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문제 정의
- 또한 지구 온난화 등 환경문제를 야기할 수 있는 가능성이 있어 장기적으로는 사용이 제한될 수 있다. 본 연구에서는 지구 온난화 지수가 거의 없는 탄화수소 계열 냉매인 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 김치 냉장고에 적용하여 소비전력(에너지 소비효율), 냉각속도, 냉동용량을 고려한 기존 시스템과의 성능 특성을 비교하고자 하며 냉매량과 모세관 길이를 변경하여 최적의 냉동시스템을 구현하고자 한다. 또한, 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 구성 성분인 프로판(R-290)과 이소 부탄(R-600a)은 증발 잠열이 R-134a 보다 우수하고, 액체 밀도가 R-134a 보다 작기 때문에 시스템에서 열전달 성능을 향상 시켜 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 시스템의 냉매 봉입량을 줄여 원가절감을 가능하게 할 수 있다는 장점이 있다.
- 특히 김치냉장고에 사용되고 있는 시스템은 소형이고, 한 개의 압축기에 2, 3개의 증발 기가 장착된 소형 멀티 냉동시스템이므로 대체냉 매를 적용할 때 사이클 최적화, 시스템 신뢰성 그리고 드랍-인 가능성 등에 관한 체계적인 연구가 필요하다. 본 연구의 목적은 소형 멀티 냉동시스템인 김치냉장고에 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 대체 냉매로 적용하여 기존 시스템과의 성능 특성을 비교하였고 드랍-인 테스트를 통하여 기존 제품의 설계 변경 없이 적용이 가능한지를 타진하였다. 이를 위하여 기존 김치냉장고의 성능 특성과 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합냉매를 적용한 시스템의 성능 특성을 실험적으로 규명하였으며 이론적 해석을 통해 최적의 냉동시스템을 구현하였다.
제안 방법
- 기존의 연구에 의하면 프로판과 이소부탄의 혼합비가 50/50 또는 40/60일 때 R-12, R-134a 의 포화온도, 압력과 유사하다고 한다.") 본 연구에서는 기존의 연구 결과를 바탕으로 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 혼합비를 55/45로 선정하여 R-134a 를 대체하여 실험을 수행하였다.
- 1에 나타내었다.Base line system에 사용된 압축기는 운전률, COP, 자체 소비전력 등을 고려하여 선정하였고 냉매량 및 모 세관 설계는 월간 소비 전력량, 냉방용량, 각 고내 (Incase 1/2)7} 안정화 되는 시간 등을 고려하여 최적 의 시스템을 구성하였다. 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매는 Baseline system을 기준으로 설계하였으며 압축기 오일을 POE에서 미네랄 오일로 교체하여 실험을 진행하였다.
- 풀다운 시험은 시스템 가동 조건인 항온/항습 챔버 조건 40t, 60% 상태에서 고내의 온도를 챔버 온도로 안정화 시킨 뒤 시스템을 가동 시키는 것이다. Baseline system과 프로판/이소부 탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 적용한 모델의 각 고내 온도 변화를 시간에 따라 측정하였다. 각 고내의 평균온도가 -5도, -10도, -15도, -20도에 도달하는 시간을 기록하여 냉각속도 및 냉동성능을 계산하였고, Table 7에 나타내었다.
- Baseline system과 프로판/이소부 탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 적용한 모델의 각 고내 온도 변화를 시간에 따라 측정하였다. 각 고내의 평균온도가 -5도, -10도, -15도, -20도에 도달하는 시간을 기록하여 냉각속도 및 냉동성능을 계산하였고, Table 7에 나타내었다.
- 실험 장치에 들어간 열전 대 및 압력 게이지의 위치는 다음과 같다. 각고 내 온도, 기 계실 온도, 압력, 소비 전력량을 측정하기, 위하여 압축기 입구/출구, 응축기 입구/출구, 모 세관 입구/출구, 고내를 상부/중부/하부로 나누어 열전대(thermocouple)를 부착하여 각 부의 온도를 20초 간격으로 측정하였고, 시스템의 응축압력 및 증발압력은 Setra C206 압력 게이지를 이용하여 측정하였다. 제품의 에너지 소비등급 및 효율을 판단 할 수 있는 소비전력량은 항온 항습 챔버에 장착되어 있는 Yokogawa DR 240 Data logger에서 실시간으로 측정하였다.
- 실험은 에너지 소비량과 냉각속도 및 냉동성능을 측정하는 실험으로 나눠서 진행하였으며, 각고 내의 온도를 일정하게 유지하면서 전력 사용량을 측정하는 에너지 소비실험과 냉매의 냉각속도를 측정하는 무부하 연속운전 실험을 통해 소형 멀 티 냉동시스템의 최적의 사이클을 구성하였다. 각고 내 온도, 기계실 온도, 증발 압력, 응축 압력, 소비 전력량을 측정하기 위하여 압축기 입구/출구, 응축기 입구/출구, 모세관 입구/출구, 각고내 를 상부/중부/하부로 나누어 열전대(thermocouple)를 부착하여 냉동용량을 측정하는 에너지 소비실험과 냉매의 냉각속도를 측정하는 무부하 연속운전 실험을 통해 소형 멀티 냉동시스템의 최적의 사이클을 구성하였다. 실험 장치에 들어간 열전 대 및 압력 게이지의 위치는 다음과 같다.
