KR20030034289A

KR20030034289A - 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 ｃｃｓ 튜브

Info

Publication number: KR20030034289A
Application number: KR1020010062487A
Authority: KR
Inventors: 김용옥
Original assignee: 디와이 주식회사
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2003-05-09

Abstract

본 발명은 튜브 전체의 길이(L)에 걸쳐 벽의 두께(T_o)가 일정하고, 흡수액(3)과 접촉하는 튜브의 경계 벽면 형상이 타원형 또는 포물선형에 가까운 곡면을 가지며, 상기 벽면에 간격(Pf) 및 높이(Fh)가 일정한 핀이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브에 관한 것으로, 관 표면 위에 액막이 얇고 균일하게 형성되어 전열면적이 증대하고 흡수액이 튜브를 통과할 때 열 및 물질 전달 성능을 향상시키는 효과가 있어 흡수기 이외에도, 응축기 및 일반적인 열교환기에도 적용될 수 있다.

Description

흡수식 냉동기 및 냉온수기용 ＣＣＳ 튜브{CCS tube for absorption type refrigerator and water heater/chiller}

본 발명은 흡수식 냉동기/냉온수기에 사용되는 CCS 튜브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관 표면 위에 액막이 얇고 균일하게 형성되도록 평관을 일정한 형상을 갖도록 가공함으로써 전열면적이 증대하여 흡수액이 튜브를 통과할 때 열전달 효과가 개선된 것을 특징으로 하는 CCS 튜브에 관한 것이다.

흡수기는 증발기에서 냉매가 증발하면서 증발 온도가 상승되는 것을 흡수관의 표면에 흡수액을 산포시켜 얇은 막을 형성시킴으로써 수증기를 흡수케 한다. 흡수된 수증기의 열은 흡수관 내부로 흐르는 냉매(공기 또는 물)에 의해 흡수된다.

이러한 흡수식 냉동기 및 냉온수기는 증기압축식에서 사용되는 압축기 대신에 흡수기와 재생기를 사용하기 때문에, 전기가 아닌 열에너지를 구동원으로 사용하며 냉매도 CFC 계열 냉매가 아닌 물을 사용한다. 흡수식 냉동기는 열을 구동원으로 하기 때문에 여름철 전력수요의 피크문제를 해결할 수 있는 유력한 방법 중의 하나이며 또 가스 비수기인 여름철에 가스 수요를 촉진하는 효과를 거둘 수 있다. 뿐만 아니라 각종 생활배열, 공장배열, 태양열, 지열 등의 미이용 에너지도 활용할수 있어 에너지 절약에도 기여할 수 있어 지구온난화 가스인 CO₂의 방출을 줄이는 효과도 있다. 이는 결국 지구 환경보존에도 도움이 된다. 또한 흡수식 냉동기/냉온수기의 작동시 소요동력이 작고, 소음이 적게 발생하는 장점도 있다.

흡수기는 그 형상에 따라 수평관 흡수기, 수직관 흡수기, 경사평판 흡수기 등이 있다.

수평관 흡수기의 개략도는 도 1과 같다. 수평관(1)의 튜브벽(2)으로 LiBr-H₂O 용액(3)이 흐르고, 기-액 경계면(4)은 수증기(5)와 LiBr-H₂0(3)의 경계면이며, 수평관(1) 내부로는 냉각수(6)가 흐르는 형태로 되어 있다.

LiBr-H₂O 용액(3)을 작동유체로 하는 흡수기는 수증기 흡수량에 따라 그 성능이 결정된다. 수증기가 흡수되려면 경계면의 냉각효과가 있어야 하고, 그 냉각효과는 벽에서의 열흡수에 기인한 것이다.

이러한 열흡수를 위해, 일반적으로 수평관 외벽에 핀(7)을 사용하여 수증기의 흡수를 촉진시킨다. 핀(7)은 열전달 면적을 증가시켜 열전달을 촉진시키고, 열전달이 촉진되면 결국 수증기의 흡수도 증가하게 되는 것이다. 히지카타 등은 "Water Vapor Absorption Enhancement in LiBr/H₂O Films Falling on Horizontal Tubes" 『일본기계학회 논문집(B편), 885∼890쪽, 1992년』에서 핀이 붙은 수평관과 매끈한 수평관을 이용하여 핀에 의한 열전달 효과를 알아보고, 핀의 형상에 따른 수증기 흡수율을 비교하였다.

먼저, 핀(7)의 유무에 따른 효과를 알아보기 위해, 매끈한 수평관(BARE)과비교하였고, 핀(7)의 형상에 따른 효과를 알아보기 위해 I 튜브형(도 2a), R 튜브형(도 2b)을 선택하였다. 이들 흡수관의 형상과 치수를 하기 표 1에 나타낸다.

