에어컨 증발기용 열교환기 직경 감소에 따른 냉매 분배기 모세관 설계에 관한 연구

1.1 연구배경 및 연구목적

국민 개개인의 전반적인 소득수준이 높아지고 개인의 편안하고 쾌적한 삶에 대한 관심이 집중되면서 가전제품 등의 전자기기 사용이 꾸준히 증가되고 있다. 그러나 화석연료의 수급 불안정에 따른 지속적인 원가상승으로 전기 요금에 대한 부담도 같이 증가하고 있는 상황이다. 또한 국내의 경우 에너지 소비 효율 등급 표시 제도에 의해 제조업자는 생산 단계에서부터 원칙적으로 에너지 절약형 제품을 생산하기 위한 의무적인 신고를 해야 하며 최저 소비 효율 기준 미달 제품의 경우 생산 및 판매가 금지되고 있다. 그래서 대표적 에너지 사용기기인 에어컨에 있어서도 고효율화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어져 오고 있다. 에어컨 성능 향상을 위해 에어컨의 주요 구성요소인 증발기, 압축기¹⁾, 응축기, 팽창 밸브²⁾에 대한 연구가 주로 이루어지고 있으며, 또한 균일한 냉매 분배로 에어컨 효율을 향상시키기 위해 Tae³⁾, Lee⁴⁾ 등은 냉매 분배기의 형상, 각 분지관의 내경, 길이와 설치 위치를 중요하게 고려했으며 Lee⁴⁾ 등은 동일한 열교환기 면적에서 패스 개수 증가에 따른 성능 향상을 시뮬레이션과 실험으로 검증했다. Kim⁵⁾은 임계점 부근에서의 냉매 분배에 대한 연구를 수행하였다. Ku⁶⁾는 열교환기 내관 직경과 길이에 따른 성능에 대한 연구를 수행하였다.

이처럼 열교환기의 최적설계를 위해 내부에 균일한 냉매 유동을 유도하기 위한 연구들이 활발하게 이뤄지고 있다.

본 연구에서는 열전달특성 향상 및 원가절감을 위해 열교환기 튜브의 직경을 감소시킨 경우를 대상으로 최적성능을 구현하기 위한 냉매 분배장치의 효과적인 설계기법의 개발과 검증을 수행하였다.

1.2 냉매 분배기 구조 및 해석 인자

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 냉매 분배기의 구조를 나타낸 것으로 원통형 냉매 분배기에 3개의 모세관이 분지됨으로써 열교환기에 3개의 패스로 냉매를 분배하는 역할을 한다. 직경이 감소 된 열교환기의 성능을 기존 열교환기와 동등한 수준으로 유지하기 위해 냉매 분배기에서 열교환기로 균일하게 냉매를 분배해야 한다. 이 때 냉매 분배기 모세관의 해석을 위한 주요 인자로는 모세관의 직경, 길이, 조도가 있다. 그 중 조도는 동일 모세관 제품을 사용함으로써 영향 인자로 고려하지 않았다. 따라서 직경이 감소 된 열교환기의 최대 냉방 능력을 예측하기 위하여 냉매 분배기 모세관 길이와 직경을 해석 인자로 선정하였다.

Fig. 1

Capillary of refrigerant distributor

2.1 기존 열교환기 성능 측정

2.2 열교환기 시뮬레이션 해석

2.2.2 기존 열교환기 시뮬레이션 조건

에어컨의 냉방능력은 실내기에 의해 산출되므로 열교환기 해석 프로그램에서 온도 조건은 KS 규격인 건구온도 27℃, 습구 온도 19℃를 적용하였으며 열교환기의 기하학적 형상, 제품 풍량은 실제 제품 사양을 입력하였다. 냉매의 출구 압력과 건도는 냉매 사이클 온도를 이용하여 P-h선도에서 구하며 질량유량은 식 (1)로 산출하였다.

$\[ \dot{m}={\text{ρ}}_{ ref}\times V_{ comp}\times RPS\times {\text{η}}_{ comp} \]$

(1)

$$ \dot{m}$$ : 질량유량(kg/s)
ρ_ref = 압축기유입부냉매밀도(kg/m³)
V_comp = 압축기체적(m³)
RPS = 압축기회전수(revolution/s)
η_comp = 압축기체적효율

또한 상관 관계식은 Table 1 의 공기측, 냉매(액상냉매, 기상냉매, 이상냉매)측 각각의 열전달 및 압력 강하 관계식을 사용하였다.

