수평관에서 GWP 150 이하 친환경 대체냉매의 증발 열전달 및 압력강하 성능 실험 = Flow boiling heat transfer and pressure drop of low GWP (≤150) alternative refrigerants in a horizontal smooth tube

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 기후변화와 온실가스 배출 증가로 인해 냉매의 환경 규제가 강화 되고 있으며, 몬트리올 의정서의 키갈리 개정안과 유럽연합 F-Gas 규제는 높은 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)를 가진 냉매의 사용을 단계적 으로 제한하고 있다. 특히 GWP 150 이상의 냉매는 2025년 이후 상업용 냉동·냉 장장치의 신규 장비 적용이 금지됨에 따라, 기존의 R404A, 그리고 R410A와 같은 고 GWP 냉매를 대체할 수 있는 저 GWP 냉매의 개발과 성능 분석이 중요한 연 구 과제로 부상하고 있다. 이러한 규제 환경 속에서 다양한 HFO/HFC 기반 혼합냉매가 중간 및 장기 대체냉매로 제안되고 있으나, R455A 및 R454C와 같은 장기 대체냉매는 상용화된 지 오래되지 않아 저온 및 소구경 튜브 환경에서의 증발 열전달 특성, 압력강하에 대한 기초 데이터가 제한적이다. 특히 기존 문헌들은 주로 중온조건에서의 열전달 특성에 집중하고 있어 저온조건에서의 연구는 부족한 실정이다. 또한 R1234yf, R13I1, R32로 구성된 혼합냉매가 제안되어, 기존 대체냉매와의 성능 비교 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 R455A, R454C 및 신규 개발된 R1234yf/R13I1/R32 혼합냉매 (GWP < 150) 를 대상으로 내경 4.6 mm 수평 구리관에서 저온(−10°C - 10°C) 조건의 증발 열전달 및 압력강하를 실험적으로 평가하였다. 실험은 질량유속 200 –400 kg/m²·s, 열유속 10–20 kW/m² 조건에서 수행하였으며, 건도 변화에 따른 열전달계수와 압력강하 특성을 비교함으로써 세 냉매의 열적 성능을 분석하였다. 실험 결과, 전반적으로 R454C > R455A > R1234yf/R13I1/R32 혼합냉매 순으 로 나타났다. 특히 낮은 질량유속 (G = 200 kg/m²·s)과 저–중간 건도(x < 0.6) 조건에서 R454C는 R455A보다 약 10–20% 높은 열전달계수를 보였다. R1234yf/R13I1/R32 혼합냉매는 전반적인 실험 조건에서 상대적으로 R455A, R454C에 비해 낮은 열전달계수를 보였으며 약 10%의 낮은 열전달계수를 나타냈 다. 압력강하의 경우 세 냉매의 압력강하가 전체적으로 유사한 수준을 나타내었 다. 또한, 실험적으로 도출된 열전달계수는 기존에 제안된 여러 증발 열전달 상관 식의 예측값과 비교하였다. 그 결과, 검토된 상관식 중 Kim and Mudawar 상관 식이 본 연구의 실험 데이터와 가장 우수한 일치성을 보였으며, 다른 상관식들은 실험 조건에 따라 열전달계수를 과소 또는 과대예측하는 경향을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global climate change and the increasing emission of greenhouse gases have strengthened environmental regulations on refrigerants. The Kigali Amendment to the Montreal Protocol and the European Union F-Gas Regulation mandate a gradual phase-down of refrigerants with high Global Warming Potential (GWP). In particular, refrigerants with GWP values above 150 will be prohibited from use in new commercial refrigeration equipment after 2025. Consequently, the development and performance evaluation of low GWP refrigerants that can replace high-GWP refrigerants such as R404A and R410A have emerged as important research topics.
Under these regulatory trends, various HFO/HFC blended refrigerants have been proposed as medium and long term alternatives. However, long term candidate refrigerants such as R455A and R454C have been commercialized only recently, and fundamental data on their evaporation heat transfer and pressure drop characteristics in low temperature and small diameter tube environments remain limited. Moreover, most existing studies have focused on medium temperature conditions, resulting in a lack of data at low temperatures. A newly proposed mixture composed of R1234yf, R13I1, and R32 also requires performance evaluation and comparison with established alternatives.
In this study, the evaporation heat transfer and pressure drop characteristics of R455A, R454C, and a newly developed R1234yf/R13I1/R32 mixture (GWP < 150) were experimentally investigated at low temperatures from −10 to 10 °C in a 4.6 mm inner diameter horizontal copper tube. Experiments were conducted at mass fluxes from 200 to 400 kg/m²·s and heat fluxes from 10 to 20 kW/m². The heat transfer coefficients and pressure drop were evaluated with respect to vapor quality to assess and compare the thermal performance of the three refrigerants.
The results show that the overall heat transfer performance follows the order R454C > R455A > R1234yf/R13I1/R32 mixture. At low mass flux (G = 200 kg/m²·s) and low to intermediate vapor qualities (x < 0.6), R454C exhibited approximately 10 to 20% higher heat transfer coefficients than R455A. The R1234yf/R13I1/R32 mixture showed consistently lower values, approximately 10% lower than R455A and R454C across all experimental conditions. The pressure drop characteristics of the three refrigerants were found to be similar overall.
In addition, the experimental heat transfer coefficients were compared with predictions from several existing evaporation heat transfer correlations. The predictive performance of the correlations was statistically evaluated using mean absolute deviation (MAD) and mean relative deviation (MRD). Among the examined models, the Kim and Mudawar correlation showed the best overall agreement with the present experimental data, while other correlations exhibited noticeable under or over prediction trends under the investigated conditions.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구목적 및 연구범위 5
• 1.4 R455A, R454C, R1234yf/R13I1/R32 혼합냉매의 열물성 6
• 2. 실험장치 및 실험방법 8
• 2.1 실험장치 8
• 2.2 실험조건 12
• 2.3 데이터처리 13
• 2.4 불확도분석 15
• 3. 실험결과 17
• 3.1 실험장치 검증 17
• 3.2 R455A 실험결과 18
• 3.3 R454C 실험결과 23
• 3.4 R1234yf/R13I1/R32 혼합냉매 실험결과 27
• 3.5 냉매 성능 비교 34
• 3.6 상관식 평가 41
• 4. 결론 44
• 참고문헌 46
• Abstract 50