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문제 정의
- 본 연구에서는 냉동기유 주입량과 냉매 충진량 에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 수냉식 냉동기를 제작하여 자동차 공조기 실험조건 하에서 성능을 측정했다. 실험에서는 특히 냉매 측 및 2차 유체측의 에너지 균형이 3-4% 이내에서 일치할 수 있도록 시스템을 보완한 상태에서 모든 데이터를 취했다.
- 성능을 공정하게 평가하기 위해서는 동일한 실험조건 하에서 데이터를 취해야 한다. 본 연구에서는 실제의 자동차 공조기 내의 열교환기 입출 구에서의 온도와 비슷한 온도를 설정하여 모든 실험을 진행하였다. 이 조건 하에서 증발기측 물의 입구온도는 26.
- 이에 본 연구에서는 자동차 공조기를 모사하는 냉동기를 제작하여 자동차 공조기에 쓰이는 냉동기 유 주입량 및 냉매 충진량에 따른 성능을 측정, 평가하고 이것들이 시스템에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
가설 설정
- 본 연구에서는 실제의 자동차 공조기 내의 열교환기 입출 구에서의 온도와 비슷한 온도를 설정하여 모든 실험을 진행하였다. 이 조건 하에서 증발기측 물의 입구온도는 26.7℃로 고정하였고, 물의 유량을 일정하게 고정함으로써 실제 자동차 공조기에서와 같이 공기의 유량이 일정하게 유지된다고 가정하였다. 한편 응축기측 물의 입출구 온도는 35 ℃ 와 43.
- 전자는 응축기와 증발기에서 2차 유체의 열량을 실제로 측정하여 결정되며, 후자는 냉매측 유량을 측정하고 압축기 입출구 및 응축기 출구의 온도와 압력을 측정한 뒤 100% 냉매가 이 부분을 지난다는 가정 하에 이 상태에서 냉매의 엔탈피를 계산하고 냉매 유량을 곱하여 결정된다. 이때에 팽창밸브에서는 등엔탈 피 변화가 일어나는 것으로 가정하였다. 실제로 냉동기유가 냉매와 함께 순환되므로 전자보다는 후자가 항상 크게 된다.
- 7은 실험을 통해서 얻은 증발기 및 응축기 용량과 단순히 단상 상태의 온도와 압력을 측정해서 계산으로 얻은 증발기 및 응축기 용량간의 편차를 비교한 것이다. 전자는 응축기와 증발기에서 2차 유체의 열량을 실제로 측정하여 결정되며, 후자는 냉매측 유량을 측정하고 압축기 입출구 및 응축기 출구의 온도와 압력을 측정한 뒤 100% 냉매가 이 부분을 지난다는 가정 하에 이 상태에서 냉매의 엔탈피를 계산하고 냉매 유량을 곱하여 결정된다. 이때에 팽창밸브에서는 등엔탈 피 변화가 일어나는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 HP3852 Data logger를 상호 연결하여 30초 간격으로 수집하였으며 이렇게 수집한 데이터는 PC 의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석할 수 있게 했다.
- 본 실험에 사용된 압축기는 표준 냉동기유 주 입 량이 150cc인 모델이다. 냉동기유 주입량에 따른 성능을 평가하기 위하여 본 실험에서는 주입량을 각각 100, 150, 200, 250 cc로 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 각 냉동기유 주입량에 대해 압축기 구동모터 인버터 주파수를 40, 50, 60, 70, 80 Hz로 10 Hz씩 증가시켜가며 자동차 엔진 RPM 변화로 인한 성능 변화를 살펴보았다.
- 냉매 충진량 변화에 따른 성능 변화를 살펴보기 위해 충진량을 800 g부터 1,500 g까지 각각 100 g씩 증가시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 각 충진량에 대해 응축기측 물의 입구 온도를 30, 32.
