Transcript 냉동기_발표

냉동기 / 수냉식 응축기 설계
20031510 이현우
20031512 이형래
20031519 장성우
목 차
설계 과제 및 진행(냉동창고의 냉동기 설계)
• 냉동 부하 계산
• 사이클 해석
• 실제 압축기/증발기/응축기/팽창장치 설계
• 정리
설계 과제 및 진행(이중관형 수냉식 응축기 설계)
• 냉매측 열전달계수
• Cavallini-Zecchin 관계식 사용 계산
• 냉각수 측 열전달계수
• 길이 L
• 참고 문헌
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설계과제 및 진행 (서울 소재 냉동창고 냉동기 설계)
서울 소재 냉동창고 모습
설계과제 / 기초가정
 소고기 30톤
 설계 기준 온도
저장물(Tp) 냉동고(Ti) 외기(설계) 외기(습구) 지면온도
25℃
-15℃
32℃
26℃
20.8℃
 벽체는 회색(복사:보정온도차이용)
Page  3
East wall
South wall
West wall
Flat Roof
4℃
3℃
4℃
9℃
냉동부하계산 - 벽체를 통한 부하
설계 변수 및 기초 사양
주요 계산 과정
 내부의 공기유동 미미(fi)
 밖은 12km/h 바람 분다고 가정(fo)
fi  9.37W / m 2 C
f o  22.7W / m 2 C
kw  k f  0.037W / m2 C  polystrene 
kr  0.025W / m2 C   polyurethane 
저장물(Tp) 냉동고(Ti) 외기(설계) 외기(습구) 지면온도
25℃
-15℃
32℃
26℃
20.8℃
East wall
South wall
West wall
Flat Roof
4℃
3℃
4℃
9℃
Page  4
1
1

 0.180W / m 2 C
1 x 1
1
0.2
1




f o kw f o 22.7 0.037 9.37
1
1
Ur 

 0.123W / m 2 C
1 x 1
1
0.2
1




f o kr
f o 22.7 0.025 9.37
1
1
Uf 

 0.287W / m2 C
x 1
0.125
1


kf
f o 0.037 9.37
Uw 
(단열재의 열전도도와 내외부대류 열전달 고려한 총열전달계수)
qW  qe  qw  qs  qn
 0.18  400(32  15  4)  0.18  400(32  15  4)
0.18  600(21  15  3)  0.18  600(32  15)
 17820W
qr  0.123  2400(32  15  9)  16531.2W
q f  0.287  2400(20.8  15)  2465.904W
냉동부하계산 – 투입 공기에 의한 부하
물성치 및 계산과정
V  10  40  60  24000m3  n  0.7 / day
 습공기 선도 이용하여
– 외부공기
32C , TWB  26C ,  
– 내부공기
1
, ho  81kJ / kg
0.891m3 / kg
15C ,   100%, hi  12.5kJ / kg
 투입 공기에 의한 부하
1
 1 


qI  V  n  o (ho  hi )  24000  0.7  
(81

(

12.5))



  20.4kW
0.891
24

3600




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냉동부하계산 – 저장물에 의한 부하
물성치 및 계산 과정
 저장물 : 신선한 쇠고기
C1  3.14kJ / kg C C2  1.67kJ / kg C , T f  0.5C , qL  242kJ / kg
T1  25C , T2  15C ,
m  30ton,
t  20시간
 박스의 질량 : 0.6kg, 박스의 비열 : 1.32kJ/kg℃, 한 박스의 질량 : 15kg
q P1  30000  3.14(25  ( 0.5))
 30000  241.92  30000 1.67( 0.5  ( 15))  0.6  (30000 /15)  1.32(25  (15))
 145.13kW
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냉동부하계산 – 내부/기타 부하
내부/기타 부하 계산과정
 내부 부하
– 전등 : 20W, 40개
– 모터와 이송장치 : 30kW, 1대(모터와 이송장치 모두 안에 설치)
– 작업인원 : 10명
qIN  (30  40)  10  (272  6  (15))  (20000 1.1)  26820W
 기타 부하
– 증발기는 밖에 위치하므로 제상작업에 필요한 열은 없다.
– 송풍기 모터에서 방출하는 열은 전체부하에 비해 매우 작아 무시 가능하다.
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qM  0
냉동부하계산 – 총 냉동 / 실제 부하
총 냉동 부하 및 실제 부하 계산과정
 총 냉동 부하
qT  qW  qR  qF  qI  qP  qIN  qM
 17818  16489  24654  20405  145132  26820  0
 251317W
 실제부하
– 안전율 10% 고려해준 실제 냉동부하
qRL  qT 1.1  276449W
= 78.98 냉동톤=Qe
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사이클 해석(1)
증발온도와 응축온도, 압력 결정
• TD=5℃ ∴Te=-20℃, Tc=42℃
• 5℃ 과냉과 과열을 한다.
• Pe=245.29kPa, Pc=1615.9kPa
사이클 해석을 통한 기본사양 설정
• 냉매질량유량
• 증발기 용량
• 응축기용량
• 소요동력
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사이클 해석(2)
간략히 나타낸 냉동기 P-h선도
42 ℃
1615.9kPa
팽창밸브
Pc
Pe
-20 ℃
245.29kPa
q e
사이클 해석
h
냉매 : R22 사용
1점 상태
P1=245.29kPa, T1=-15℃, h1=405kJ/kg
2점 상태
(p-h선도로 부터) h2s=450kJ/kg
m  41.2877  0.13821(245.29)  1.45  104 (245.29)2  66.46
Page  10
h2  h1 
h2 s  h1
m
 405 
450  405
 472.71kJ / kg
0.6646
(T2
100C )
사이클 해석(2)
간략히 나타낸 냉동기 P-h선도
1615.9kPa
팽창밸브
Pc1
245.29kPa
Pe2
42 ℃
-20 ℃
q e
사이클 해석
3=4점 상태
(p-h선도로 부터)
h4  h3  247kJ / kg
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사이클 해석(3)
사이클 해석을 통한 기본 사양 결정
RE  h1  h4  405  247  158kJ
  h2  h1  472.71  405  67.71kJ / kg
qc  h2  h3  472.71  247  225.71kJ / kg

