관경 변화에 따른 R-1234yf의 응축 압력강하에 관한 실험적 연구

1. 서 론

효율 및 안전성 측면에서 우수한 프레온계 냉매(CFC, HCFC)는 대기 중에 누출될 경우 오존층이 파괴되는 문제가 발생되어 2000년 이후 CFC계 냉매의 사용이 전면 금지되었으며, HCFC계 냉매 또한 2030년 이후로 사용이 전면 금지될 예정이다. 이러한 상황을 전환하고자 개발 중인 HFO계 냉매는 낮은 GWP를 가지고 있어 환경친화적인 신냉매로 주목받고 있다. HFC계 냉매 중 여러 분야에서 사용되고 있는 R-134a와 열역학적 물성치가 유사한 HFO계 냉매 R-1234yf에 대한 연구는 2006년 이후 활발히 진행되었으며^1~6) 대표적인 종래연구는 다음과 같다.

Del col 등⁷⁾은 질량유속 200~1000 kg/m²s, 포화온도 40℃, 직경 0.96 mm 원형 미니채널 내 R-1234yf와 R-134a의 응축 압력강하를 실험적으로 연구하였다. 그 결과, R-1234yf의 압력강하는 R-134a보다 10~12% 낮다고 밝혔다. Illan-Gomez 등⁸⁾은 질량유속 350~940 kg/m²s, 포화온도 30~55℃, 내경 1.16 mm 미니채널 내 R-1234yf와 R-134a의 응축 압력강하 실험을 수행하였다. 그 결과, R-1234yf의 압력강하는 R-134a보다 5~7% 더 낮다고 보고하였다. Longo 등⁹⁾은 내경 4 mm 수평관 내 R-134a, R-152a, R-1234yf 및 R-1234ze(E)의 응축 압력강하에 대해서 비교 및 분석을 하였다. 그 결과, R-152a, R-1234yf 및 R-1234ze(E)는 R-134a와 유사한 압력강하 성능을 보여주므로 장기적으로 R-134a의 대체 냉매로 적절하다고 평가하였다.

위에서 언급한 종래의 연구들을 요약하면, 다양한 관경 변화에 따른 수평 평활관 내 R-1234yf의 응축기 내 압력강하에 대한 실험적 연구 결과가 대단히 부족한 실정이다. 따라서 R-1234yf의 응축 압력강하 메커니즘을 명확히 규명하기 위하여 실험적인 연구가 필요함을 알 수 있다. 본 연구에서는 R-1234yf를 작동 유체로 하여 관경 변화에 따른 응축 압력강하에 대한 실험적 연구를 하고자 하며, 냉동·공조 산업에서 중요한 요소인 응축기 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

2. 실험장치 및 데이터 정리

2.1 실험장치 및 조건

Fig. 1은 R-1234yf의 응축 과정 중에서 압력강하를 측정하고자 제작한 실험장치로 마그네틱 기어펌프, 예열기, 수액기 등으로 구성된 장치도이다. 장치도는 냉매 순환경로와 열원수 순환경로로 구분된다. Fig. 2는 시험부의 상세도를 나타낸 것이다. 냉매의 순환경로는 수액기에서 나온 냉매 액이 마그네틱 기어펌프를 통해 질량 유량계를 통과하며, 냉매 유량을 측정한다. 예열기에서 냉매 액은 가변 전압조정기로 인해 냉매 증기로 증발하며, 이때 일정 유량으로 조절하기 위해 유량 조절밸브와 바이패스를 사용한다. 냉매 증기는 시험부로 들어가서 열원수와 열교환하여 응축되며, 응축된 냉매 액은 수액기를 거쳐서 재순환한다. 열원수는 열원수 순환 펌프를 통해 순환하며, 냉동기 칠러로 온도를 일정하게 조절한다. 열원수의유량은 질량 유량계를 통해 측정한 후 일정 유량을 조절하며, 시험부의 외관과 내관 사이의 공간에서 냉매와 대향류로 흐른다. Table 1은 본 연구의 실험조건이다.

Fig. 1

Schematic diagram of experimental apparatus during condensing precess of R-1234yf

Fig. 2

Schematic diagram of the condenser using R-1234yf

Table 1

Experimental conditions during condensing process of R-1234yf

3. 실험결과 및 고찰

3.1 질량유속의 영향

Fig. 3은 응축기 포화온도가 45, 50℃이고, 질량유속이 200～500 kg/m²s인 범위에서 측정한 냉매의 압력강하를 질량유속 변화에 따라 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 모든 건도 영역에서 질량유속이 증가할수록 압력강하는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 질량유속의 증가로 난류가 촉진되어 압력강하가 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 3

Variation of experimental pressure drop with different mass fluxes for constant heat flux and saturation temperature

3.2 포화온도의 영향

Fig. 4는 R-1234yf의 국소 응축 압력강하를 포화온도 변화에 대해서 나타낸 것이다. 그림에서 포화온도가 증가하면 압력강하는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 Jung 등(1989)¹¹⁾의 상관식으로 잘 설명할 수 있다.