흡수관의 형상과 치수

형태	형상 및 치수
BARE	외면 : 매끈함 D_o= 22.0mm내면 : 매끈함 D_i= 13.0mm
I 튜브	외면 : integral내면 : 매끈함P = 1.0mm D = 23.65mmH =1.47mm, t = 3.86mm, w=0.1mm
R 튜브	외면 : 경직 핀내면 : 매끈함P = 1.0mm, P1 = 0.7mm, H =1.47mm, H1 = 0.3mm, Dm =20.78mm, Di=13.0mm, w =0.1mm

구체적으로, BARE 튜브는 속이 빈 원통형의 형상으로 내부 및 외부가 매끈한 수평관이고, I 튜브는 외각이 나선 모양의 핀으로 이루어져 있으며, R 튜브는 핀에 요철이 있는 형태이다.

상기 세 종류의 수평관으로 수증기 흡수 실험을 수행하였다.

실험 조건으로 LiBr-H₂O 용액의 입구 농도는 LiBr 60 %(±0.5%)이고, 냉각수 입구 온도는 30∼35℃, 압력은 0.887∼1.20kPa으로 설정하였다.

도 3은 수평관 흡수기의 핀의 유무 및 형상에 따른 수증기의 흡수율을 나타낸 도면이다. 여기서 Ps는 포화 압력으로 경계면의 압력을 나타낸다. Ts는 포화온도로 수증기가 흡수될 수 있는 최고온도를 의미한다. Tc,in은 냉각수의 입구온도이며, Tc,in은 LiBr-H₂O 용액의 입구온도이다. Gv는 단위면적당 수증기 흡수량으로, 흡수 질량유속이라고도 한다.

도 3에서 막 레이놀즈 수(z)가 100 근처에 다다르면 여기서 언급되는 세가지 형태의 수증기 흡수율이 크게 차이가 나지 않지만, 그 이하에서는 상당한 차이를 보이고 있다. Bare 튜브보다 I 튜브와 R 튜브가 수증기 흡수량이 큰 이유는 핀에 의한 열전달 증대 효과 때문이다. 또한 R 튜브가 I 튜브 보다 큰 이유는 핀에 요철을 주면 열전달 면적의 증가가 일어날 뿐만 아니라, 용액에도 요동을 주어 대류현상을 증가시키기 때문이다. I 튜브와 R 튜브는 막 레이놀즈 수가 증가함에 따라 수증기 흡수율이 줄어들고 있는데, 그 이유는 막 레이놀즈 수가 증가하면 용액의 두께가 두꺼워지고, 그로 인해 열전달이 감소되기 때문이다. 반면에 Bare 튜브에서는 막 레이놀즈 수가 증가할수록 수증기 흡수율이 증가하는데, 이 논문의 조건 하에서는 막 레이놀즈 수가 커질수록 속도는 빨라지고, 용액의 두께는 상대적으로 조금 두꺼워지기 때문에 열전달 효과가 증가하고, 그로 인해 수증기 흡수율이 증가하는 것이다.

수직관 흡수기는 일반적으로 수평관 흡수기에 비해 그 성능이 우수하다고 알려져 있다. 그 개략도는 도 4에 나타나 있다.

수직관 흡수기도 수직관 외벽이나 내부에 핀을 사용하여 수증기의 흡수를 촉진시킨다. 니시야마(西山) 등은 "흡수기의 전열평면에 관한 연구" 『평성 2년, 일본 냉동협회학술강연회 강연논문집, 33∼36쪽』에서 수직관 내의 유동에 대해 핀이 붙은 수평관과 매끈한 수평관을 이용하여 핀에 의한 열전달 효과를 알아보고, 핀의 형상에 따른 수증기 흡수율을 비교하였다.

먼저, 핀의 유무에 따른 효과를 알아보기 위해, 매끈한 수평관(도 5a)과 비교하였고, 핀의 형상에 따른 효과를 알아보기 위해 도 4에 도시한 형상을 갖는 흡수관(도 5b∼5d)을 이용하여 실험하였다. 이들 흡수관의 형상에 대한 수치 자료를 표 2에 나타낸다.

여러 가지 수직관 흡수기의 형상

튜브 번호	1	2	3	4
형 상	매끈함	홈이 있음	홈이 있음	홈이 있음
홈의 수	0	100	100	100
홈의 깊이	0	0.25(mm)	0.25(mm)	0.25(mm)

도 5의 (a)∼(d)는 각각 튜브 번호 1, 2, 3, 4를 나타낸다.

표 2의 모든 수직관의 길이를 1m, 외경을 25.4mm로 설정하였고, 그 외의 실험 조건은 표 3과 같다.