- 냉동기유 주입량에 따른 성능을 평가하기 위하여 본 실험에서는 주입량을 각각 100, 150, 200, 250 cc로 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 각 냉동기유 주입량에 대해 압축기 구동모터 인버터 주파수를 40, 50, 60, 70, 80 Hz로 10 Hz씩 증가시켜가며 자동차 엔진 RPM 변화로 인한 성능 변화를 살펴보았다. 주파수 변화시 증발기 경우에는 입구의 물 온도와 유량을 고정하였고 응축기 경우에는 입출구 온도차를 고정하고 유량을 변화시켰는데 이것은 자동차 공조기에서 엔진 회전수 변화에 따른 실제 상황을 어느 정도 모사하기 위한 것이다.
- 실험에서는 특히 냉매 측 및 2차 유체측의 에너지 균형이 3-4% 이내에서 일치할 수 있도록 시스템을 보완한 상태에서 모든 데이터를 취했다. 또한 각 실험조건에 대해 최소한 2번씩 실험을 반복해서 그 편차가 1% 미만일 때만 적합한 데이터로 간주하였다.
- 냉매 충진량 변화에 따른 성능 변화를 살펴보기 위해 충진량을 800 g부터 1,500 g까지 각각 100 g씩 증가시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 각 충진량에 대해 응축기측 물의 입구 온도를 30, 32.5, 35℃로 변화시켜 가면서 외기 온도(물의 입구 온도)와 냉매 충진량의 관계를 살펴보았다. 이 시리즈 실험에서는 과열도를 101로 맞추었으며 신뢰도를 높이기 위해 두 번씩 실험을 수행하였다.
- 그리고 열교환기의 물측 입구에는 필터를 설치하여 물속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다. 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응죽기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 열 교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고 그 위에 25mm 두께의 단열폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응죽기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 열 교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고 그 위에 25mm 두께의 단열폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 본 연구에서는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등을 조합하여 약 3.5kW(l냉동 톤) 냉동용량을 낼 수 있는 냉동기를 설계, 제작하였다. Fig.
- 본 연구에서는 자동차 공조기용 압축기를 장착한 수냉식 냉동기를 제작하여 실험을 통해 냉동기 유 주입량과 냉매 충진량에 따른 성능 변화를 살펴보았으며 실험 데이터를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 처음에 냉매와 오일을 넣은 후 실험이 끝나면 오일이 빠져나가지 않도록 조심하면서 냉매를 빼고 그 뒤 오일을 원하는 만큼 충진하고 같은 양의 냉매를 넣고 같은 과열도에서 실험을 수행하였다. 실험 데이터의 신뢰성을 확보하기 위하여 동일 조건에서 최소한 두 번 이상 실험을 수행하였다.
- 1 % 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매측 압력을 측정하였다. 압축기의 소요동력은 정도가 ±0.2% 미만인 정밀 토크 미터를 이용하여 측정하였다. 공조기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기측 2차 유체의 질량유량을 정확하게 측정해야 하며 또한 냉매 측 및 2차 유체측의 에너지 균형이 맞는가를 살펴보기 위해서는 냉매측 의 유량을 측정해야 한다.
- orc의 정밀 온도계 RTD(ASL사 F250)를 사용하였으며, 응축기 측은 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입온도와 토출온도도 측정하여 시스템의 수명이나 냉동기유 및 냉매의 안정성 등도 살펴보았다.
- 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하기 위해 미세 조절이 가능한 수동식 팽창밸브를 사용하였다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다.
- 이 시리즈 실험에서 냉매 충진량은 1, 100g으로 고정하였으며 모든 실험은 과열도를 각각 5, 10 ℃로 맞추어 두 번씩 수행하였다. 처음에 냉매와 오일을 넣은 후 실험이 끝나면 오일이 빠져나가지 않도록 조심하면서 냉매를 빼고 그 뒤 오일을 원하는 만큼 충진하고 같은 양의 냉매를 넣고 같은 과열도에서 실험을 수행하였다.
- 5, 35℃로 변화시켜 가면서 외기 온도(물의 입구 온도)와 냉매 충진량의 관계를 살펴보았다. 이 시리즈 실험에서는 과열도를 101로 맞추었으며 신뢰도를 높이기 위해 두 번씩 실험을 수행하였다.
