< 서 론>
오늘날 승용차에서는 자동 air-conditioning 시스템을 흔히 찾을 수 있음. 이 시스템은 특정 외부 환경 조건에서 승객들의 쾌적한 환경을 유지하기 위해, 실내 공기의 온도와 습도를 조절하는데 사용됨. Air-conditioning 시스템은 에너지 소모원이며, 따라서 연료 소모량, 엔진 부하, 오염물질 배출에 강한 영향을 미침. Air-conditioning 시스템은 발생하는 에너지에 대해 균형적으로 고려되어야 함.
Simcenter Amesim 에서 다음과 같은 목적으로 Air-conditioning 을 지원하고 있음
1. Air-conditioning 부품의 sizing
- 열교환기
2. 시스템의 변동 및 steady-state 분석
- Thermal 냉매
- Solid 경계면 capacities 모델링
3. 현재 및 새로운 시스템 구성의 설계 및 테스트
- CO2 시스템
- Heat pump 시스템
4. Air-conditioning 시스템이 모터 주변의 전체 에너지 관리에 미치는 영향 연구
- Thermal, Thermal-hydraulic, Pneumatic and cooling system 라이브러리
- 윤활 시스템, 엔진, 냉각 시스템, 배기 라인 사이의 열 상호작용 연구
5. Two-phase Flow 라이브러리는 기본 요소로 구성
- 경계조건, 센서, 덕트, 압력 손실 등
- 냉매의 내부 유동 및 외부 유동의 모델링을 위한 moist air 요소로 구성
6. Thermal 라이브러리는 열 교환기 경계면의 capacities 및 moist air 모델링을 위해 사용
- Gas mixture 및 moist air 라이브러리는 moist air 를 모델링하기 위해 사용
- Moist air 의 압력 감소를 고려할 수 있음
아래 그림은 two-phase 라이브러리를 사용하여 에어컨 시스템을 모델링한 예제
<Air-conditioning 라이브러리 시작하기 >
Air-conditioning 라이브러리의 구성 요소들을 사용하기 위해, 아래 그림에 제시된 일반적인 냉매 loop 구조를 참고
시스템의 구성
1. 내부 제어 밸브가 포함된 variable displacement compressor (압축기)
2. Parallel flow condenser (응축기)
3. Short-tube orifice (오리피스)
4. U-channel plate evaporator (증발기)
5. Accumulator (액분리기)
6. Ducts (덕트)
단계별로 시스템 모델링을 수행함. Compressor 부터 시스템을 구축하고, 점진적으로 구성 요소를 추가하여 완전한 시스템을 완성. 아래 그림과 같이 Pressure-enthalpy (P-H) 다이어그램을 보여주는 일반적인 냉매 사이클을 고려함
Stage1: 압축 (compression)
Stage2: 응축 (condensation)
Stage3: 팽창 (expansion)
Stage4: 증발 또는 끓음 (evaporation or boiling)
Compressor의 역할은 냉매 유량을 시스템에 공급하는 것. 이것은 흡입부와 배출부 사이에서 압력이 증가하고, compressor의 기계적 동력이 냉매로 전달된다는 것을 의미함. 그리고 이 동력은 압축 과정에서 thermal equivalent 함. 결과적으로 통과하는 냉매의 압력과 온도가 증가함. 또 compressor 내의 유체 state 는 과열증기임. 위의 그림에서 compressor의 역할이 표시되어 있음. Compressor 내에서는 유체의 압력과 enthalpy 가 증가하여 유체의 온도가 상승함.
Compressor의 초기 조건은 아래 그림과 같음.
<냉매 loop 모델링 >
Condenser 에서 가열된 냉매는 응축 과정 중에 공기 유동에 latent heat를 전달. 출구 측에서 냉매는 압력은 유지하지만, 기체에서 액체로 상이 변함. Condenser의 역할은 evaporator와 compressor에서 냉매에 공급된 에너지를 제거하는 것임. 냉매의 변화는 아래의 P-h 다이어그램에서 관찰할 수 있음. Condenser를 모델링 할 수 있는 Air-conditioning 라이브러리의 구성 요소를 사용하여 다음과 같은 작업이 가능함.
- Manifold를 포함한 여러 pass를 가진 condenser 모델링 (3개 또는 5개 셀로 이산화)
- 냉매, walls 및 external flow 모델링
- Condenser 의 전면 표면에 비균일적인 공기의 속도 또는 온도 프로파일을 모델링
- Condenser 를 따라 냉매 압력, 온도, gas mass fraction의 변화를 정확하게 모델링
Condenser의 기본 형상은 micro-channel tube 및 fin heat exchanger의 global data submodel ACMCTF0 에서 정의됨. Condenser 모델에 속하는 각 pass는 이러한 데이터를 공유함.
