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- 실제 에어컨 시스템에 있어서 팽창밸브는 증발 기출구의 과열도에 따라 변을 개폐하여 냉매흐름 량이 달라지며, 차량의 주행속도와 차 실내 열부에 변화에 따라 증발기 출구 과열도는 계속 변화하게 된다. 그러나 본 연구에서는 일정 과열도를 부여하였고, 마찰 등을 무시한 엔탈피가 일정한 교축과정으로 가정하였다.
- 해석은 자동차 실내에 대한 열부하와 각 단품에 대하여 먼저 모델링되어야 하며, 에어컨 시스템의 단품성능 모델에 대하여 열량계 실험값을 만족시키는 실험적 관계를 기반으로 하여 작동조건변화에 대하여 질량보존, 에너지보존법칙을 통하여 에어컨 시스템의 요소성능을 나타내게 된다. 모든 해석은 정상 상태로 가정한다.
- 엔진룸에 위치한 홉입배관은 엔진발열로 인하여 열을 흡수하게 되므로 열전달의 고려는 일정한 상수의 냉매 엔탈피를 압축기 입구에 부가함 으로써 홉입배관의 냉매가 흡수한 열량을 가정하였다. 이 값은 여러 자동차 시험결과로부터 대략 2.
제안 방법
- (4)은 ORNL에서 개발한 주거용 열펌프 성능예측 프로그램에 평판식 증발기 성능해석 프로그램을 추가함으로써 자동차용 에어컨 시스템 시뮬레이션을 하였다. Dabiri et al⑸은 열펌프 시뮬레이션 프로그램 개발을 위하여 압축기를 고려하였고, 또한 Brent et 은 자동차 에어컨 시스템에 대하여 모델링하고 동적 상태에서의 성능을 해석하였다.
- (4)은 ORNL에서 개발한 주거용 열펌프 성능예측 프로그램에 평판식 증발기 성능해석 프로그램을 추가함으로써 자동차용 에어컨 시스템 시뮬레이션을 하였다. Dabiri et al⑸은 열펌프 시뮬레이션 프로그램 개발을 위하여 압축기를 고려하였고, 또한 Brent et 은 자동차 에어컨 시스템에 대하여 모델링하고 동적 상태에서의 성능을 해석하였다. Youming et al"'은 열 교환기에 대하여 열전달과 공기흐름을 CFD를 이용하여 해석하였고, Kim et aL(8)은 열교환기 해석에 e-NTU 방법을 사용하여 자동차 에어컨 시스템을 해석하였다.
- 환경 제어풍동에서 실시한 시험 결과와 비교하여 검증된 전산 시뮬레이션으로 각 에어컨 구성품들 의 변경과 차량 외부조건의 변화시 시스템 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 구성품의 변경과 외부조건 변화는 출구압력값이 이일 때 258kPa, 10°C 에서 360 kPa의 특성을 가진 팽창밸브와 압축기 회전수를 전영역에서 150rpm 감소하였을 때, 용량이 큰 L형 압축기 적용시, 흡입배관의 내경을 φ15로 증가하였을 때, 증발기 전면 공급풍량이 10% 감소하였을 경우에 대하여 전산 시뮬레이션하였다.
- 따라서 본 연구에서는 각 에어컨 구성품을 모델링하고, 이를 바탕으로 자동차 에어컨 시스템의 성능을 전산시뮬레이션 하였다. 그 결과를 자동차 에어컨 시스템의 성능 시험과 비교하여 전산 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다. 전산 시뮬레이션은 중발기, 응축기, 압축기, 팽창밸브, 흡입배관을 고려하였고, 차 실내의 열부하와 환기손실에 대하여 집중열량계로 모델링한 후 작동조건에 따라 열 .
- 단품 열량계에서 성능이 확인된 각 에어컨 구성품을 자동차에 장착 후 에어컨 시스템에 적합한 냉매량이 결정되면 이를 바탕으로 에어컨 성능시험을 한다. 온도측정을 위해서는 증발기 입구와 출구, 실내순환공기, 얼굴 토출구 등 차 실내에 27개의 T형 열전대를 설치하였으며, 엔진룸에는 응축기 입출구 및 압축기 입출구 등에 17개의 열전대를 설치하였다.