- 공조기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기측 2차 유체의 질량유량을 정확하게 측정해야 하며 또한 냉매 측 및 2차 유체측의 에너지 균형이 맞는가를 살펴보기 위해서는 냉매측 의 유량을 측정해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Coriolis Force 원리를 이용하여 점도나 밀도 등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 ±0.2% 의 고정도를 갖는 질량유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량과 시스템 내부를 순환하는 냉매의 유량을 정확하게 측정하였다. .
- 3536 nS이다. 이중관 열교환기의 내관으로 2차 유체가 흐르도록 하였으며 냉매는 내관과 외관 사이의 환상공관으로 흐르게 하였고 열교환을 극대화시키기 위해 대향류가 되도록 제작하였다. 냉동 사이클의 특성상 응축기 압력은 20~25 기압 까지 올라갈 수 있기 때문에 이 같은 고압에서도 시스템이 견딜 수 있도록 하기 위해 모든 접합부 는 은납을 사용하여 용접하였다.
- 자동차 공조기에는 감온팽창밸브를 사용하여 증발기 출구의 과열도를 일정하게 유지⑺하며 이로서 냉매유량을 조절하지만 본 실험에서는 수동밸 브로 과열도를 각각 5℃와 10℃로 일정하게 고정하여 실험을 수행하였다.
- 증발기 및 응축기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 20개 이상의 T-type 열전대 를 열교환기 연결부위의 냉매 및 물이 흐르는 관 속에 삽입하였고 모든 열전대들은 사용에 앞서 정도 ±0.01℃의 정밀 온도계로 보정하였다. 증발기 및 응축기의 용량을 결정하기 위해서는 각 열 교환기로 흐르는 2차 유체측의 온도차를 정확히 측정해야 한다.
- 증발기 및 응축기의 용량을 결정하기 위해서는 각 열 교환기로 흐르는 2차 유체측의 온도차를 정확히 측정해야 한다. 증발기측의 2차 유체 온도차를 정확히 측정하기 위해 정도 ±o.orc의 정밀 온도계 RTD(ASL사 F250)를 사용하였으며, 응축기 측은 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입온도와 토출온도도 측정하여 시스템의 수명이나 냉동기유 및 냉매의 안정성 등도 살펴보았다.
- 이 시리즈 실험에서 냉매 충진량은 1, 100g으로 고정하였으며 모든 실험은 과열도를 각각 5, 10 ℃로 맞추어 두 번씩 수행하였다. 처음에 냉매와 오일을 넣은 후 실험이 끝나면 오일이 빠져나가지 않도록 조심하면서 냉매를 빼고 그 뒤 오일을 원하는 만큼 충진하고 같은 양의 냉매를 넣고 같은 과열도에서 실험을 수행하였다. 실험 데이터의 신뢰성을 확보하기 위하여 동일 조건에서 최소한 두 번 이상 실험을 수행하였다.
- 한편 증발기와 응축기 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정 포트를 만들었고 정도가 ±0.1 % 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매측 압력을 측정하였다. 압축기의 소요동력은 정도가 ±0.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 압축기는 표준 냉동기유 주 입 량이 150cc인 모델이다. 냉동기유 주입량에 따른 성능을 평가하기 위하여 본 실험에서는 주입량을 각각 100, 150, 200, 250 cc로 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
- 본 실험에서 증발기와 응축기로 사용한 열교환기는 내경 19.01 mm, 외경 25.4mm, 길이 740mm의 이중관 형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. Fig.
- 본 실험장치의 압축기로는 실제 자동차 공조기용 압축기(HCC/FORD사의 FS10 모델)를 사용하였으며 모터와 인버터를 장착하여 실제 자동차 공조기처럼 회전수를 조절 가능하게 하였다. 압축기에 주입된 냉동기유는 PAG 오일(일본 IDEMITSU 사의 FD46XG)이다.
- 본 실험장치의 압축기로는 실제 자동차 공조기용 압축기(HCC/FORD사의 FS10 모델)를 사용하였으며 모터와 인버터를 장착하여 실제 자동차 공조기처럼 회전수를 조절 가능하게 하였다. 압축기에 주입된 냉동기유는 PAG 오일(일본 IDEMITSU 사의 FD46XG)이다. 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하기 위해 미세 조절이 가능한 수동식 팽창밸브를 사용하였다.