기본 형상 데이터는 하나의 pass 형상을 특성화 하는데 사용됨.
Condenser의 global dimension 은 총 튜브 수에 관한 정보를 추가하여 알 수 있음.
아래 그림은 기본 형상과 관련된 micro-channel tube 및 fin heat exchanger 의 global data submodel- parameter를 나타냄.
Parameter 변경 창에 표시된 대로, condenser의 기초 형상은 튜브 및 핀 열 교환기 global data 아이콘에 제공됨. Condenser에서 사용되는 state variable 의 초기화 고려 필요. 압력은 출구 경계 조건 탱크의 압력 값으로 초기화 됨. 온도는 state variable 을 초기화 하는데 사용되는 추가 variable 로 선택됨. 섭씨 30도라고 가정하고 condenser를 통과하는 moist air 온도와 같음.
Micro channel 및 fin의 global data 아이콘에는 두 가지 유형의 정보가 표시됨.
첫 번째 유형은 전체 condenser의 global 형상 데이터(면적, 질량, 부피)와 연관이 있음. 이 데이터는 parameter mode에서 condenser global data 아이콘에 정의된 기본 형상적 data 에서 계산됨. 또한 tube의 수, 즉 condenser 의 각 pass에 있는 tube의 합계에 따라 달라짐.
두 번째 유형은 moist air 유동과 condenser 사이에서 교환되는 열과 관련된 data에 해당됨. 교환된 전체 열(heat exchange)은 sensible heat과 latent heat exchange의 합이며, 그의 비율 또한 표시됨. 전체의 heat exchange 중 latent 부분은 moist air 유동에 포함된 물의 응축으로 인한 것일 수 있음. Condenser 질량 유량은 이러한 과정에서 plot 될 수 있지만, 대부분 evaporator 구성 요소에서 발생함. 여기서 제안된 condenser 에는 응축이 없기에 총 열유량은 sensible heat flow rate와 같음.
<팽창밸브 모델링: 등엔탈피 과정 >
팽창밸브는 evaporator로 흐르는 냉매의 양을 조절하는데 사용됨. 일반적으로 evaporator 를 지나는 질량 유량은 evaporator 출구의 과열에 따라 달라짐. 시스템의 운전 조건에 관계없이, 팽창 장치는 항상 evaporator 출구에서 완전히 기화되도록 일정량의 냉매를 evaporator에 제공해야 함. 팽창장치는 압력을 감소시키며, condenser에서 나오는 액체를 기화시키기 시작함.
완전한 냉매 loop 의 단계별 모델링을 계속하기 위해 short-tube orifice 가 추가됨.
Submodel mode에서 그림과 같이 추가된 새 구성요소와 관련된 submodel 을 선택함.
Submodel이 설정되면 parameter mode로 전환하고, parameter 값을 수정함.
팽창 장치로써 short-tube orifice 의 영향을 확인하기 위해 입구 및 출구 압력 변화를 아래 그림과 같이 plot 함. Short-tube orifice의 단열 팽창으로 인해 유입구의 과냉각 냉매 유동은 출구에서 two-phase 상태로 변함.
<U-channel plate 증발기 모델링 >
증발기는 air/refrigerant 열교환기로써, moist air가 evaporator를 통해 흐르면서 냉매에 열을 공급하여 냉매를 완전히 기화시키는 역할을 함. 유체가 evaporator에 들어오면 이는 two-phase 유체 상태임. 목표는 evaporator 출구에서 포화증기를 얻는 것임. U-channel tube와 fin 열교환기로 모델링 가능한 Air-conditioning 라이브러리의 구성 요소를 사용하여 다음을 수행할 수 있음.
- 다양한 분할과 매니폴드를 포함하는 여러 U-channel plate 및 fin 열교환기를 모델링
- 냉매, 경계면 및 외부 유동을 모델링
- Evaporator 전면 표면에 비균일한 공기 속도 및 온도 프로파일을 정확하게 모델링
- 미리 정의된 refrigerant를 통해 evaporator에서 냉매 압력, 온도 및 gas mass fraction 모델링
냉매는 two-phase 유체 상태로 evaporator에 들어가야 함. 그런 다음 moist air 가 냉각되며 냉매 enthalpy 가 증가함. 마지막으로 냉매 유동은 evaporator 를 떠나서 compressor에서 추가 처리될 수 있도록 기체 상태로 있어야 함.
Evaporator의 기본 형상은 U-channel plate 및 fin 열교환기의 global data submodel에서 정의됨. 따라서 evaporator 모델에 속하는 각 pass는 이러한 데이터를 공유함.
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