수직관 흡수기의 실험조건

냉매	온도	10℃
용액(입구)	온도	40℃
	농도	58, 60 (중량%)
	유속	5∼60(J/h)100∼1200(Kg/m²h)
냉각수(입구)	온도	28, 30 (℃)
냉각수(입구)	속도	1.2 (m/s)
무차원수	Re	30∼300
	Pr	6
	Sc	2000
	Ga	1.1× 10¹¹

실험한 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다. 도 6에서는 레이놀드수(Re)에 따른 Nu를 나타내고 있고, 도 7에서는 레이놀드수(Re)에 따른 Sh를 나타낸다. Nu와 Sh는 각각 열전달 성능과 물질전달 성능을 나타내는 무차원수로 다음과 같다:

(상기 식에서, h : 대류열전달 계수 [W/m²·K], L : 유동방향 길이[m], k; 열전도 계수[W/m·K] 이다.)

(상기 식에서, h_m: 대류물질 전달계수 [m/s], D : 물질전달계수 [m²/s] 이다.)

도 6에서 알 수 있듯이, 핀이 붙은 관들이 매끈한 평관보다 열전달 성능이 우수하다. 그러나 도 7에서는 오히려 물질전달 성능이 낮은 결과를 보인다. 수직관에서는 표면장력의 불균일로 인한 대류현상인 마랑고니 효과(Marangoni Effect)가 상당히 중요한 영향을 미치는데, 이 논문에서 실험한 형상들은 그 효과를 없애기 때문이다. 이 마랑고니 효과를 이용하여 핀을 설계하면 더 좋은 물질성능을 얻을 수 있다고 가시와기 등이 "Marangoni Effect on the Process of Steam Absorption into the Falling Film of the Aqueous Solution of LiBr", 『일본기계학회 논문집(B편), 57권, 539호, 111∼118쪽, 1991년』에서 주장한 문헌도 있지만, 그 효과는 수평관 만큼 효과가 크지 않을 것이다. 그러므로 수직관에서는 핀의 형상과 위치에 따라 물질전달 성능이 증가할 수도 있고, 감소할 수도 있는 것이다.

경사평판 흡수기는 실제로 사용되기보다는 흡수기의 계산이나 경향을 얻기위한 방법으로 사용되어 왔다. 그로스만은 "Simultaneous heat and mass transfer in film absorption under laminar flow", 『Int. J. Heat Mass transfer, Vol 26, 357∼371쪽, 1983년』에서 경사평면에 대하여 이론식과 수치해석으로 논문을 발표하였다. 수치 해석 모델에 대한 대략도는 도 8과 같다.

경사평판 흡수기의 계산은 수평관이나 수직관의 계산보다 선행되어 발전했으며, 계산결과는 같은 경향을 가진다. 즉 표면에서 일어나는 현상은 일치하고, 흡수기의 형상이 달라 액막의 유동이 다른 것 뿐이다.

경사면을 이용한 흡수기는 이론 해석에서 공헌도가 크지만, 실제로 상용화되지는 않았으며, 현재는 수평관과 수직관이 사용되고 있다.

실제 사용되는 흡수기는 흡수관의 열전달 촉진을 위하여 관 외부 또는 내부에 가공을 한 것으로, 이들 중 대표적인 것이 CCS(Constant Curvature Surface) 튜브라 할 수 있다. 이시끼 등은 "New Thermodynamic Cycles for Utilisation of Low Temperature Difference Energy Sources and New Heation Surface Called CCS", 『일본기계학회 강연논문집, No 870-10, 63-68쪽, 1987년』에서 액막이 얇고, 균일하게 형성되도록 관 표면 위에 일정한 곡률 반지름을 가지도록 표면을 설계하였는데, 이러한 표면을 갖는 튜브를 CCS 튜브라고 명명하였다. 이 튜브는 기존의 삼각 표면이나 사각표면에서 표면장력으로 인하여 액막이 얇게 형성되고, 이러한 결과로 열전달의 증대 뿐만 아니라, 수증기의 흡수에도 상당한 진전을 가져온다. CCS튜브는 수평관, 수직관 모두에서 성능을 향상시키는 효과가 있다. 현재 CCS 튜브는 대부분 수평관으로 사용되며, 매끈한 표면을 갖는 흡수관 보다 훨씬 우월한 성능을 가지고있으며, 다양한 종류의 CCS튜브가 제작되고 있다.

이에 본 발명자는 핀의 형상에 여러 가지 CCS 튜브의 형상을 도입하여 경사평면형 흡수기에 대한 시뮬레이션을 통하여 수치 해석 및 계산을 수행하고, 실제로 설계 제작 및 성능실험을 통해 열전달 효과의 최적 조건을 발견함으로써, 기존의 튜브보다 전열면적 증가에 따른 열 전달율이 우수한 CCS 튜브를 개발하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 열전달 효과가 우수한 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 CCS 튜브를 포함하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기를 제공하는데 있다.

도 1은 수평관 흡수기의 개략도이다.

도 2는 각각 I 튜브형(도 2a), R 튜브형(도 2b)의 수평관 형상을 나타낸 도면이다.

도 3은 수평관 흡수기의 핀 형상에 따른 수증기의 흡수율을 나타낸 도면이다.

도 4는 수직관 흡수기의 개략도이다.

도 5a∼d는 다양한 흡수기 튜브를 나타낸 도면이다.