$\[ ∆P_{tp}=\frac{2f_{lo}{G}_{re}^{2}L}{d_i{\rho }_l}\left[\frac{1}{x}{\int }_0^x{{\Phi }_{tp}}^{2}dx\right] \]$

(4)

$\[ {{\Phi }_{tp}}^2=12.82{{X_{tt}}^{-1.47}\left(1-x\right)}^{1.8} \]$

(5)

(6)

Fig. 4

Variation of experimental pressure drop with different saturation temperature for constant mass and heat fluxes

식 (7)은 Martinelli and Nelson¹²⁾의 압력강하 상관식을 수정하여 제시된 Jung 등(1989)¹¹⁾의 상관식이다. 이 식에서 이상류 압력강하는 마티넬리 변수와 밀접한 관계가 있다는 것을 확인할 수 있다. 식 (7)로 계산되는 X_tt는 기상과 액상의 밀도비(ρ_v/ρ_l)^0.5, 액상과 기상의 점성계수비(μ_l/μ_υ)^0.1 등 물성치의 영향을 고려한 변수로서, Jung 등(1989)¹¹⁾의 응축 압력강하 상관식은 X_tt와 비례 관계에 있다. 따라서 냉매의 포화온도가 증가하면 X_tt값이 감소하여 응축 압력강하는 감소하게 된다.

$\[ X_{tt}={\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{0.9}{\left(\frac{{\rho }_{\upsilon }}{{\rho }_l}\right)}^{0.5}{\left(\frac{{\mu }_l}{{\mu }_{\upsilon }}\right)}^{0.1} \]$

(7)

3.3 관직경의 영향

응축기의 냉매관 직경은 압력강하에 상당한 영향을 미치므로, 관직경이 압력강하에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 관직경 변화에 따른 R-1234yf의 압력강하를 살펴보았다. Fig. 5는 일정한 포화온도와 질량유속 조건에서 R-1234yf의 압력강하를 관직경 변화에 대해 나타낸 것이다.

Fig. 5

Variation of experimental pressure drop with different diameter tubes for constant heat flux and saturation temperature

Fig. 5의 결과로부터, 관직경이 감소할수록 압력강하는 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 관직경이 감소할수록 전단 응력과 표면 장력의 영향이 증가하기 때문에 압력강하가 더 커지는 것으로 판단된다. 이에 대해서 Rahman 등¹³⁾과 Pabon 등¹⁴⁾은 동일한 연구 결과를 발표하였다.

또한 압력강하는 관직경이 감소할수록 또는 질량유속이 증가할수록 더욱더 두드러진다.

4. 압력강하 상관식

본 절에서는 지금까지 발표된 수평관 내 프레온계 냉매의 응축 압력강하 상관식인 Lockhart and Martinelli(1949),¹⁵⁾ Miyara 등(2004),¹⁶⁾ Hwand and Kim(2006),¹⁷⁾ Li and Wu(2010)¹⁸⁾이 발표한 논문에서 제시한 R-1234yf의 응축 압력강하 상관식을 비교하여 그 적용 가능성을 확인하였다. 그 중 Miyara 등이 발표한 논문이 ±22% 이내의 오차 범위에서 좋은 일치를 보여 그대로 이용할 수 있었다.

Miyara 등은 내경 1∼4 mm, 질량유속 50∼400 kg/m²s 조건에서 공기-물, R-134a, R-410A의 작동유체를 사용하여 관직경과 질량유속을 고려한 압력강하 상관식을 제안하였다.

Fig. 6은 실험으로 측정한 압력강하와 Miyara 등의 상관식으로 계산한 압력강하를 질량유속 변화에 따라 비교한 것이며, Table 2는 상관식에 따른 평균오차와 절대 평균오차를 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 실험으로 측정한 압력강하가 Miyara 등의 상관식과 유사한 값으로 나타났으며, 측정한 압력강하와 Miyara 등의 상관식으로 예측한 압력강하를 비교한 결과, 평균오차는 -21.7%이고, 절대 평균오차는 23.2% 정도였다. 이러한 결과는 Miyara 등의 상관식에 관경과 질량유속의 효과를 고려하여 포함시켰기 때문이다.

Fig. 6

Comparison of measured pressure drop data with those predicted by Miyara et al.' correlation

Table 2

Deviations between the calculated and experimental pressure drop in the condenser of inner diameter tube of 3.7 mm and 5.3 mm

5. 결 론

본 장에서 관경 변화에 따른 R-1234yf의 응축 압력강하에 관한 실험적 연구에 대해서 실험한 결과, 다음과 같이 정리하였다.

1) 응축기 내 응축 과정 중에 R-1234yf 압력강하는 모든 건도 영역에서 질량유속이 증가할수록 압력강하는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 질량유속의 증가에 따라 난류가 촉진되어 압력강하가 증가한 것으로 판단된다.

2) 기상과 액상의 밀도비와 점성계수의 영향으로 포화온도가 증가하면 압력강하는 작아지게 된다.

3) 관직경이 감소할수록 전단 응력과 표면 장력의 영향이 증가하기 때문에 압력강하가 더 커지게 된다.

4) R-134a와 R-1234yf의 압력강하를 비교한 결과, 대부분의 건도에서 R-134a의 마찰 압력강하가 R-1234yf보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 두 냉매의 기상 밀도와, 액상과 기상의 점성계수 차이 때문이다. 종래의 압력강하 상관식과 비교한 결과, 내경 3.7과 5.3 mm의 수평 평활관 내 R-1234yf의 응축 압력강하는 Miyara 등의 관경 변화와 상관없이 가장 좋은 일치를 보였다.

5) 종래의 응축 압력강하 상관식 중 Miyara 등의 상관식으로 예측한 값과 실험값은 ±20% 이내의 오차 범위에서 좋은 일치를 보이므로 Miyara 등의 상관식을 그대로 이용하여 R-1234yf를 이용하는 응축기 설계에 이용할 수 있을 것으로 사료되나 추가적인 연구를 통해서 더욱더 정확한 상관식의 개발이 필요하다고 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NO.2019R1F1A1059974).

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