KR100335379B1 - 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도차에 의해 현열교환 외에 냉매의 응축과 증발잠열을 이용하여 열교환이 진행되는 열교환기의 성능을 시험하기 위한 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법에 관한 것으로서,
부가적인 전기히터장치로 예열 및 잔열을 통해 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 2종 이상의 냉매를 교체 사용하기 때문에 열교환기의 열교환량을 냉매측과 공기측에서 동시에 계측할 수 있고, 냉매측 건도 상태(2상 상태)에 따른 열전달 특성 평가를 수행할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
Description
본 발명은 온도차에 의해 현열교환 외에 냉매의 응축과 증발잠열을 이용하여 열교환이 진행되는 열교환기의 성능을 시험하기 위한 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 부가적인 전기 히터 장치를 이용하여 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 충족시킬 수 있는 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치를 첨부된 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치의 구성이 도시된 구성도이다.
도 1을 참조하면, 냉장고용 열교환기(11)의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사하게 열교환기(11)가 장착되어 내외부가 단열되는 풍동(wind channel)부(10)와, 상기 열교환기(11) 입구 및 출구 조건을 맞추기 위해 일정 온도의 열량 흡열을 위한 브라인(brine) 냉매의 온도와 압력이 조절되는 냉매공급부(20)와, 상기 냉매공급부(20)와 상기 열교환기(11) 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부(15a) 및 냉매 출구부(15b)로 구성된다.
여기서, 브라인 냉매는 염화칼슘 수용액, 염화나트륨 수용액, 염화마그네슘 수용액을 말하는데, 이들은 냉동장치와 냉각되는 물체 사이에 개입하여 열을 이동시키는 매체 역할을 수행한다. 특히, 상기 풍동부(10)는 열교환기(11) 중에서 증발기의 표면온도가 －36℃이하로 떨어지므로 실내 및 실외가 잘 단열되는 구조로 형성되어 있다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 냉장고용 열교환기의 시험장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단상 상태의 브라인 냉매가 냉매공급부(20)에서 냉매 입구부(15a)를 통해 상기 열교환기(11)로 유입되면 응축 또는 증발 작용을 수행한 후에, 냉매 출구부(15b)를 통해 상기 냉매공급부(20)로 다시 들어오게 된다.
이때, 상기 냉매공급부(20)에서는 단상인 브라인 냉매를 이용하여 저온용 냉동 사이클이 수행되도록 하기 때문에 실제 상태의 상기 열교환기(11) 입구 및 출구 조건을 만족시킬 수 없고, 열교환시 온도 조건만 충족시키므로 현열 전달값만을 알 수 있어 정확한 열전달 특성 평가가 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 부가적인 전기히터장치로 예열 및 잔열을 통해 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 2종 이상의 냉매를 교체 사용하기 때문에 열교환기의 열교환량을 냉매측과 공기측에서 동시에 계측할 수 있고, 냉매측 건도 상태(2상 상태)에 따른 열전달 특성 평가를 수행할 수 있는 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치의 구성이 도시된 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치가 도시된 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치의 시험 조건이 도시된 테이블,
도 4a는 도2의 일부 구성요소인 열교환기 중에서 응축기의 시험에서의 압력-엔탈피 선도가 도시된 도면,
도 4b는 도2의 일부 구성요소인 열교환기 중에서 증발기의 시험에서의 압력-엔탈피 선도가 도시된 도면,
도 5는 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험방법이 도시된 순서도,
도 6a는 도 5중에서 응축기의 열량을 측정하기 위한 방법이 도시된 순서도,
도 6b는 도 5중에서 증발기의 열량을 측정하기 위한 방법이 도시된 순서도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50 : 풍동장치 51 : 열교환기
55a : 냉매 입구부 55b : 냉매 출구부
60 : 냉매 조절부 61 : 압축기실
62 : 응축기실 63 : 서브쿨러
64 : 프리히터 65 : 애프터히터
66 : 흡입 유닛 67 : 오벌 유량계
68 : 압축기실 입구 69 : 유동제어부
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 방법의 제1 특징에 따르면, 냉장고용 열교환기의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사하게 열교환기가 장착되어 내외부가 단열된 풍동부와, 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 맞추기 위해 냉매의 온도와 압력이 조절되는 냉매조절부와, 상기 냉매조절부와 상기 열교환기 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부 및 냉매 출구부로 이루어진 냉장고용 열교환기의 시험장치에 있어서,
상기 냉매조절부는 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 압축기의 주위 온도를 조절하는 압축기실과, 응축 온도 및 압력을 조절하는 응축기실과, 과냉도를 조절 제어하는 과냉각기와, 상기 열교환기 입구조건을 조절하기 위해 상기 냉매 입구부의 열량을 미리 냉매측에 공급시키는 예열기와, 상기 열교환기의 출구 조건을 조절하기 위해 상기 냉매 출구부의 열량을 미리 공급시키는 잔열기와, 과열도를 조절제어하는 흡입수단을 포함하여 구성된다.