도 6은 수직관 흡수기의 레이놀드수(Re)에 따른 열전달 성능을 나타낸 도이다.

도 7은 수직관 흡수기의 레이놀드수(Re)에 따른 물질전달 성능을 나타낸 도이다.

도 8은 경사평판 흡수기의 개략도이다.

도 9는 핀달린 경사평면을 흐르는 LiBr-H₂O 용액의 입체도를 나타낸 것이다.

도 10은 본 발명의 CCS 튜브의 시뮬레이션을 위한 벽면 모양에 따른 해석단면의 종류를 나타낸 도면이다.

도 11a 및 11b는 핀 달린 경사평면에서 z 방향에 따른 xy 단면과 경계면의 평균온도를 비교한 도면이다.

도 12a 및 12b는 z 방향에 따라 벽으로 전달되는 열을 경사평면에 대한 평균열유속(q_w")으로 나타낸 도면이다.

도 13a 및 13b는 z방향에 따라 경계면으로 흡수되는 수증기량을 경사평면에 대한 평균질량유속(n")으로 나타낸 도면이다.

도 14는 형태 1∼4에 대하여 핀의 간격(Pf)과 레이놀드수(Re)에 따른 전체 평균질량유속을 나타낸 도면이다

도 15는 형태 3에 대한 레이놀드수(Re)의 변화에 따라 흡수되는 질량유속과 핀 높이(Fh)의 변화를 나타낸 도면이다.

도 16은 형태 3에 대한 핀 간격(Pf)의 변화에 따라 흡수되는 질량유속과 핀 높이(Fh)의 변화를 나타낸 도면이다.

도 17은 본 발명에 따른 CCS 튜브의 일례(포물선형)를 나타낸 단면도이다.

도 18은 도 17(포물선형)의 일부 확대도이다.

도 19는 본 발명에 따른 CCS 튜브의 일례(타원형)를 나타낸 단면도이다.

도 20은 본 발명에 따른 CCS 튜브와의 비교를 위한 평관의 단면도이다.

도 21은 전열성능 시험에 사용된 시험 장치에 대한 개략도이다.

도면의 주요부분에 대한 간단한 설명

1: 흡수관, 2: 튜브 벽, 3: LiBr-H₂O 용액

4: 기-액 경계면, 5: 수증기, 6: 냉매, 7: 핀

본 발명의 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브는 튜브 전체의 길이(L)에 걸쳐 벽의 두께(T_o)가 일정하고, 흡수액과 접촉하는 튜브의 경계 벽면 형상이 타원형 또는 포물선형에 가까운 곡면을 가지며, 상기 벽면에 간격(Pf) 및 높이(Fh)가 일정한 핀이 연속적으로 형성된 구조를 갖는다.

이하, 최적의 튜브 형상을 설계하기 위해 다양한 튜브의 벽면 격자와 그에 따른 핀의 간격(Pf) 및 높이(Fh)에 따른 열전달 효과를 알아보고자, 핀이 달린 경사면 흡수관을 대상으로 시뮬레이션한 방법과 그 결과를 도면을 참조하여 설명한다.

핀 달린 경사평면을 흐르는 LiBr-H₂O 용액(3)의 입체도를 도 9에 나타내었다. 핀 달린 표면 위를 흐르는 LiBr-H₂O 용액(3)은 경계면(4)에서 시스템의 냉매로 사용되는 수증기(5)를 흡수한다. 이 흡수는 벽(2, 핀을 포함)과 용액(3)의 온도차이에 의해 발생한 온도 구배에 기인한 것이며, 수증기가 액체로 변화하는 상변화를 의미하는 것이다. 그러므로 경계면(4)에서는 열 및 질량 전달이 동시에 일어난다.

전형적인 핀 달린 경사평면의 벽면 모양에 따른 해석 단면의 격자들이 도 10(a)∼(h)에 도시되어 있다.

상기 시뮬레이션의 전제 조건으로서, 레이놀드수(Re)는 70, 핀 간격(Pf)은 2mm로 동일하게 설정하였다.

상기 시뮬레이션은 CCS 튜브의 전열량을 벽면 형상, 레이놀드수(Re), 핀 높이(Fh), 핀 간격(Pf)을 토대로 하여 수행하였다.

또한 시뮬레이션 모델을 해석하기 위한 가정은 다음과 같다.

(a) 모든 물성치는 온도와 농도의 변화에 무관한 일정한 값을 가진다.

(b) 수증기(5)의 흡수량은 매우 작으므로, LiBr-H₂O 용액(3)의 질량유량은 일정하다.

(c) 흐름은 층류유동이다.

(d) LiBr-H₂O 용액(3)의 속도는 입구에서부터 충분히 발달되었고, z 방향 성분만 가진다.

(e) 수증기(5)의 밀도는 용액(3)의 밀도에 비해 무시할 수 있다.

(f) 흐름 방향의 전도와 확산은 무시한다.

