친환경 비공비 혼합 냉매를 적용한 판형열교환기 설계 = Design of Plate Type Heat Exchanger for Eco-friendly Zeotropic Mixed Refrigerants

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 지구 온난화 규제에 대응하는 저 GWP 비공비 혼합 냉매 적용 판형열교환기의 성능 예측을 목표로 Python 기반 시뮬레이션 프로그램을 개발하고, 그 정확도를 실험적으로 검증하였다. 기존 판형열교환기 설계 도구의 한계를 극복하기 위해, 개발된 프로그램은 미소차분 접근법과 ε-NTU 방 법을 핵심으로 진행하였으며, NIST REFPROP 및 CoolProp 라이브러리를 활용하여 혼합 냉매의 복잡한 비등온 상변화(온도 미끄러짐) 특성을 정밀하게 모사하도록 구성되었다. 특히, 열전달 해석을 위해 응축기와 증발기 시뮬레이션을 각각 모델링하고, 유동 영역별로 각기 다른 경험적 상관식을 차등 적용하는 방법론을 적용하였다. 프로그램의 신뢰성 검증은 R410A와 세 가지 혼합비의 R32/R1234yf 혼합 냉매 및 R32/R1234yf/R744 3중 혼합 냉매를 이용한 심층 실험을 통해 진행되었다. 열적 성능 예측 결과, R410A 검증에서 응축기 평균 7.6%, 증발기 평균 8.4%의 오차율을 보였으며, 비공비 혼합 냉매 검증에서는 응축기 평균 3.0%, 증발기 평균 4.4%로 오차율이 나타나 신뢰성을 확보하였다. 선도 분석을 통해 시뮬레이션 결과가 실험 사이클의 온도 미끄러짐을 포함한 열적 거동을 매우 유사하게 모사하였다. 또한, 열전달량 과 브라인 출구 온도차의 오차 경향이 유사성을 보임을 통해 개발된 해석 모델이 에너지 보존 법칙을 만족시키며 예측하고 있음을 교차 검증하였다. 압력강하 예측에서는 R410A 검증 26.1%, 혼합 냉매 검증 28.1%의 오차를 균일 하게 보였다. 나아가, 본 연구는 개발된 프로그램을 활용하여 PHE 내부 설 계 변수가 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, R290/R744 혼합 냉 매의 조성비 변화가 성능에 미치는 영향을 분석하는 응용 연구를 수행하였다. 이 분석을 통해 종횡비 감소가 압력강하를 현저히 감소시키는 등 압력강하 최소화 설계의 방법을 제시하였고, R290/R744 (80/20 wt.%) 혼합물이 물리적 설계 및 열역학적 효율 측면에서 최적 조성임을 확인하였다. 궁극적으로 본 연구는 혼합 냉매의 열교환량 및 열적 거동을 평균 오차 5% 내외로 예측할 수 있는 전문 판형열교환기 설계 도구를 제공함으로써, GWP 규제에 대응하는 차세대 친환경 냉매 시스템 적용 가능성 평가 및 설계 최적화 연 구에 기여할 수 있는 기반을 마련하였다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차· ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 기 호 설 명 ⅵ
• 국 문 요 약 ⅷ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 필요성 7
• 1.3 연구 목적 8
• Ⅱ. 연구방법 10
• 2.1 판형열교환기 설계프로그램 구성 10
• 2.2 프로그램 검증을 위한 실험 장치 및 실험 조건 19
• 2.2.1 실험 장치 구성 19
• 2.2.2 실험 조건 25
• 2.2.3 데이터 처리 방법 및 실험 오차분석 30
• 2.3 개발 프로그램 평가를 위한 주요 변수 34
• Ⅲ. 결과 및 고찰 39
• 3.1 개발 프로그램 검증 39
• 3.1.1 R410A 적용 설계프로그램 검증 39
• 3.1.2 비공비 혼합 냉매 적용 설계프로그램 검증 44
• 3.2 판형열교환기 설계 변수 변화에 따른 성능 분석 56
• 3.3 R290/R744 비공비 자연 혼합 냉매 적용 판형열교환기 설계 61
• 3.4 R290/R744 최적 조성비를 적용한 판형열교환기 설계 67
• Ⅳ. 결론 69
• 참고문헌 72
• ABSTRACT 76