또한, 상기한 제1 특징의 부가적인 특징에 따르면, 상기 냉매조절부는 냉매의 흐름을 제어하여 그 제어결과를 시스템에 전달하는 유동제어부와, 냉매의 유량을 측정하는 오벌 유량계(Oval Flow Meter)가 구비된다.
한편, 본 발명의 제2 특징에 따르면, 냉장고용 열교환기의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사하게 열교환기가 장착되어 내외부가 단열된 풍동부와, 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 맞추기 위해 냉매의 온도와 압력이 조절되는 냉매조절부와, 상기 냉매조절부와 상기 열교환기 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부 및 냉매 출구부로 이루어진 냉장고용 열교환기의 시험방법에 있어서,
상기 냉매조절부는 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 상기 열교환기로 예열 및 잔열을 통해 적절한 냉매를 공급하여 열교환을 진행시키는 제1 과정과, 상기 열교환기의 입구 및 출구 조건을 조절하기 위해 응축 열량을 측정하는 제2 과정과, 상기 열교환기의 입구 및 출구 조건을 조절하기 위해 증발 열량을 측정하는 제3 과정을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기한 제2 특징의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제2 과정에서는 상기 열교환기 중에서 응축기의 입구 조건을 충족시키기 위해 미리 예열되어 상기 열교환기로 공급되는 공급냉매의 엔탈피(enthalpy) 및 예열량을 계산하는 제1 단계와, 상기 열교환기의 출구 조건을 충족시키도록 잔열되어 상기 열교환기를 통해 배출되는 배출냉매의 엔탈피를 계산하는 제2 단계와, 상기 제1 및 제2 단계의 공급냉매의 엔탈피에서 배출냉매의 엔탈피의 차로 응축 열량을 계산하는 제3 과정으로 이루어진다.
그리고, 상기한 제2 특징의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 제3 과정에서는 상기 열교환기 중에서 증발기의 입구 조건을 충족시키기 위해 미리 예열되어 상기 열교환기로 공급되는 공급냉매의 엔탈피(enthalpy) 및 예열량을 계산하는 제1 단계와, 상기 열교환기의 출구 조건을 충족시키도록 잔열되어 상기 열교환기를 통해 배출되는 배출냉매의 엔탈피를 계산하는 제2 단계와, 상기 제1 및 제2 단계의 공급냉매의 엔탈피에서 배출냉매의 엔탈피를 빼어 증발 열량을 계산하는 제3 과정으로 이루어진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치가 도시된 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험장치의 시험 조건이 도시된 테이블이다. 그리고, 도 4a는 도2의 일부 구성요소인 열교환기 중에서 응축기의 시험에서의 압력-엔탈피 선도가 도시된 도면이며, 도 4b는 도2의 일부 구성요소인 열교환기 중에서 증발기의 시험에서의 압력-엔탈피 선도가 도시된 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 냉장고용 열교환기의 시험방법이 도시된 순서도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 5중에서 응축기 및 증발기의 열량을 측정하기 위한 방법이 도시된 순서도이다.
먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 냉장고용 열교환기(51)의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사한 형태로 열교환기(51)가 장착되어 내외부가 단열된 풍동장치(50)와, 상기 열교환기(51) 입구 및 출구 조건을 실제 상태와 유사하도록 조절하기 위해 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 그 온도와 압력을 적당하게 조절하는 기능이 수행되는 냉매조절부(60)와, 상기 냉매조절부(60)와 열교환기(51) 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부(55a) 및 냉매 출구부(55b)로 이루어지되,
상기 냉매조절부(60)는 압축기의 주위 온도를 조절하는 압축기실(61)과, 응축 온도 및 압력을 조절하는 응축기실(62)과, 과냉도를 조절 제어하는 서브쿨러(sub-cooler)(63)와, 상기 열교환기(51)의 입구 조건을 조절하기 위해 예열 작용을 수행하는 프리히터(pre-heater)(64)와, 상기 열교환기(51)의 출구 조건을 조절하기 위해 잔열 작용을 수행하는 애프터히터(after-heater)(65)와, 냉매의 유량을 측정하는 오벌 유량계(67)와, 과열도를 조절 제어하는 흡입 유닛(suction unit)(66)과, 냉매의 유동을 조절 제어하여 그 제어 결과를 시스템에 전달하는 유동제어부(69)가 포함된다.
이때, 도 2에서 미설명된 참조 번호 68은 상기 압축기실(61)의 입구를 나타낸다.
구동 냉매는 HFC-134a 또는 CFC-12 중에서 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있고, 사용자가 응축 압력, 증발 압력, 입구 조건(온도, 건도)을 입력하면 자동적으로 상기 열교환기(51)의 시험이 진행되며, 압축기가 구동된 후에 초기 안정 시간까지 약 4시간 가량 소요된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 각 시험의 열교환량 제어 정도는 ±1.0％ 또는 ±2kcal/h이며, 최대 열교환량 측정 범위는 1290kcal/h이다. 그리고, 상기 오벌유량계(67)의 측정 범위는 0∼12㎏/h이며, 유량제어 정도는 ±4.0％이다. 응축 압력의 조절 범위는 7.82∼17.48㎏f/㎠(응축 온도 상당 30∼65℃)이며, 응축 압력의 제어 정도는 ±0.1㎏f/㎠이고, 응축 시험시 열교환기(51)의 입구 온도 제어 범위는 0∼100℃이다. 한편, 증발 압력의 조절 범위는 1.08∼3.55㎏f/㎠(증발 온도 상당 -35∼-5℃)이고, 증발 압력의 제어 정도는 ±0.02㎏f/㎠이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 냉장고용 열교환기의 시험장치의 동작은, 사용자가 응축 압력, 증발 압력, 입구 조건과 같은 시험 조건을 입력하게 되면 자동적으로 응축기 또는 증발기로 이루어지는 열교환기(51)의 열교환량 시험, 압축기의 열량 계측 시험을 동시에 수행할 수 있게 된다.
이때, 프리히터(64)에서는 실제 냉장고에서와 동일한 조건을 갖출 수 있도록 냉매 입구부(55a)의 열량을 미리 냉매측에 공급해 주기 때문에 도 4에 도시된 압력-엔탈피의 그래프에 도시된 바와 같이 2상 상태점을 상기 열교환기(51)의 입구 조건으로 맞출 수 있게 된다. 그리고, 애프터히터(65)에서도 냉매 출구부(55b)의 열량을 미리 냉매측에 공급해 주기 때문에 열교환이 완료된 후에 냉매측의 출구점을 쉽게 알아낼 수 있게 된다.