(g) 수증기(5)와 용액(3) 사이의 경계면(4)에서 평형 압력이 존재한다.

(h) 표면장력은 용액(3)의 자유 표면 전체에서 일정하다.

이하, 도면을 참조하여 몇 가지 해석결과를 설명한다.

도 11(a) 및 11(b)는 레이놀드수(Re)가 70이고, 핀 간격(Pf)이 2mm일 때, z 방향에 따른 T_b(해석단면의 평균온도)와 T_e(경계면(4)에서의 평균온도)의 변화를 나타내고 있다. 도 11(a) 및 11(b)는 형태 1∼8의 온도선도를 각각 나타내고 있다. 이 도면에서 T_e는 z 방향에 따라 선형적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 그러나 T_b는 입구근처에서 용액과 벽면의 큰 온도차이로 급속하게 냉각되고, 점차로 선형적으로 감소하는 것을 보여주고 있다. 상기 도면에서 여러 가지 형태 간의 T_b차이는 크지 않다. T_b는 수증기(5) 흡수에 영향을 미치는 인자가 아니다. 용액(3)을 냉각시키는 이유는 경계면(4)의 온도를 낮추기 위한 것이지 전체온도를 낮추기 위해서가 아니기 때문이다. 반면에, T_e는 형태간의 차이가 있음을 볼 수 있는데, 형태 4가 다른 형태들에 비하여 T_e가 낮은 것을 볼 수 있다. 이것은 형태 4에서 경계면(4)으로의 열전달이 가장 효과적으로 일어난 것을 나타낸다. 이로 인해 형태 4가 경계면(4)에서 수증기(5)를 가장 많이 흡수할 것을 예측할 수 있다.

도 12a 및 12b은 레이놀드수(Re)가 70이고, 핀 간격(Pf)이 2mm일 때, z 방향에 따라 벽으로 전달되는 열을 경사평면에 대한 평균열유속(q_w")으로 나타낸 도면이다.

도 13a 및 13b는 레이놀드수(Re)가 70이고, 핀 간격(Pf)이 2mm일 때, z방향에 따라 경계면(4)으로 흡수되는 수증기(5)량을 경사평면에 대한 평균질량유속(n")으로 나타낸 도면이다. 도 13a 및 13b는 형태 1∼8의 질량전달선도를 나타낸다. 입구 근처에서 n"은 감소했다가 증가한다. 그 이유는 입구 당시 핀 상부에서 용액(3)과의 급격한 온도차로 흡수된 수증기(5)가 어느 정도 포화상태에 놓이게 되면 흡수량이 감소하다가, 그 이후 밑면에서 발달한 온도구배에 따라 경계면(4) 전체로 흡수하는 영역이 증가하면서 흡수량도 증가하는 것이다. 도 13a를 보면 형태 4는 형태 1에 비해 z = 30mm에서 약 37%의 수증기(5)가 더 흡수된다. 또한 도 13b의 어떤 형태들과 비교해도 질량전달된 수증기(5)량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 즉 포물선 형태의 유동특성은 다른 형태들에 비해 경계면(4)으로 효과적인 열전달을 일으키고, 이로 인해 질량 전달을 증가시키는 것이다.

상기 결과를 통하여, 포물선을 갖는 흡수관 모델이 가장 우수하다는 것이 입증되었고, 일반적으로 수평관의 둘레의 반이 30mm 정도이므로 수평관에 적용할 수도 있다.

도 14는 형태 1∼4에 대하여 핀의 간격(Pf)과 레이놀드수(Re)에 따른 전체 평균질량유속을 나타낸 도면이다. 형태들 중에서 형태 4의 수증기(5) 흡수 성능이 가장 우수함을 알 수 있다. 레이놀드수(Re)가 작거나 핀의 간격(Pf)이 작을 경우전체 평균질량유속(n"_avg)이 크다. 핀의 간격(Pf)이 작아지면 단면형태에 따른 수증기(5) 흡수량의 차이가 작아진다. 레이놀드수(Re)가 70이고, 핀의 간격(Pf)이 1mm일 때 형태 4는 계산이 불가능한데, 그 이유는 핀의 높이(Fh)가 10mm 이상이 되어도 용액이 핀 위로 넘치게 되기 때문이다. 또한 용액(3)이 넘치면 표면장력으로 인한 경계면 확장효과도 없어지기 때문이다.

도 15는 핀의 간격(Pf)이 1mm일 때 형태 3에 대한 도면으로 레이놀드수(Re)의 변화에 따라 흡수되는 질량유속과 핀 높이(Fh)의 변화를 나타낸 도면이다. 레이놀드수(Re)가 증가할수록 핀 높이(Fh)는 증가하고, n"_avg는 감소하다고 증가한다. 실제 유동은 레이놀드수(Re)가 30 이하일 때 매끄럽게 진행하지 않기 때문에 n"_avg는 도면과 같은 값을 갖지 않고 더 낮은 값을 갖게 된다. 또한 Re가 70 이상에서 수치 해석한 질량유속은 레이놀드수(Re)가 증가할수록 그 값이 커지지만, 실제 유동은 n"_avg가 감소하는데, 그 이유는 고정된 핀의 높이(Fh) 이상으로 유동이 형성되어 경계면 확장효과가 없어지고, 실질적인 용액 두께가 두꺼워지기 때문이다.