Table 1

Correlations for heat transfer and pressure drop according to the refrigerant phases

3.1 기존 에어컨 성능 측정 결과

Table 2는 기존 냉매 분배기를 적용한 에어컨 냉방 실험 결과로 냉방 능력은 5,620 W이다. 냉매 분배기에 의해 열교환기의 3개 패스로 냉매를 분배하였고 열교환기 전단부와 후단부에 열전대를 부착하여 냉매 온도를 측정하였다. 분배기에서 세 개의 패스로 냉매를 분배하는 구조로 각 패스의 과열도는 0℃ 이상, 3℃ 이하여야한다. 따라서 3℃ 이상의 높은 과열도를 가진 패스는 냉매 유동이 균일하지 않다고 판단 할 수 있다. 1~3번 패스 입구 온도는 각각 9.1, 9.4, 9.3℃, 출구는 11.0, 12.9, 12.1℃였으며, 과열도는 각각 1.9, 3.5, 2.8℃ 로 분석되었다. 과열도 분석 결과 냉매는 2번, 3번 패스로는 상대적으로 적게 유입되어 과열도가 높음을 알 수 있었다. 특히 2번 패스의 경우 과열도가 3℃ 이상으로 높은 과열도를 가짐으로써 냉매 분배기에서 열교환기로의 냉매 유동이 균일하지 않음을 파악할 수 있다.

Table 2

Test results of the reference air- conditioner

그리고 해당 열교환기의 냉방 능력에 대해 시뮬레이션 프로그램으로 분석한 결과 5,565 W로 분석이 되었으며, 이는 실험결과인 5,620 W 대비 99% 수준으로 상당히 정확한 분석결과를 도출하였다.

3.2 개발 에어컨 시뮬레이션 해석 결과

Table 3은 냉매 분배기 모세관의 직경과 길이를 변수로 한 냉방능력의 변화에 대한 분석결과이다.Case 4, 5, 6은 모세관 길이를 변경하였고 Case 2, 3, 8은 모세관 직경을 변경하였으며 Case 7은 직경과 길이가 모두 변경된 조건이다.

Table 3

Analysis of the heat transfer performance according to the specifications of the refrigerant distributor

Case 1은 기존 에어컨 냉매 분배기를 직경 감소 열교환기에 부착하여 시험을 진행한 결과로 기존 냉방 능력 대비 약 15% 감소함을 확인할 수 있었고 1번 패스로 냉매가 과다하게 유입되어 상대적으로 2번, 3번 패스로 냉매가 적게 유입됨을 과열도를 통해 확인하였다.

Case 2는 Case 1에서 1번 패스로 냉매가 과다하게 유입되어 직경을 약 60% 수준으로 설정하여 시험을 진행한 결과로 이전 냉방 능력 대비 약 3.5% 상승함을 확인할 수 있었지만 1번 패스로 냉매가 너무 적게 유입되어 약 5.2℃의 높은 과열도를 나타내고 있다.

Case 3은 Case 2에서 1번 패스로 냉매가 적게 유입되어 직경을 83% 수준으로 증가하여 시험을 진행한 결과로 1번 패스로 냉매가 편중됨을 보였고 그로 인해 2번, 3번 패스로 적은 냉매가 유입되어 냉방 능력이 이전에 비해 감소했다.

Case 4는 Case 3에서 1번 패스로 냉매가 과다하게 유입되어 길이를 약 59%만큼 증가시켜 시험을 진행한 결과로 냉방 능력은 이전 시험에 비해 약 6.7% 상승함을 확인할 수 있었으나 3번 패스의 과열도가 -1.7℃로 액상 냉매가 유입됨을 확인하였다.

Case 5는 Case 4에서 3번 패스로 냉매가 과도하게 유입되어 3번 패스 모세관 길이를 약 9% 만큼 증가하여 시험을 진행한 결과로 3번 패스의 과열도는 증가하였으나 1번, 2번 패스의 과열도가 같이 증가하여 냉방 능력은 감소하였다.

Case 6은 Case 5 대비 3번 패스의 냉매 분배기 모세관 길이를 더 증가시켜 기준 대비 59% 증가된 수준으로 맞추었으며 이를 통해 1번, 2번 패스의 과열도를 감소시켜 냉방 능력을 약 4.7% 향상시킬 수 있었으나 3번 패스의 과열도가 -0.6℃로 측정되어 다시 분석을 진행하였다.

Case 7은 Case 6대비 3번 패스 직경을 17% 감소시키고, 길이는 기준치의 97%로 설정하였다. 이는 Case 3에서 3번 패스의 과열도가 –0.6℃였기 때문에 직경만 감소시킬 경우 다른 패스측의 과열도가 증가할 것을 우려하여 길이를 함께 감소시켰다. 그 결과 냉방능력은 이전 시험에 비해 약 1.3 % 증가하였으나 3번 패스로 냉매가 과도하게 흐르는 결과가 도출되었다.

Case 8은 Case 7의 조건에서 3번 패스의 직경을 기준 대비 60% 수준으로 감소시켰다. 그 결과 3개의 패스 모두 과열도는 양수로 각각 2.2, 0.9, 0.1이었으며 냉방 능력은 기존 에어컨 냉방 능력의 약 97%를 나타내었다.

Fig. 2는 상기에서 분석된 8가지 Case별 냉방능력에 대해 실험결과와 해석결과를 비교한 그래프이며 약 93~99%의 정확도를 나타내고 있다.

Fig. 2

Comparisons of the cooling capacity between the simulation and experimental data