다음, 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 냉장고용 열교환기의 시험방법을 살펴보면, 제1 과정에서는 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 그 냉매에 프리히터(64)에 의한 예열 및 애프터히터(65)에 의한 잔열을 공급한 후에, 냉매를 냉매 입구부(55a)를 통해 상기 열교환기(51)로 전달함으로써 열교환을 진행시키게 된다.(S10 참조)
그 후, 제2 과정에서는 도 4a에서 C4와 C5 사이에서 열교환이 진행되는 부분으로서 C4지점은 이상 영역으로 실험시 열교환기(51) 입구의 응축 압력과 건도를 제어하므로 그 응축 압력에서의 포화 증기 및 포화액의 엔탈피, 그리고 건도를 이용하여 상기 열교환기(51)의 전열량(Qc)를 계산함으로써 응축기의 입구 조건을 충족시킬 수 있게 된다.(S20 참조)
여기서, 도 6a를 참조하여 상기 제2 과정(S20)에서 전열량(Qc)을 구하기 위한 방법을 살펴보면 다음과 같다. 제1 단계에서는 상기 C4지점에서의 엔탈피(hC4)가 (1-x)hf + xhg를 이용하여 계산되게 되고(S21 참조), 제2 단계는 상기 C4지점을 제어하기 위해 상기 프리히터(64)에서 공급되는 예열량(PH1)이 (hC4 - hC3) ÷ 0.86 × m1을 이용하여 계산되게 된다.(S22 참조)
그리고, 제3 단계에서는 상기 C5 지점의 엔탈피(hC5)를 계산하는데 hC5= hC6-(잔열량(AH1)÷m1×0.86)이고(S23 참조), 제4 단계는 상기 제1 단계 내지 제3 단계(S21, S22, S23)를 통해 계산된 C4, C5지점에서의 엔탈피(hC4, hC5) 차로 응축기의 전열량을 계산하게 된다. 즉, Qc=m1×(hC5-hC4)이다.(S24 참조)
이때, hC3, hC6은 C3, C6 지점에서의 엔탈피이고, x는 건도이며, m1은 오벌 유량계(67)로 측정한 냉매의 유량이다. 그리고, AH1은 애프터히터(65)에서 냉매측에 공급되는 잔열량이다.
마지막으로, 제3 과정에서는 증발기의 입구 조건을 충족시키기 위해 상기 제2 과정(S20)에서와 마찬가지로 증발기의 전열량(Qe)을 계산하게 된다. 도 4b에서 E5, E6 지점이 열교환 부분으로 그 중에서 E5 지점은 이상영역이고 실험시 열교환기(51) 입구의 증발 압력과 건도를 제어하게 된다. 따라서, 상기 증발 압력에서의 포화증기 및 포화액의 엔탈피, 그리고 건도를 이용하여 상기 전열량(Qe)을 구하게 된다.(S30 참조)
즉, 도 6b를 참조하면, 제1 단계에서는 (1-x)hf + xhg를 이용하여 상기 E5지점에서의 엔탈피(hE5)를 구하게 되고(S31 참조), 제2 단계에서는 (hE5-hE4)÷0.86×m2를 이용하여 예열량(PH2)을 구하게 된다.(S32 참조)
그 후, 제3 단계에서는 E6 지점에서의 엔탈피(hE6 = hE7 - (잔열량 (AH2) ÷ m2 × 0.86)을 구하게 되고(S33 참조), 제4 단계에서는 E5와 E6 지점에서의 엔탈피(hE5, hE6) 차에 유량(m2)을 곱하여 증발기 입구지점의 엔탈피(Qe=m2×(hE6-hE5))를 구하게 된다.(S34 참조)
이때, hE4, hE7은 E4, E7 지점에서의 엔탈피이고, x는 건도이며, m2는 오벌 유량계(67)로 측정한 냉매의 유량이다. 그리고, AH2는 애프터히터(65)에서 냉매측에 공급되는 잔열량이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 냉장고용 열교환기의 시험장치 및 그 방법은 부가적인 전기히터장치로 예열 및 잔열을 통해 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 2종 이상의 냉매를 교체 사용하기 때문에 열교환기의 열교환량을 냉매측과 공기측에서 동시에 계측할 수 있고, 냉매측 건도 상태(2상 상태)에 따른 열전달 특성 평가를 수행할 수 있는 효과가 있다.