- 한편 2차 유체로는 증발기 및 응축기 모두 물을 사용하였고 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며, 증발기에는 히터를 사용하였다. 그리고 열교환기의 물측 입구에는 필터를 설치하여 물속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다.
성능/효과
- (1) 냉동기유 주입량이 증가함에 따라 성능계수와 냉동용량 모두 감소했다. 냉동기유의 순환 량이 증가하기 때문에 냉매/냉동기유 혼합물의 증기압이 떨어지는 것이 냉동용량 및 성능계수 감소의 주 원인으로 사료되며 압축기로 회수되지 못한 냉동기유의 양이 증가하여 열전달 방해인자로 작용하는 것이 또 다른 원인으로 사료된다.
- (2) 냉동기유 주입량이 증가함에 따라 증발기에서 압력강하가 상승하는 것으로 나타났는데 이는 회수되지 못한 냉동기유가 주로 증발기에 쌓이기 때문으로 사료된다. 또한 실험을 통해 얻은 증발기 및 응축기 용량과 질량 유량을 가지고 계산을 통해 얻은 증발기 및 응축기 용량간의 편차는 주입량 증가에 따라 증발기에서 빠르게 증가했는데 이는 냉동기유가 주로 증발기에 남기 때문으로 사료된다.
- (3) 본 실험에서는 냉매 충진량이 1, 200g일 때 성능계수가 최대치를 나타내었다. 따라서 본 시스템에 대해서는 이 양이 최적 충진량이라 할 수 있다.
- (4) 증발기의 경우 저충진 영역에서 냉매 충진 량 감소에 따라 압력강하가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 저충진 영역에서는 응축기 출구에서 제대로 과냉이 이루어지지 않아 냉매가 건도가 높은 상태로 증발기에 유입되기 때문으로 사료되며 이런 이유로 냉동용량 또한 감소한다.
- (5) 냉매 충진량이 적으면 과냉도 감소로 인하여 응축기 출구의 온도가 증가하고 그 결과 R134a 냉매와 PAG 오일의 상용성에 문제가 있을 수 있음이 확인되었다.
- 지난 몇 년 동안 냉동/공조 산업계는 CFC 전면 폐기로 인한 공백을 메우기 위해 오존붕괴지 수가 매우 낮거나 전혀 없는 단일 성분 냉매를 개발하는데 초점을 맞추어 연구 및 개발을 수행해 왔다. 그 결과 열역학적/화학적 물성치가 우수하고 냉동기 내에서 다른 물질들과의 호환성이 좋은 HFC134a가 CFC12를 대체할 신냉매로 등장하게 되었다. R134a는 열역학적 특성이 CFC12 와 비슷하므로 별다른 큰 문제없이 현재 새로 생산되는 자동차 공조기나 가정용 냉장고 등의 설비에 적용되고 있다.
- 본 실험에서 가시창을 통해서 냉매 충진량이 증가하면 과냉도가 증가하고 그 결과 응축기 출구 온도가 약 36℃ 이하가 될 때에는 - 냉매 충진량이 1, 200g 이상인 경우 - 냉매와 오일이 잘 혼합되어 혼합물이 투명했으나 그보다 충진량이 적은 경우에는 과냉도 감소로 온도가 증가하고 또 상용성이 감소하여 냉매와 오일 혼합물이 우유빛으로 혼탁해짐을 확인할 수 있었다. 또한 냉 매 충진량이 감소할수록 혼탁한 현상이 두드러짐을 확인할 수 있었다. 이는 응축기 출구의 온도가 36℃ 이상인 경우 응축기 내에서 HFC134a와 PAG의 상용성에 문제가 있을 수 있음을 보여주는 것이다.
- 또한 냉동기유 주입량이 증가하면 압축기에서 토출된 냉매/냉동기유 혼합물 중 냉동기유가 모두 압축기로 회수되지 못하고 증발기에 쌓이게 되고 이렇게 쌓인 냉동기유가 열전달을 방해하여 이차적으로 냉동용량 감소를 일으키며 그 결과 성능계수도 감소하는 것으로 사료된다.
