공조기의 에너지 소비효율 향상으로 이어지는
기액 2상 냉매의 분배기술
Development of Gas-Liquid Two-Phase Flow Distributor for Improving Energy Efficiency in Air-Conditioners
미쓰비시중공업(주)/아오키 야스타카 외
세계 각국에서 환경부하 경감 대책으로 공조기의 에너지 절약 규제 강화가 추진되고 있다. 그에 따라 에너지절약성을 여름과 겨울뿐만 아니라 봄·가을인 중간기를 포함한 연간 에너지 소비효율로 평가하는 방향으로 이행되고 있다. 이 동향에 대한 어필의 하나가 열교환기의 복수 유로에 기액 2상 냉매의 분배를 적정화하는 것이다. 연중 열교환기 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 저부하 조건에서 고부하 조건까지 광범위하게 기액 2상 냉매 분배 특성이 변화하지 않는 신형 분배기를 개발했다.
1. 머리말
공조기나 히트펌프 급탕기에 대해 일본을 비롯한 세계 각국에서 에너지 절약을 위한 규제 강화가 진행되고 있다. 에너지 절약성 평가 지표는 기기의 사용 상황이나 능력 가변기의 보급을 고려하여 지금까지 여름과 겨울뿐만 아니라 새롭게 봄·가을이 중간기 등의 복수 온도 조건을 정하여 각 운전시간에 가중치를 부여하는 연간 에너지 소비효율로 이행하고 있다.
종래, 공조기의 에너지 절약성 향상을 위해서 압축기, 열교환기, 송풍 팬 등 주요 구성기기의 고성능화에 대응해 왔다. 또한, 주요 구성기기의 성능을 연간 충분히 발휘시킬 수 있는 대책의 중요성도 커지고 있다. 그 하나가 열교환기의 복수 유로에 대한 기액 2상 냉매 분배 기술이다.
2. 기액 2상 냉매 분배기술의 필요성
냉매가 열교환기 내를 흐를 때, 압력 손실을 줄이면 성능 향상으로 이어지므로 냉매는 복수의 유로로 나뉘어 흐르는 설계로 하고 있다. 열교환기가 증발기로 일하는 경우(냉방 시 실내 측의 열교환기 또는 난방 시 실외측의 열교환기)에는 팽창밸브 통과 후 “기액 2상” 상태의 냉매를, 열교환기 입구 앞에 설치한 분배기에서 복수유로로 분배한다. 이 복수 유로로의 냉매 유량을 풍속분포에 의해서 정해지는 각 유로의 열부하에 맞추어 적절히 분배하지 못하면 열교환기 성능을 충분히 발휘시킬 수 없다. 〈그림 1〉에 이 상황을 모식적으로 나타낸다.
부적절한 분배 상태에서는 특정 유로에 액체 냉매가 흐르는 과잉으로 한편, 다른 유로에서는 액체 냉매가 부족해지고 열교환에 기여하지 않는 과열가스 영역이 증대해 열교환기 성능이 저하한다. 특히 업무용 공조기에 적용하는 열교환기는 유로 수가 10 전후로 많아 유로 분기부 앞은 복잡한 기액 이상 흐름이므로, 적절한 냉매 유량 분배를 실현하는 것은 그리 쉽지 않다.
기존에는 유로 분기부 직전에 오리피스를 삽입함으로써 기액의 혼합을 촉진하는 등 다양한 고안에 의해 여름철과 겨울철 비교적 공조 부하가 높은 정격 조건에서 적절한 냉매 유량 분배가 되는 분배기 사양을 실험적으로 정해 왔다.
그러나, 냉매 유입 조건이 정격 조건과 다를 때는 복수 유로에 대한 냉매 유량의 분배 비율이 크게 변화하는 경우도 있어 중간기를 포함한 광범위한 조건에서 적절한 냉매 유량 분배가 실현되고 있다고는 말하기 어려웠다.
따라서, 연간 열교환기 성능을 충분히 발휘하기 위해서 유입하는 기액 2상 냉매의 유량·건도·압력 등이 변화해도 열교환기의 복수 유로에 대한 적절한 냉매 유량 분배를 유지할 수 있는 분배기의 설계 기술이 요구된다.
3. 품질공학을 활용한 유로 형상의 최적화
분배기 내부의 유로 형상 변경은 흐름 상황에 영향을 주어 열교환기의 복수 유로 냉매 유량 분배 비율(분배 특성)을 변화시킨다. 분배기의 형상 파라미터는 분배 특성에 복잡하게 관련하고 있어 어느 파라미터에서 분배 특성을 개선하는 조정법을 찾았다고 해도 다른 파라미터의 값이 다르면, 악화로 작용하는 경우가 발생할 수 있다. 그래서 품질공학(quality engineering)을 활용하여 관련된 형상 파라미터의 영향을 평가했다. 품질공학은 적은 시험 횟수로 각 파라미터의 감도(분배량 격차에 미치는 영향 정도)를 파악할 수 있는 방법이다.
3. 1 분배기의 구조
〈그림 2〉에 분배기의 기본 구조를 나타낸다.