m
Qe
276.499

 1.75kg / s
RE
158
W  67.711.75  118.49kW
Qc  225.711.75  395kW
Qc
395
COP 

 2.10
W 118.49
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실제 제품 선정(증발기)
 종류 : 공랭식 증발기
 제조사 : 동화정밀
 제품명 : DUTA-250E
 냉각능력 : 16403kcal/h=19.14kW
 설계요구성능 : 276.449kW
 필요대수 : 15대
링크 : http://www.rauction.co.kr/shop/home_subview.php3?mode=subview&gmco
de=M060403174226
Page  13
실제 제품 선정(압축기)
 종류 : 2단 스크류 냉매압축기
 제조사 : 경원세기
 제품명 : GC-S5000S21
 성능 : 52,600Kcal/hr=61.36 kW
 설계요구성능 : 118.49kW
 필요대수 : 2대
링크 : http://www.ascentury.com/new/html/refrigeration_04.htm
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실제 제품 선정(응축기)
 종류 : 수냉식 쉘-튜브
 제조사 : 동화정밀
 제품명 : DHCD-300
 성능 : 86851 kcal/h = 101.01kW
 설계 요구 응축열량 : 395kW
 사용대수 : 4대
링크 : http://www.r-auction.co.kr/shop/home_subview.php3?mode=subview&gmcode=M060330121519
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실제 제품 선정(응축기)
 종류 : 온도식 자동팽창밸브
 제조사 : ALCO
 제품명 : TJRE 18HW100
 성능 : 10냉동톤=35kW
 설계 요구 성능 : 276.449kW
 사용대수 : 8대
링크 : http://r-auction.co.kr/shop/home_subview.php3?mode=subview&gmcode=M060809134540
Page  16
정리
증발기
압축기
응축기
팽창장치
방식
공랭식
2단 스크류
냉매압축기
수냉식 쉘-튜브
온도식
자동팽창밸브
설계요구성능
276.449kW
119.49kW
395kW
276.449kW
기기 성능
19.14kW
81.38kW
101.01kW
35kW
사용 대수
15대
2대
4대
8대
실제장치성능
287.1kW
122.72kW
404.04kW
280kW
금액
약 4,700만원
약 5,060만원
약 600 만원
약 120만원
※총 1억 480만원 필요 설치비 / 냉동창고의 건축비용 제외
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목 차
설계 과제 및 진행(냉동창고의 냉동기 설계)
• 냉동 부하 계산
• 사이클 해석
• 실제 압축기/증발기/응축기/팽창장치 설계
• 정리
설계 과제 및 진행(이중관형 수냉식 응축기 설계)
• 냉매측 열전달계수
• Cavallini-Zecchin 관계식 사용 계산
• 냉각수 측 열전달계수
• 길이 L
• 참고 문헌
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설계과제 및 진행 (이중관형 수냉식 응축기 설계)
설
계
과
제
이중관형 수냉식 응축기
 응축기 용량 5kW
 이중관형 수냉식 응축기 설계
 내관
1 in (r 25.27mm t=1.651mm)
i
 외관 2.5 in (r
i
61.85mm t=2.108mm), 단열,열손실x
R134a
 냉매 R134a
 40℃ 포화증기 → 40℃ 포화액 응축
 내,외부 대류저항, 전도저항 고려
 냉각수 입구온도(30℃로 가정)
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Counter Flow (대향류)
냉매 측 열전달 계수
냉매 R134a 40℃ 기준
주요 계산 과정
 l  1147 kg / m 3
.
.
 v  50.08kg / m
mr 
3
 l  1.66  10 4 kg / m  s
 v  1.408  10 kg / m  s
5
Prl  3.285