- 이와 같이 자동차 에어컨 시스템 시뮬레이션에 대하여 많은 연구가 수행되었으나, 실제로 주행하는 자동차에 적용하여 에어컨 시스템 성능해석 한 경우는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 각 에어컨 구성품을 모델링하고, 이를 바탕으로 자동차 에어컨 시스템의 성능을 전산시뮬레이션 하였다. 그 결과를 자동차 에어컨 시스템의 성능 시험과 비교하여 전산 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다.
- 냉매량을 과충전시는 응축기의 압력과 온도가 상승하게 되며, 또한 냉매량을 부족충전시에는 증발기 출구 과열도의 상승에 따라 비체적의 증가로 냉매순환량이 감소하여 성능이 저하되기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 에어컨 시스템 을 자동차에 장착 후 환경제어풍동에서 적정냉매 량 결정시험을 하였으며, 적정냉매량 결정은 과냉각 응축기를 사용할 시 기존의 평행류형 응축 기의 적정냉매량 선정과는 상이하다. 과냉각응축기의 경우, 특성상 냉매충진량의 중가와 함께 과 냉각온도가 증가하다가 정체를 이룬 지점에서의 냉매량을 적정냉매량으로 선정한다.
- 맵핑은 토출용량이 서로 다른 S형과 L형 두 가지의 사판식 압축기에 대하여 체적효율 ηv와 단열효율 ηi를 구하였다.
- 유동학적 균형을 통하여 시간차분법으로 계산하였다. 성능시험은 전산 시뮬레이션에 사용된 각 에어컨 구성품을 자동차에 장착한 후 환경제어풍동에서 주행 및 작동조건별로 에어컨 성능시험을 하였다. 이로써 앞서 언급한 개발 기간의 단축과 개발투자비용 측면에서 경쟁력을 확보하였고, 개발 초기단계에서 성능해석으로 적합한 구성품을 선정하여 에어컨 시스템의 최적화에 기여할 수 있다.
- 시험은 상대습도 40%, 외기온도 43.3°C 및 일 사량 1’OOOW/m2에서 방치 후, 차 실내온도가 60 °C에 도달하였을 때 에어컨 성능시험을 한다. 상 세한 실험조건은 Table 2에 나타내었다.
- 압력강하 모델링은 여러 조건을 변화하면서 실험한 단품열량계의 실험값으로 표현된 식을 사용 하였다.
- 온도측정을 위해서는 증발기 입구와 출구, 실내순환공기, 얼굴 토출구 등 차 실내에 27개의 T형 열전대를 설치하였으며, 엔진룸에는 응축기 입출구 및 압축기 입출구 등에 17개의 열전대를 설치하였다. 압력측정은 압죽기 토출배관과 흡입배관에 압전센서를 설치하여 측정 하였으며, 냉매충전을 위해서는 냉매의 충전, 회수, 재생 및 재충전이 가능한 Robinair사의 HFC- 134a 냉매충전기를 사용하였다.
- 단품 열량계에서 성능이 확인된 각 에어컨 구성품을 자동차에 장착 후 에어컨 시스템에 적합한 냉매량이 결정되면 이를 바탕으로 에어컨 성능시험을 한다. 온도측정을 위해서는 증발기 입구와 출구, 실내순환공기, 얼굴 토출구 등 차 실내에 27개의 T형 열전대를 설치하였으며, 엔진룸에는 응축기 입출구 및 압축기 입출구 등에 17개의 열전대를 설치하였다. 압력측정은 압죽기 토출배관과 흡입배관에 압전센서를 설치하여 측정 하였으며, 냉매충전을 위해서는 냉매의 충전, 회수, 재생 및 재충전이 가능한 Robinair사의 HFC- 134a 냉매충전기를 사용하였다.