도 16은 레이놀드수(Re)가 70일 때 형태 3에 대한 도면으로, 핀 간격(Pf)의 변화에 따라 흡수되는 질량유속과 핀 높이(Fh)의 변화를 나타낸 도면이다. 핀 간격(Pf)이 감소할수록 핀 높이(Fh)는 증가하고, n"_avg는 증가한다. 그러나, 핀의 간격(Pf)이 매우 작을 경우에 레이놀드수(Re)를 맞추기 위해서는 핀의 높이(Fh)가 지나치게 증가하게 되고, 이로 인한 유동 내부단면의 확대로 불필요한 열전달이 증가하게 된다. 이 불필요한 열전달은 핀의 수가 수 백개인 실제 흡수기에서는 큰 손실로 나타나게 되어 수증기 흡수성능을 저하시킨다.

이상, 상기 시뮬레이션을 통한 해석결과로부터, 열전달 효과를 갖는 이상적인 흡수관의 조건으로 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 표면이 포물선 또는 타원형상을 갖는 흡수관의 흡수 성능이 가장 우수하였다. 실질적인 용액 높이(액막 두께)의 감소로 인한 열전달 증대효과와 수증기가 흡수되는 핀 상부 근처의 경계면에서 경계면과 바닥면 사이의 간격(Pf)이 가장 작기 때문에 다른 형태의 표면들보다도 우수한 성능을 보일 수가 있다.

(2) 핀의 간격(Pf)은 좁을수록 수증기 흡수 성능이 우수하다. 그러나, 일정 간격(Pf) 이하가 되면, 점성의 영향을 크게 받아 핀 높이(Fh)가 증대하고, 과대한 열전달 증가를 초래한다.

핀 간격(Pf)이 일정한 간격보다 좁아지면, 수증기의 흡수성능은 증가하지만, 레이놀드수(Re)가 70이고, 핀 간격(Pf)이 2mm일 때, 핀 높이(Fh)가 10mm를 넘는 점이 존재하게 되는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 핀의 영향으로 인한 용액의 점성에 기인한 것이다. 흡수기에서 용액 유속은 일정한 속도 이상 증가시킬 수가 없기 때문에 최대속도가 존재하게 되고, 최대속도는 Re의 가장 작은 값을 설정하게 된다. Re가 일정할 때에는 핀 간격(Pf)이 작을수록 우수한데, 그에 따른 최소한의 핀 높이(Fh)가 도 15 및 도 16과 같이 존재하게 되는 것이다.

이러한 조건을 만족시키기 위해, 본 발명자는 i) 표면장력이 경계면 전 범위에 걸쳐 존재하도록 흡수관 표면을 포물선형 또는 타원형에 가깝게 하고, ii) 핀의간격(Pf)을 적정 범위내에서 지정하고, iii) 핀의 높이(Fh)를 용액이 넘치지 않을 정도로 충분하게 지정하였다.

보다 구체적으로, 벽의 두께(0.5mm ≤To ≤1.0mm)를 고려하여 i) 흡수관 표면을 포물선형에 가깝게 하고, ii) 상기 핀의 간격(Pf)을 1.0mm∼10.0mm로 설정하며, ⅲ) 상기 핀의 높이(Fh)를 0.5mm∼10.0mm으로 설정하여 본 발명의 CCS 튜브를 제조하였다. 보다 바람직하게는, i) 흡수관 표면을 포물선형에 가깝게 하고, ii) 상기 핀의 간격(Pf)을 1.5mm∼5.0mm로 설정하며, ⅲ) 상기 핀의 높이(Fh)를 1.5mm∼5.0mm으로 설정하여 본 발명의 CCS 튜브를 제조한다.

핀 간격(Pf)이 1mm 미만이고, 핀의 높이(Fh)가 10mm를 넘으면, 점성의 영향을 크게 받아 용액 높이(Fh)가 증대하여 과대한 열전달 증가를 초래하게 된다. 또한 핀 간격(Pf)이 10mm를 넘고, 핀 높이(Fh)가 0.5mm 미만이면, 질량유속이 감소되어 열전달 효과가 미미하게 된다.

또한 본 발명의 CCS 튜브는 그 표면에 포물선 또는 타원형상을 마련하기 위해, 평관 내부에 강철심을 삽입시킨 후 일정속도로 회전시키면서 그 하부에 일정속도로 수평이동하는 디스크를 구비한 봉으로 가공하여 제조된다. 바람직하게는 나선형 골의 수가 1∼3개인 것이 바람직한데, 4개 이상에서는 흡수액과 튜브 간의 열접촉 면적이 증대하나, 튜브의 강도가 약해져 적합하지 않다.