k l  0.0757W / m C
Page  20
Q
5kW

 0.03063kg / s
h fg 163kJ / kg
.
V 
mr
0.03063kg / s

 61.07kg / m 2  s
Ai 
(0.02527m) 2
4
4 A 4  R 2
DH (수력직경) 

 2 R  0.02527m
P
2R
Cavallini-Zecchin 관계식 사용
주요 계산 과정
 건도 x는 평균치 0.5로 가정
V (1  x) DH (61.07kg / m 2  s)  (1  0.5)  (0.02527m)
Re l 

 4648.3
4
l
1.66  10 kg / m  s
VxDH (61.07kg / m 2  s)  (0.5)  (0.02527m)
Re v 

 54802.5
5
v
1.408  10 kg / m  s
Re eq
 v
 Re l  Re v 
 l
  l

  v
 0.05 Re 0.8 eq Pr 0.33l k l
f i  
DH

Page  21

 1.408  10 5  1147 
  4648.3  54802.5

  111110.2
 4 
50
.
08
1
.
66

10




 0.05  (111110.2) 0.8  (3.285) 0.33  0.0757
 
 2412.8W / m  2 C
0.02527

냉각수 측 열전달계수
기본 가정 및 상수
 Twi
 30C
수냉식 냉각수 온도차 5~7℃
 Two  36C 로 가정
주요 계산 과정
DH 

( D 2 o  Di )
2
4
 ( Do  Di )
 Do  Di
.
 T  6C 로 가정
QC
5
mw 

 0.1994kg / s
C pw  T 4.1784  6
.
 물의 평균 온도 33℃ 일 때
C pw  4.178kJ / kg  C
 w  995.2kg / m
 w  0.767  10 3 kg / m  s
Pr  5.184
k w  0.618W / m  C
.
mw
Vw 

w  A
3
Page  22
4A

P
4
0.1994
995.2 

4
 0.08478m / s
(0.06185  0.028572 )
2
2
Nu  0.023 Re 0.8 Pr 0.4  0.023  (3660.7) 0.8  (5.184) 0.4  31.5
Re 
 wVw DH 995.2  0.08478  (0.06185  0.028572)

 3660.7  4000
w
0.767  10 3
fo 
kw
0.618
Nu 
 31.5  585.0
DH
(0.06185  0.028572)
길이 L
주요 계산 과정
 동관에서의 k c  332kcal / m  h  C  386W / m  C
In(d o / d i )
1
1
1
1




UA U i Ai
f i Ai
2k c L
f o Ao
1
1 d  In(d o / d i ) 1  d i 
  i
  
Ul
fi
2  kc
fo  do 
1
0.02527  In(0.028572 / 0.02527)
1  0.02527 
1





2412.8
2  386
585.0  0.028572  518.0
U i  518.0W / m 2  C
T1  (40  36)  4C
TIm 
T2  (40  30)  10C
T1  T2
4  10

 6.55C
In(T1 / T2 ) In(4 / 10)
.
.
Q  U i AS TIm에서
L
Q
5000
As 

 1.4736m 2
U i  TIm 518  6.55
AS
1.4736

 18.56m
Di   0.02527
Page  23
따라서 길이 L=18.56m 이다.
참고자료(Reference)
 냉동공학 – 원성필저, 보성각
 (쉽게 배우는) 유체역학, Donald F. Young외2명, 고형종 [외]역, 인터비젼
 기본 열전달 - YUNUS A. CENGEL,김 유 외 5명 공역,McGraw-Hill Korea
 내연 기관 공학 - Willard W.Pulkrab,김덕줄 외 4명 옮김,교보문고
 Heat Exchangers - Holger Martin 저,HEMISPHERE PUBLISHING CORPORATION
 HEAT EXCHANGER DESIGN - Ramesh k. shah and Dusan P.Sekulic 저,JOHN
WILEY & SONS, INT
 물성치 참조
– 부록1. P402 TABLE A-9.Properties of saturated water
– 부록1. P403 TABLE A-10.Properties of saturated refrigerant-134a
Page  24