Claims (5)
- 냉장고용 열교환기의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사하게 열교환기가 장착되어 내외부가 단열된 풍동부와, 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 맞추기 위해 냉매의 온도와 압력이 조절되는 냉매조절부와, 상기 냉매조절부와 상기 열교환기 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부 및 냉매 출구부로 이루어진 냉장고용 열교환기의 시험장치에 있어서,상기 냉매조절부는 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 압축기의 주위 온도를 조절하는 압축기실과, 응축 온도 및 압력을 조절하는 응축기실과, 과냉도를 조절 제어하는 과냉각기와, 상기 열교환기 입구조건을 조절하기 위해 상기 냉매 입구부의 열량을 미리 냉매측에 공급시키는 예열기와, 상기 열교환기의 출구 조건을 조절하기 위해 상기 냉매 출구부의 열량을 미리 공급시키는 잔열기와, 과열도를 조절 제어하는 흡입수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉장고용 열교환기의 시험장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉매조절부는 냉매의 흐름을 제어하여 그 제어결과를 시스템에 전달하는 유동제어부와, 냉매의 유량을 측정하는 오벌 유량계(Oval Flow Meter)가 구비된 것을 특징으로 하는 냉장고용 열교환기의 시험장치.
- 냉장고용 열교환기의 성능을 시험하기 위해 실제 상태와 유사하게 열교환기가 장착되어 내외부가 단열된 풍동부와, 실제 상태의 열교환기 입구 및 출구 조건을 맞추기 위해 냉매의 온도와 압력이 조절되는 냉매조절부와, 상기 냉매조절부와 상기 열교환기 사이에서 냉매가 출입되는 냉매 입구부 및 냉매 출구부로 이루어진 냉장고용 열교환기의 시험방법에 있어서,상기 냉매조절부는 2종 이상의 냉매를 교체 사용하면서 상기 열교환기로 예열 및 잔열을 통해 적절한 냉매를 공급하여 열교환을 진행시키는 제1 과정과, 상기 열교환기의 입구 및 출구 조건을 조절하기 위해 응축 열량을 측정하는 제2 과정과, 상기 열교환기의 입구 및 출구 조건을 조절하기 위해 증발 열량을 측정하는 제3 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 냉장고용 열교환기의 시험방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제2 과정에서는 상기 열교환기 중에서 응축기의 입구 조건을 충족시키기 위해 미리 예열되어 상기 열교환기로 공급되는 공급냉매의 엔탈피(enthalpy) 및 예열량을 계산하는 제1 단계와, 상기 열교환기의 출구 조건을 충족시키도록 잔열되어 상기 열교환기를 통해 배출되는 배출냉매의 엔탈피를 계산하는 제2 단계와, 상기 제1 및 제2 단계의 공급냉매의 엔탈피에서 배출냉매의 엔탈피의 차로 응축 열량을 계산하는 제3 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉장고용 열교환기의 시험방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제3 과정에서는 상기 열교환기 중에서 증발기의 입구 조건을 충족시키기 위해 미리 예열되어 상기 열교환기로 공급되는 공급냉매의 엔탈피(enthalpy) 및 예열량을 계산하는 제1 단계와, 상기 열교환기의 출구 조건을 충족시키도록 잔열되어 상기 열교환기를 통해 배출되는 배출냉매의 엔탈피를 계산하는 제2 단계와, 상기 제1 및 제2 단계의 공급냉매의 엔탈피에서 배출냉매의 엔탈피를 빼어 증발 열량을 계산하는 제3 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉장고용 열교환기의 시험방법.
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