도 17에서는, 본 발명에 따라 제조된 포물선형 구조를 갖는 CCS 튜브의 일례를 나타낸 단면도이고, 도 19에서는 타원형 구조를 갖는 CCS 튜브의 일례를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 따른 CCS 튜브의 재료는 알루미늄 또는 동관을 포함하지만, 반드시 이들 재료에 한정되지 않고 통상적으로 흡수기용 튜브에 사용되는 모든 금속으로 제작이 가능하다.

본 발명에서 제조된 CCS 흡수관은 흡수식 냉동기 및 냉온수기에 주로 사용될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니며, 응축기 및 일반적인 열교환기의 튜브에도 적용될 수 있다.

또한 도 17 및 도 19에 도시된 CCS 튜브의 형상 이외에, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 변형 또는 수정이 가능함은 본 기술분야의 당업자에게는 자명하다. 따라서 그러한 변형 또는 수정예들은 본 발명의 청구범위에 속함은 물론이다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 동관 재질의 CCS 튜브의 제조(1)

외경 9.52mm, 관의 두께 0.5mm의 동관(C1220T) 재질의 평관 내부에 직경 5.0mm의 강철심을 삽입시킨 후, 원형구동기에 양끝을 고정시킨 다음, 일정속도로 회전시켰다. 그 하부에 일정속도로 수평이동하는 디스크를 구비한 봉을 위치시켰다. 디스크를 상기 평관에 접근시킨 다음, 일정 압력을 가하면서 진행시켜 회전하는 평관을 가공하였다. 그 결과, 핀의 간격(Pf) 4.5mm, 높이(Fh) 2.75mm의 핀이 형성된 포물선형 구조를 갖는 CCS 튜브를 제조하였다. 그 형상 및 확대도를 도 17 및 도 18에 도시하였다. 이때 도 17 및 도 18에 도시된 미가공부는 필요에 따라 선택 가공 연장되도록 하였다.

실시예 2: 동관 재질의 CCS 튜브의 제조(2)

외경 9.52mm, 관의 두께 0.5mm의 동관(C1220T) 재질의 평관 내부에 직경 6.6mm의 강철심을 삽입시킨 후, 원형구동기에 양끝을 고정시킨 다음, 일정속도로 회전시켰다. 그 하부에 일정속도로 수평이동하는 디스크를 구비한 봉을 위치시켰다. 디스크를 상기 평관에 접근시킨 다음, 일정 압력을 가하면서 진행시켜 회전하는 평관을 가공하였다. 그 결과, 핀의 간격(Pf) 6.4mm, 홈의 깊이(Df) 0.81mm의 핀이 형성된 타원형 구조를 갖는 CCS 튜브를 제조하였다. 그 형상을 도 19에 도시하였다. 이때 도 19에 도시된 미가공부는 필요에 따라 선택 가공 연장되도록 하였다.

비교예 1

외경 9.52mm, 관의 두께 0.5mm의 동관(C1220T) 재질의 가공하지 않은 평관을 비교예 1로 하였다.

실험예 1: 성능 시험

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 본 발명의 CCS 튜브와 비교예 1의 평관의 열전달 성능을 정량적으로 평가하기 위하여 다음과 같은 성능 시험을 실시하였다.

성능 시험에 사용된 시험 장치에 대한 개략도를 도 21에 나타내었다. 이 시험장치는 세 가지의 서로 다른 형태의 튜브를 4개씩 장착해서 평균값을 쉽게 얻을 수 있도록 설계 제작되었다. 튜브 안 쪽으로는 냉수를 흐르게 하였으며, 성능 측정을 위해 튜브의 입출구에서 냉수의 온도를 측정하고, 출구에서는 냉수의 유량을 측정하였다.

수조 속의 물은 전기 히터를 이용해서 60∼80℃정도로 가열하였으며, 전기적으로 수조 속의 물의 온도를 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 또한, 국부적으로 과열되는 현상을 방지하기 위하여 2개의 펌프를 활용해서 수조 속의 물이 서로 잘 섞이도록 하였다.

온도 측정은 모두 5곳에서 실시하였다. 냉수의 튜브 입구 온도, 3가지 튜브의 출구 온도, 그리고 수조 속의 물의 온도 등을 측정하였다. 온도 측정에는 T-type 열전대(Thermocouple)가 사용되었으며, 온도의 측정 및 기록을 위해서 온도기록계(YAGOKAWA, DR230)가 사용되었다.

물의 유량은 일정한 시간동안 흐른 물의 질량을 측정함으로써 얻을 수 있었다. 우선 튜브 출구에 물통을 설치하고 일정한 시간동안 흐른 물을 통으로 받은 뒤 전자 저울(METTLER PK36)을 이용해서 흐른 물의 질량을 측정한 후에 기록된 시간으로 이를 나누면 각 튜브의 흐른 물의 유량을 알 수 있다.

