이중관형 열교환기 내 이산화탄소의 저온 증발 열전달 특성에 관한 연구

Abstract

이산화탄소는 무취, 무독 부식성이 없으며 연소 및 폭발성이 없는 물질로서 냉매 회수가 필요 없고 일반 윤활유와 양호한 상용성을 가지고 있으며 단위 체적 당 냉동능력이 커서 장치의 소형화가 가능하다. 이상과 같은 이산화탄소의 장점 때문에 요즘 이산화탄소는 자동차/주거의 에어콘, 온수 히트펌프, 식품보존시스템에 관심이 커지고 있다. 이에 따라, 작동유체로 이산화탄소를 사용하는 캐스케이드 냉동시스템이 마켓에서 이용되고 있다. 증발열전달계수의 정확한 측정과 열전달 메커니즘의 이해는 열교환기와 시스템디자인을 콤펙트화 하기 위해서 필수적이다. 테스트 장비는 질량유량계, 예열기, 마그네틱 기어펌프, 시험부, 응축기, 수액기로 이루어져 있다. 시험부는 동으로 만들어졌다. 시험부의 내경과 외경은 8 mm, 9.52 mm이다. 분석조건으로는 냉매의 질량유속 (100 ~ 300 kg/m2s), 포화온도(-40 ~ -20 ℃) 그리고 열유속(20 ~ 40 kW/m2)이다. 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 이산화탄소 냉매의 질량유속이 100 kg/m2s인 경우에는 건도가 증가하여도 열전달 계수의 큰 변화가 없다. 냉매의 질량유속이 200, 300 kg/m2s인 경우에는 건도가 증가할수록 열전달계수가 증가하였다. 하지만 저건도(0 ~ 0.2) 영역에서는 질량유속에 상관없이 열전달계수가 비슷하였다. 한편, 이산화탄소의 증발온도가 증가할수록 증발 열전달계수는 감소하였다. 실험결과와 비교했을 때, 실험결과를 정확히 예측하는 상관식은 존재하지 않았다. 따라서 예전보다 정확한 이산화탄소 증발 열전달 상관식의 개발이 필요할 것으로 판단된다.

Carbon dioxide is odorless, non-toxic, non-corrosive, non-combustion and non-explosive. It is possible to be released and have superior compatibility with general lubricant. Furthermore, minimizing the system size is obtainable due to high freezing capacity per unit volume. For these advantages of carbon dioxide above, carbon dioxide has been receiving more attention in automobile/residential air-conditioners, hot water heat pumps and food preservation systems nowadays. Accordingly, cascade refrigeration systems using carbon dioxide as a working fluid at low temperatures are already being commonly used in the market. The accurate measurements of boiling heat transfer coefficients and the better understanding of the heat transfer mechanisms are essential to develop compact heat exchangers and system designs. The test devices consist of mass flow meter, pre-heater, magnetic gear pump, test section, condenser and liquid receiver. Test section is made of cooper tube. Inner and outer diameters of the test section are 8 mm and 9.52 mm, respectively. The analysis is conducted at mass fluxes from 100 kg/m2s to 300 kg/m2s, saturation temperature from –40 ℃ to –20 ℃ and heat flux of from 20 kW/m2 to 40 kW/m2. The main results are summarized as follows: In case that the mass flux of carbon dioxide is 100 kg/m2s, the heat transfer coefficient is constant regardless of vapor quality. In case of 200 kg/m2s and 300 kg/m2s, the heat transfer coefficient increases steadily following to increase of vapor quality. However, the heat transfer coefficient is constant regardless of mass flux at low vapor quality (0 ~ 0.2). Meanwhile, the heat transfer coefficient decreases as the heat flux of carbon dioxide increases. In comparison of heat transfer correlations with the experimental result, the heat transfer correlations do not predict them exactly. Therefore, more accurate heat transfer correlation than the previous one is required.