격벽을 가진 멀티룸 수직헤더를 이용한 마이크로채널 열교환기의 2상 냉매분포 균일화 및 성능개선에 대한 연구 = An Experimental Study on the Effect of Vertical Header Geometry on the Two Phase Refrigerant Distribution and Performance of a Microchannel Heat Exchanger

국문 초록 (Abstract)

마이크로 채널 열교환기는 기존의 핀 및 튜브 열교환기에 비해 성능이 우수하여 널리 사용되고 있으나, 증발기 운전 조건에서 냉매 불균일 분배 문제로 인해 응축기에 국한되어 있다. 수직 헤더를 갖는 마이크로채널 열교환기의 냉매 불균일 분배를 해결하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있지만, 아직까지 이에 대한 해결책이 제시되어 있지 않다. 본 논문은 R-410A를 냉매로 사용하는 마이크로채널 열교환기에서 이중관 형태의 헤더의 형상이 냉매 분배 및 열교환 성능에 미치는 효과를 규명하고, 냉매의 불균일 분배에 대한 해결책을 제시하였다. 헤더의 형상이 열교환기 마지막 경로에서의 냉매 분배 및 열교환기 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해, 본 연구에서는 3가지 형상의 Multi baffle 및 2가지 형상의 Multi room 헤더를 고려한 실험을 수행하였다. 마이크로채널 열교환기의 증발 압력이 800kpa 이고 냉매 유량이 50~80kg/hr 인 조건에서 시험을 수행하였다. 헤더 입구로부터 5개의 독립적인 냉매 경로를 갖는 헤더 형상이 가장 균일한 분포를 보였다. 냉매 분배와 열교환기 성능은 선형 관계를 보였으며, 본 연구는 냉매 분배 개선에 따라 최대 12%의 열교환기 성능 개선 효과를 보여주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Micro-channel heat exchangers are widely used due to their superior performance compared to the existing fin and tube heat exchangers, but are limited to condensers due to refrigerant non-uniformity problems in evaporator operating conditions. Although many studies have been made to solve the refrigerant non-uniformity of the microchannel heat exchanger having a vertical header, a solution has not yet been proposed. In this study, a solution to the non-uniformity of the refrigerant was presented by applying a vertical header in the form of a double tube that can be applied to mass production. The effect of a double-tube form of the header on the refrigerant distribution and performance of a microchannel heat exchanger was explored by experimental means, using R-410A as the refrigerant. To investigate the effect of the shape of the header on the distribution of refrigerant in the final path of the heat exchanger and its performance, three types of multi-baffle and two types of multi-room header were considered. The tests were performed with an evaporation pressure in the microchannel heat exchanger of 800 kpa and a refrigerant flow rate of 50 to 80 kg/hr. The header with 5 independent refrigerant paths from the header inlet showed the most uniform distribution. The results showed a linear relationship between refrigerant distribution and heat exchanger performance. This study showed the effect of improving heat exchanger performance by up to 12% with the improved refrigerant distribution by applying a vertical header in the form of a double tube.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 기존 연구 동향 6
• 1.3 연구 목적 11
• 2. 실험장치 및 실험방법 13
• 2.1 시험부 13
• 2.1.1 열교환기 형상 13
• 2.1.2 이중관 형상 15
• 2.2 열교환 성능 측정 시스템 20
• 2.3 냉매 분배 측정 시스템 23
• 2.4 냉매 분배 지표 정의 26
• 3. 상용 열교환기 냉매 분배 평가 28
• 4. 냉매 분배 해석 31
• 4.1 해석 조건 31
• 4.2 CFD 해석 결과 34
• 5. Multi Baffle 이중관 적용 냉매 분배 평가 40
• 5.1 열교환기 표면온도 측정 40
• 5.2 냉매 분배 평가 42
• 6. Multi Room 이중관 적용 냉매 분배 평가 47
• 6.1 열교환기 표면 온도분포 측정 47
• 6.2 냉매 분배 평가 49
• 7. 냉매 분배에 따른 성능 영향 53
• 7.1 냉매 분배에 따른 성능 영향 해석 53
• 7.2 냉매 분배에 따른 성능 영향 평가 58
• 7.3 냉매 분배에 따른 냉매측 압력손실 영향 평가 60
• 7.4 냉매 분배와 열교환 성능 상관 관계 61
• 8. 결론 62
• 참고 문헌 64
• Abstract 69

참고문헌 (Reference)

1. Modeling refrigerant distribution in microchannel evaporators, W. Brix , M.R . Koern , B. Elmegaard, 32 (, , 2009

2. Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type , 1985, F. W. Dtttus , L. M. K. Boelter ,, 12 (, , 1985

3. Modeling distribution of evaporating CO2 in parallel minichannels, W. Brix , M.R . Koern , B. Elmegaard, 33 (, , 2010

4. Effect of inlet configuration on the refrigerant distribution in a parallel flow minichannel heat exchanger, N.H. Kim , D.Y . Kim , H.W . Byun, 34 (, , 2011

5. Enhancing the phase distribution in parallel vertical channels with single and double chamber coaxial headers, A. Marchitto , M. Fossa ,, 155 (, , 2019

6. Refrigerant distribution in the vertical header of the microchannel heat exchanger ? Measurement and visualization of R410A flow, Y. Zou , P.S . Hrnjak, 36 (, , 2013

7. Improvement of two-phase refrigerant distribution for upward flow of a parallel flow minichannel heat exchanger using insertion devices, N.H. Kim , C.H . Kim , Y. Shah , W. Li ,, 160 (, , 2019