- 전산 시뮬레이션은 중발기, 응축기, 압축기, 팽창밸브, 흡입배관을 고려하였고, 차 실내의 열부하와 환기손실에 대하여 집중열량계로 모델링한 후 작동조건에 따라 열 . 유동학적 균형을 통하여 시간차분법으로 계산하였다. 성능시험은 전산 시뮬레이션에 사용된 각 에어컨 구성품을 자동차에 장착한 후 환경제어풍동에서 주행 및 작동조건별로 에어컨 성능시험을 하였다.
- 응축기는 전열면적, 튜브수, 내부 유동면적, 튜브의 수력 직경 등 기하학적 형상 및 응축기 내부에서의 상변화를 고려하여 공기측과 냉매측 열전달계수를 국소열전달 방법을 사용하여 해석하 였다.
- 자동차 에어컨 시스템의 성능을 전산 시뮬레이션하고 환경제어풍동에서의 성능시험결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그 결과를 자동차 에어컨 시스템의 성능 시험과 비교하여 전산 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다. 전산 시뮬레이션은 중발기, 응축기, 압축기, 팽창밸브, 흡입배관을 고려하였고, 차 실내의 열부하와 환기손실에 대하여 집중열량계로 모델링한 후 작동조건에 따라 열 . 유동학적 균형을 통하여 시간차분법으로 계산하였다.
- 증발기는 성능실험을 바탕으로 모델링하였으며 , 단품 열량계에서 구한 냉방능력과 실험조건인 공 기의 건구온도, 습도, 증발기의 입구냉매압력, 입출구냉매의 압력차가 입력값으로 사용된다.
- 환경 제어풍동에서 실시한 시험 결과와 비교하여 검증된 전산 시뮬레이션으로 각 에어컨 구성품들 의 변경과 차량 외부조건의 변화시 시스템 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 구성품의 변경과 외부조건 변화는 출구압력값이 이일 때 258kPa, 10°C 에서 360 kPa의 특성을 가진 팽창밸브와 압축기 회전수를 전영역에서 150rpm 감소하였을 때, 용량이 큰 L형 압축기 적용시, 흡입배관의 내경을 φ15로 증가하였을 때, 증발기 전면 공급풍량이 10% 감소하였을 경우에 대하여 전산 시뮬레이션하였다.
대상 데이터
- 배관에 대한 압력강하와 열전달은 상대적으로 냉매의 비체적이 많은 흡입배관(suction line)만을 고려하였다.
- 환경제어풍동에서 실시한 자동차 에어컨 시험의 각 구성품은 편탱크형 증발기 (one-tarmk plate type evaporator), 기액분리형 응축기(gasTiquid separation type condenser), 사판식 압축기, 외경이 φ12인 흡입배관 및 0P일 때 228kPa의 출구 압력값을 가지는 블륵형 팽창밸브를 사용하였다.
이론/모형
- 냉매측은 단상영역과 이상영으로 나누어 각각 계산되며, 먼저 단상영역은 Dittus-Boelter""식을 사용하였다.
- 두번째 방법은 압축기를 다양한 조건의 실험에 의하여 구한 성능곡선을 기반으로 하는 Map based 방법으로 이 방법은 실험에 기반을 두고 압축기를 해석하기 때문에 압축기 단품의 정확한 성능을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 압축기 열량계에서 입구압력과 출구압력, 회전수를 변화하면서 실험한 결과값을 바탕으로 한 Map based 방법을 사용하였다.
- 응축 기의 압력 손실은 Reynolds 상사관계를 이용하여 마찰계수를 표현한 Shah(⑵ 관계식을 사 용하였다. 단상영역에 대하여 압력손실은 아래와 같이 표현된다.
- 이상영역은 Cavallini-Zecchin( 11 ) 관계식을 사용하 였다.
성능/효과
- (1) 압축기의 체적효율과 단열효율은 회전수가 증가할수록, 압축비가 높을수록 감소하는 경향을 나타내었다.
- (2) 냉매량 결정시험시 과냉각 응축기의 특성인 냉매충진량의 증가와 함께 과냉각 온도가 증가하다가 온도가 정체하는 지점을 볼 수 있었다.