- 4는 과열도를 10℃로 고정한 상태에서 여러 압축기 모터 회전속도에 대해 냉동기유 주입량 증가에 따른 성능계수와 냉동용량의 변화를 보여준다. 모든 압축기 속도에 대하여 냉동기 유 주입량이 증가할수록 성능계수와 냉동용량 모두 감소하는 것으로 나타났으며 특히 주입량이 많을 때는 감소율이 상당히 큰 것으로 나타났다.
- 본 실험에서 가시창을 통해서 냉매 충진량이 증가하면 과냉도가 증가하고 그 결과 응축기 출구 온도가 약 36℃ 이하가 될 때에는 - 냉매 충진량이 1, 200g 이상인 경우 - 냉매와 오일이 잘 혼합되어 혼합물이 투명했으나 그보다 충진량이 적은 경우에는 과냉도 감소로 온도가 증가하고 또 상용성이 감소하여 냉매와 오일 혼합물이 우유빛으로 혼탁해짐을 확인할 수 있었다. 또한 냉 매 충진량이 감소할수록 혼탁한 현상이 두드러짐을 확인할 수 있었다.
- 12는 냉매 충진량 증가에 따라 응죽기 줄구의 과냉도가 일정하게 증가함을 보여준다. 본 실험에서는 충진량이 약 l, 200cc일 때 즉 과냉도가 약 9.6℃일 때 최대의 성능계수를 보였고 충진량이 그 값을 초과해야만 급격한 성능 저하를 막을 수 있음을 보였다. 실제 자동차 공조기는 대개 과냉도가 8~일 때 가장 좋은 성능을 보이는데 이는 본 실험결과와 일치하는 것이다.
- 따라서 본 시스템에 대해서는 이 양이 최적 충진량이라 할 수 있다. 본 실험을 통해 냉매 충진량이 이 적정치 보다 적거나 많으면 성능계수가 최적 충진량 대비 최대 10.7%까지 감소함을 알 수 있었다. 성능계 수는 냉매 충진량에 따라 크게 변화하고 또 적 정치에서 최대치를 가지므로 냉동기의 최적 충진량을 찾을 때 가장 중요하게 고려해야 할 기준으로 사료된다.
- 본 연구에서는 냉동기유 주입량과 냉매 충진량 에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 수냉식 냉동기를 제작하여 자동차 공조기 실험조건 하에서 성능을 측정했다. 실험에서는 특히 냉매 측 및 2차 유체측의 에너지 균형이 3-4% 이내에서 일치할 수 있도록 시스템을 보완한 상태에서 모든 데이터를 취했다. 또한 각 실험조건에 대해 최소한 2번씩 실험을 반복해서 그 편차가 1% 미만일 때만 적합한 데이터로 간주하였다.
- 8은 냉매 충진량에 따른 성능계수 변화를 보여준다. 이 그림을 통해 알 수 있듯이 본 실험 장치에서는 냉매 충진량이 1, 200g일 때 성능계수가 최대치를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 이때의 충진량을 최적 충진량이라 할 수 있고 냉매 충진량이 이 최적치보다 적거나 많으면 성능계수가 최적 충진량 대비 최대 10.
- 5는 냉동기유 주입량 증가에 따른 증발압력 변화를 보여주는데 증발 압력은 주입량 증가에 따라 5% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 증 발 압력의 증가로 인하여 증발기에서 냉매의 증발 온도는 상승하고 이로 인해 냉매와 2차 유체 사이의 평균 온도차가 감소되며 이것은 곧 냉동 용량 감소로 나타났다. 구체적인 예를 들자면 냉매와 2차 유체 사이의 평균 온도차는 압축기구 동모터 주파수 60 Hz, 과열도 10℃하에서 냉동기 유 주입량 100cc에서 최고치인 13.
- 따라서 실제 시스템에서 냉매가 누설될 경우 이에 따른 급격한 냉동용량 저하에 주의를 기울여야한다. 한편 과충진 영역에서는 냉동용량이 약간 증가하지만 동시에 압축기 동력이 많이 소모되어 COP는 감소하는 것으로 나타났다. Fig.
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