실험결과

각 튜브로부터 얻은 열량은 다음과 같은 계산식으로부터 구하였다.

(T_out- T_in)

(상기 식에서,는 전열량,은 질량 유량, C(kJ/kg·℃)은 비열, T_out과 T_in은 각각 입·출구에서의 온도를 나타낸다.)

전열량을 총괄 열전달 계수 U로 표시하면 다음과 같다.

(T_out- T_in) = UAΔT_in

총괄 열전달 계수(U)는 튜브 외부에서의 대류열전달, 튜브 자체의 전도열전달, 그리고 튜브 내부에서의 대류열전달을 모두 고려한 열전달계수이며, 이것을 식으로 표현하면 다음과 같다.

보통의 경우 전도 열전달에 의한 전열저항은 다른 전열저항에 비해 매우 작아서 무시할 만하다. 또한 튜브 외부에서의 유동이 3가지 튜브 모두에 대해 동일하게 주어진다면 위에서 구해진은 튜브의 전열 성능을 나타낸다.

하기 표에 성능 시험 결과와 측정 데이터로부터 계산된 각 튜브의 전열량을 나타내었다.

	입구온도(℃)	수조온도(℃)	출구온도(℃)	유량(g/분)	열량(kW)	평균열량(kW)
실시예 1	26.0	80.5	76.0	680	2.38	2.28
실시예 1	26.2	78.0	72.7	670	2.18	2.28
실시예 2	26.2	79.0	71.3	720	2.27	2.26
실시예 2	26.2	78.0	70.6	720	2.24	2.26
비교예 1	26.2	79.0	68.6	695	2.06	2.04
비교예 1	26.2	78.0	68.0	690	2.02	2.04
실시예 1	26.0	55.3	48.5	1895	2.98	2.89
실시예 1	26.0	54.2	47.2	1890	2.80	2.89
실시예 2	26.0	55.3	47.0	1825	2.68	2.62
실시예 2	26.0	54.2	46.0	1820	2.56	2.62
비교예 1	26.0	55.3	42.5	1995	2.30	2.23
비교예 1	26.0	54.2	41.3	2020	2.16	2.23

수조 속의 물의 온도가 78∼80℃ 로 유지된 경우 각 튜브의 전열량을 비교해 보면 실시예 1의 전열량이 실시예 2보다 높게 나타났으나 별 차이가 없는 것을 알 수 있다.

그리고, 실시예 1과 2의 전열량은 비교예 1의 전열량에 비해 약 10% 이상 크게 나타났다. 실시예 1과 2의 전열량의 차이가 크게 나타나지 않은 것은 튜브 속을 흐르는 냉수의 유량이 실시예 2의 경우 720g/분으로 실시예 1의 680g/분보다 많고 이것으로 인해 튜브내의 열 전달계수가 증가하며 실시예 1의 전열량과 유사하게 나타났다.

수조 내의 물의 온도가 약 55℃ 내외로 유지되었을 경우에는 튜브내의 유량이 거의 유사함에도 불구하고 실시예 1의 전열량이 실시예 2보다 약 10%정도 높게 나타났다. 실시예 1의 전열량을 비교예 1과 비교해보면 약 30% 정도 높은 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 2의 전열량은 비교예 1보다 약 17% 높게 나타났다. 따라서, 위의 성능실험 결과를 종합해 보면 실시예 1 및 2의 전열 성능이 비교예 1보다 17∼30% 정도 우수함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브는 비교적 간단한 가공방법에 의해 제조되어 가공비가 저렴하고, 평관에 비해 전열 성능이 훨씬 우수하므로 경제적인 측면에서도 유리하다. 또한 CCS 튜브의 모형을 통해 다른 튜브에도 응용이 가능하다.

Claims

튜브 전체의 길이(L)에 걸쳐 벽의 두께(T_o)가 일정하고, 흡수액과 접촉하는 튜브의 경계 벽면 형상이 타원형 또는 포물선형에 가까운 곡면을 가지며, 상기 벽면에 간격(Pf) 및 높이(Fh)가 일정한 핀이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브.
제 1항에 있어서, 상기 튜브가 알루미늄 또는 동관 재질인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브.
제 1항에 있어서, 상기 튜브의 경계 벽면 형상이 포물선형에 가까운 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브.
제 1항에 있어서, 벽의 두께(T_o) 0.5mm ≤T_o≤1.0mm 범위에서 상기 핀의 간격(Pf)이 1.0mm∼10.0mm이고, 상기 핀의 높이(Fh)가 0.5mm∼10.0mm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브.
제 4항에 있어서, 상기 핀의 간격(Pf)이 1.5mm∼5.0mm이고, 상기 핀의 높이(Fh)가 1.5mm∼5.0mm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기용 CCS 튜브.
제 1항에 따른 CCS 튜브를 포함하는 냉동기 및 냉온수기.