 mm로증가할때냉매 R134a와 의냉매의질량유량의각각 117.9% 와 121.0% 증가하였다. (4) 모세관입구에서의과냉도가 0 에서 7 로증가하는경우과냉상태의냉매가모세관을통과하는동안상대적으로높은밀도를나타내므로질량유량이 R134a 냉매는 28.3%, 냉매는 29.1% 로각각증가를나타내었으며, 또한동일한운전조건에서는 R134a 냉매가 냉매보다약 5-6% 정도질량유량이더큰것으로나타났다. (5) 모세관입구에서의온도가증가할수록모세관입출구에서의압력차가증가하여 R134a 냉매는 31.0%, 냉매는 45.4% 의질량유량증가를나타내었으며, 동일한운전조건에서는 R134a 냉매가 냉매보다 4.4-7.8% 의질량유량이더큰것으로나타났다. References [1] Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer, Final Act, United Nations Environment Programme, 1989. [2] J. Jetter, Evaluation of alternatives for HFC-134a Refrigerant in motor vehicle air conditioning, Proceedings of the international conference on ozone protection technologies, washington DC., USA, pp. 845-854, 1996. [3] Gloval environmental change report, A brief analysis of the kyoto protocol, Vol. 4, No. 24, 1997. [4] B. Minor, M. Spatz, HFO-1234yf low GWP refrigerant update, Proceedings of international refrigeration and air conditioning conference at purdue, West lafayette, Indiana, USA, 2349, 2008. [5] C. Zilio, J. S. Brown, A. Cavallini, Simulation of R-1234yf performance in a typical automotive system", 3rd IIR Conference on Thermophysical Properties and Transfer Processes of Refrigerants, Boulder, CO, USA, IIR 1280, 2009. 6456
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