중략
2015년 8월호 해외기술동향
공조기의 에너지 소비효율 향상으로 이어지는
기액 2상 냉매의 분배기술
Development of Gas-Liquid Two-Phase Flow Distributor for Improving Energy Efficiency in Air-Conditioners
미쓰비시중공업(주)/아오키 야스타카 외
세계 각국에서 환경부하 경감 대책으로 공조기의 에너지 절약 규제 강화가 추진되고 있다. 그에 따라 에너지절약성을 여름과 겨울뿐만 아니라 봄·가을인 중간기를 포함한 연간 에너지 소비효율로 평가하는 방향으로 이행되고 있다. 이 동향에 대한 어필의 하나가 열교환기의 복수 유로에 기액 2상 냉매의 분배를 적정화하는 것이다. 연중 열교환기 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 저부하 조건에서 고부하 조건까지 광범위하게 기액 2상 냉매 분배 특성이 변화하지 않는 신형 분배기를 개발했다.
1. 머리말
공조기나 히트펌프 급탕기에 대해 일본을 비롯한 세계 각국에서 에너지 절약을 위한 규제 강화가 진행되고 있다. 에너지 절약성 평가 지표는 기기의 사용 상황이나 능력 가변기의 보급을 고려하여 지금까지 여름과 겨울뿐만 아니라 새롭게 봄·가을이 중간기 등의 복수 온도 조건을 정하여 각 운전시간에 가중치를 부여하는 연간 에너지 소비효율로 이행하고 있다.
종래, 공조기의 에너지 절약성 향상을 위해서 압축기, 열교환기, 송풍 팬 등 주요 구성기기의 고성능화에 대응해 왔다. 또한, 주요 구성기기의 성능을 연간 충분히 발휘시킬 수 있는 대책의 중요성도 커지고 있다. 그 하나가 열교환기의 복수 유로에 대한 기액 2상 냉매 분배 기술이다.
2. 기액 2상 냉매 분배기술의 필요성
냉매가 열교환기 내를 흐를 때, 압력 손실을 줄이면 성능 향상으로 이어지므로 냉매는 복수의 유로로 나뉘어 흐르는 설계로 하고 있다. 열교환기가 증발기로 일하는 경우(냉방 시 실내 측의 열교환기 또는 난방 시 실외측의 열교환기)에는 팽창밸브 통과 후 “기액 2상” 상태의 냉매를, 열교환기 입구 앞에 설치한 분배기에서 복수유로로 분배한다. 이 복수 유로로의 냉매 유량을 풍속분포에 의해서 정해지는 각 유로의 열부하에 맞추어 적절히 분배하지 못하면 열교환기 성능을 충분히 발휘시킬 수 없다. 〈그림 1〉에 이 상황을 모식적으로 나타낸다.
부적절한 분배 상태에서는 특정 유로에 액체 냉매가 흐르는 과잉으로 한편, 다른 유로에서는 액체 냉매가 부족해지고 열교환에 기여하지 않는 과열가스 영역이 증대해 열교환기 성능이 저하한다. 특히 업무용 공조기에 적용하는 열교환기는 유로 수가 10 전후로 많아 유로 분기부 앞은 복잡한 기액 이상 흐름이므로, 적절한 냉매 유량 분배를 실현하는 것은 그리 쉽지 않다.
기존에는 유로 분기부 직전에 오리피스를 삽입함으로써 기액의 혼합을 촉진하는 등 다양한 고안에 의해 여름철과 겨울철 비교적 공조 부하가 높은 정격 조건에서 적절한 냉매 유량 분배가 되는 분배기 사양을 실험적으로 정해 왔다.
그러나, 냉매 유입 조건이 정격 조건과 다를 때는 복수 유로에 대한 냉매 유량의 분배 비율이 크게 변화하는 경우도 있어 중간기를 포함한 광범위한 조건에서 적절한 냉매 유량 분배가 실현되고 있다고는 말하기 어려웠다.
따라서, 연간 열교환기 성능을 충분히 발휘하기 위해서 유입하는 기액 2상 냉매의 유량·건도·압력 등이 변화해도 열교환기의 복수 유로에 대한 적절한 냉매 유량 분배를 유지할 수 있는 분배기의 설계 기술이 요구된다.
3. 품질공학을 활용한 유로 형상의 최적화
분배기 내부의 유로 형상 변경은 흐름 상황에 영향을 주어 열교환기의 복수 유로 냉매 유량 분배 비율(분배 특성)을 변화시킨다. 분배기의 형상 파라미터는 분배 특성에 복잡하게 관련하고 있어 어느 파라미터에서 분배 특성을 개선하는 조정법을 찾았다고 해도 다른 파라미터의 값이 다르면, 악화로 작용하는 경우가 발생할 수 있다. 그래서 품질공학(quality engineering)을 활용하여 관련된 형상 파라미터의 영향을 평가했다. 품질공학은 적은 시험 횟수로 각 파라미터의 감도(분배량 격차에 미치는 영향 정도)를 파악할 수 있는 방법이다.
3. 1 분배기의 구조
〈그림 2〉에 분배기의 기본 구조를 나타낸다.
중략
2015년 8월호 해외기술동향