- (2) 열량계 실험으로 얻은 응축능력은 오일의 순환량을 전체 냉매순환량의 3% 미만으로 규제 한 응축능력 및 압력강하에 대한 값이므로, 실제 자동차 에어컨 시스템에 있어서는 냉동오일을 고려한 βh와 βp를 구한다. βh와 βp는 열전달계수와 압력강하에 대한 연산계수로 이 값은 에어컨 성능 해석의 입력값으로 사용된다.
- (3) 전산시뮬레이션 결과 및 환경제어풍동에 서 시험한 에어컨 성능은 주행속도가 증가함에 따라 냉매의 질량유량 증가로 차 실내온도가 점차 낮아지나, 공회전시는 급격한 유량감소로 증발기의 과열도가 증가하여 온도가 급격히 상승하 였다.
- (4) 환경제어풍동에서 시험한 결과값과 전산 시뮬레이션 결과값을 비교한 결과 공회전시 증발기 출구온도를 제외하고는 모든 구간에서 잘 일치하 였다.
- (5) 성능계수를 압축기의 용량, 팽창밸브의 과열도, 홉입배관 손실, 압축기 회전수, 증발기측 유입공기량을 변화하면서 전산 시뮬레이션한 결과 압축기 회전수를 감소하였을 때가 가장 우수 하였다.
- 공회전의 차이도 이와 같은 이유로 전산 시 뮬에 이 션에서는 입력값이 성능해석에 바로 적용되는 반면, 시험은 일정기 간의 시간지연이 발생하기 때문이다. 따라서 정량적인값의 결과 비교는 각 주행조건의 마지막 지점인 30, 60, 90, 120분에서의 비교가 타당할 것이다.
- 7을 보면 증발기 출구 냉매온도가 처음에는 차 실내온도의 열부하 에 의해 증가하였다가 에어컨을 작동하는 순간 급격히 온도가 떨어지며, 압축기 회전수의 증가 로 냉매순환량이 중가하므로 점차 온도는 내려가 다가 공회전에 이른 순간 급격한 압축기 회전수 의 감소로 냉매순환량이 감소하고, 응축기의 방 열도 전동 팬에만 의존하므로 주행시보다 상대적으로 옹축기 전면의 유입공기량이 감소하므로 열 교환이 불리하게 되어 증발기 출구온도는 증가한다. 증발기 출구 냉매온도에 대하여 전산 시뮬레이션 결과는 시험결과와 잘 일치하고 있으며, 공회전에서만 최대 17%의 오차를 보이고 있다. 이는 팽창밸브의 작동특성에 기인한 것이다.
- 주행속도의 증가와 함께 냉매유량의 증가로 점차 냉방능력이 상승하다가 공회전시 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 팽창밸브 변경, 압축기 변경, 흡입배관 변경, 압축기 회전수 변경에는 큰 영향이 없으나, 증발기 전면 풍량을 10% 정도 감소하였을 때 냉방능력은 15% 정도 감소하였다.
- 4는 실험값을 바탕으로 S형과 L형 압축기에 대하여 회전수와 압축비를 변화하면서 구한 압축기 체적효율에 대한 맵핑결과를 보여주고 있다. 회전수가 증가할수록, 압축비가 높을수록 체 적효율은 감소하는 경향을 나타내며, 특히 압축비가 높은 영역에서는 l, 800rpm 부근에서 가장 우수한 체적효율을 보이고 있다. 용량에 따른 차이는 용량이 큰 L형이 S형보다 체적효율이 중가하였다.
후속연구
- 성능시험은 전산 시뮬레이션에 사용된 각 에어컨 구성품을 자동차에 장착한 후 환경제어풍동에서 주행 및 작동조건별로 에어컨 성능시험을 하였다. 이로써 앞서 언급한 개발 기간의 단축과 개발투자비용 측면에서 경쟁력을 확보하였고, 개발 초기단계에서 성능해석으로 적합한 구성품을 선정하여 에어컨 시스템의 최적화에 기여할 수 있다.
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