판형열교환기에서 R-134a, R-1234yf, R-1234ze(E)의 열전달계수 및 압력강하의 실험적인 비교 = Experimental Comparison of Heat Transfer Coefficient and Frictional Pressure Drop of R-134a, R-1234yf, and R-1234ze(E) in a Brazed Plate Heat Exchanger

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기존의 냉매 R-134a를 대체할 수 있는 수소불화올레핀(HFO) 계열 냉매인 R-1234yf, R-1234ze(E)의 열전달계수 및 압력강하 특성을 판형열교환기에서 종합적으로 평가하였다. R-1234yf와 R-1234ze(E)는 기존의 R-134a보다 낮은 지구온난화지수를 가지고 있으며 열역학적 특성이 유사하여 주요 대체 냉매로 주목받고 있다. 실험은 0.00-1.00 범위의 건도, 32, 45, 58 kg m-2 s-1의 질량유속, 0.51, 0.65, 0.7 kW의 열량, 5, 10, 15℃의 포화온도 조건에서 수행되었으며, 연구의 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다: (1) 모든 실험에서 평균건도가 증가하고 질량유속이 증가할수록 냉매의 열전달계수가 증가하는 경향을 보였다. 다만 R-1234ze(E) 및 R-134a의 경우 포화온도가 증가할수록, R-1234yf의 경우 포화온도가 감소할수록 열전달계수가 증가하는 모습을 보였다. 열량의 증가 및 감소에 대한 열전달계수의 변화는 미미하게 나타났지만 dry-out의 영향을 확인하였다. R-1234yf, R-1234ze(E), R-134a 순으로 높은 열전달계수를 보였다. R-1234yf는 낮은 점도로 인한 유동 특성 개선, 낮은 표면장력으로 인한 비등효과 증가 등의 복합적인 이유로 인하여 열전달계수가 증가하였고, R-1234ze(E)는 높은 점도로 인한 유동 특성 저하, 높은 표면장력으로 인한 비등효과 감소 등의 복합적인 이유로 인하여 낮은 열전달계수를 보였다.
(2) 모든 실험에서 평균건도가 증가하고 질량유속이 증가할수록 냉매의 마찰압력강하가 증가하는 경향을 보였다. 또한 포화온도가 감소할수록 마찰압력강하가 증가하는 경향을 보였다. 다만, 열량이 증가하거나 감소할 때 마찰압력강하에 미치는 영향은 뚜렷하지 않았다. R-1234yf, R-1234ze(E), R-134a 순으로 높은 마찰압력강하를 보였다. R-1234ze(E)는 높은 밀도비로 인하여 마찰압력강하가 증가하였고, R-1234yf는 낮은 점도와 밀도비로 인해 낮은 마찰압력강하를 보였다.
(3) R-1234yf는 R-134a와 비교하여 평균열전달계수가 60.1% 높게 측정되었고, 평균마찰압력강하가 21.0% 낮게 측정되었으며, R-1234ze(E)의 경우에는 R-134a와 비교하여 평균열전달계수는 22.0% 낮게 측정되었고, 평균마찰압력강하는 14.3% 높게 측정되었다. 따라서 판형열교환기에서 열전달 및 마찰압력강하의 측면에서 평가했을 때, R-1234yf는 R-1234ze(E)보다 우수한 열적성능을 가지고 있다고 평가할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study experimentally compared and evaluated the heat transfer coefficient and frictional pressure drop characteristics of R-134a and its low-GWP alternative refrigerants (R-1234yf, R-1234ze(E)) in a plate heat exchanger. The experiments were conducted at various vapor qualities, different mass fluxes of 32, 45, and 58 kg m-2 s-1, heat transfer rates of 0.51, 0.65, and 0.7 kW, and saturation temperatures of 5, 10, and 15℃. Vapor quality and mass flux had significant effects on the heat transfer coefficient and pressure drop, whereas the heat transfer rate and saturation temperature had little impact. However, saturation temperature had a noticeable effect on pressure drop. In terms of heat transfer performance in a plate heat exchanger, R-1234yf showed the best characteristics among the tested refrigerants.

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