- 기존 김치냉장고의 냉매로 사용되고 있는 R- 314a 대체 냉매로 탄화수소 계열인 프로판/이소 부탄(R290/R600a, 혼합비 55:45) 혼합 냉매를 드랍-인 적용하여 시스템의 최적화, 에너지 소비 실험, 무부하 풀다운 테스트 및 냉각속도 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1에 서 보면, 각 고내는 스틸 재질로 되어 있고 그 주변을 동관이 일정한 간격으로 둘러싸고 있는데, 그 이유는 시스템을 순환하는 냉매가 증발 과정 동안 고내의 온도를 일정하게 유지하고 각고 내의 상하 온도 편차를 줄이기 위하여 동관이 각고 내를 일정한 간격으로 둘러싸고 있는 것이다. 또한 동관과 접촉면의 열전달 특성을 좋게 하기 위하여 동관을 각고 내에 납작하게 밀착시켰다. 이러한 증발기 구조는 도어를 자주 열고 닫는 김치냉장고의 특성상 냉기의 이탈과 손실을 저감시킬 수 있으며 자연대류로 인한 에어 커튼을 형성하여 냉기를 장기간 보존 할 수 있으며 일반 냉장고와 구별되는 김치냉장고만의 증발기 특성이기도 하다.
- 지구 온난화 지수가 높아 환경문제를 야기할 수 있는 소지가 있어 지구온 난화 지수가 거의 없는 탄화수소 계열인 프로판/ 이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 김치냉장고에 적용하여 실험을 진행하였다. 먼저 Baseline system은 냉매량과 모세관을 변화 시켜 가면서 각고 내의 냉각속도, 냉각성능, 에너지 소비효율 등을 고찰하였고, 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용한 시스템(NR system)은 Baseline system을 기준으로 모세관 길이와 냉매량을 변경하면서 실험을 진행하였다. 프로판/이소부탄(R- 290/R-600a) 혼합 냉매의 비체적이 R-134a 보다 크기 때문에 냉매량을 R134a 대비 45-60%까지 변경하면서 실험을 진행하였고, 모세관 길이는 유동 안정성, suction 파이프의 과 냉, 압력 강하, 시스템 소비전력량 등을 고려하여 기존 대비 약 20-40%까지 변경하면서 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 소형 멀티 냉동시스템의 성능계산에 관한 정형화된 수치적 계산 방법이 없어 실험을 통해 모세관 길이와 냉매량을 선정하였고, Table 3에 냉매 량과 모세관 길이 변경에 따른 냉동성능 및 월 간 소비전력의 변화를 나타내었다. 모세관 내경 0.74mm로 고정하고 Baseline system의 고내 1, 2와 연결된 모세관 길이 3000~3500mm, 고내 3 와 연결된 모세관 길이 6000~6500mm, 냉매량 95~H0g 로 변경하면서 실험을 수행하였다. Baseline system은 모세관 길이 3000/3000/6000 mm, 냉매량 100g일 때 냉동성능 및 월간 소비 전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었고, 이때를 설계 점(design point)으로 결정하였다.
- 본 실험에서 사용한 Baseline system 냉동사이클의 최적화를 위하여 냉매량과 모세관 길이를 변경하면서 실험을 진행하였다. 모세관 길이와 냉매량은 시스템의 성능과 밀접한 관련이 있으며, 두 가지 중 어느 하나가 비정상적으로 설계되면 소음, 냉동성능 저하, 그리고 과다한 월간 소비전력 발생의 원인이 된다.
- 본 연구에서 풀다운 시험은 김치냉장고 각고 내의 온도 제어 센서를 제거하여 압축기를 연속 운전 상태로 만든 후 시스템을 무부하 상태로 가동시켜 고내(INCASE)의 냉각속도를 측정하였다. 풀다운 시험은 시스템 가동 조건인 항온/항습 챔버 조건 40t, 60% 상태에서 고내의 온도를 챔버 온도로 안정화 시킨 뒤 시스템을 가동 시키는 것이다.
- 본 연구에서는 김치냉장고의 성능과 드랍-인 적용 가능성 판단을 위해 혼합 냉매의 냉매량과 모세관 길이를 변경하면서 실험을 진행하였고, 측정된 실험 자료들을 가지고 압축기 운전률, 에너지 소비효율 등급을 판단 할 수 있는 월간 소비전력량, 시스템의 냉동성능을 판단 할 수 있는 고내의 냉각속도 실험 등을 진행하여 Baseline system 실험결과와 비교하였다. 본 연구에서의 오차 범위는 6아iz 에서 전력은 ±0.
- 모세관 길이와 냉매량은 시스템의 성능과 밀접한 관련이 있으며, 두 가지 중 어느 하나가 비정상적으로 설계되면 소음, 냉동성능 저하, 그리고 과다한 월간 소비전력 발생의 원인이 된다. 본 연구에서는 소형 멀티 냉동시스템의 성능계산에 관한 정형화된 수치적 계산 방법이 없어 실험을 통해 모세관 길이와 냉매량을 선정하였고, Table 3에 냉매 량과 모세관 길이 변경에 따른 냉동성능 및 월 간 소비전력의 변화를 나타내었다. 모세관 내경 0.
- 프로판/이소부탄(R- 290/R-600a) 혼합 냉매의 비체적이 R-134a 보다 크기 때문에 냉매량을 R134a 대비 45-60%까지 변경하면서 실험을 진행하였고, 모세관 길이는 유동 안정성, suction 파이프의 과 냉, 압력 강하, 시스템 소비전력량 등을 고려하여 기존 대비 약 20-40%까지 변경하면서 실험을 진행하였다. 실험은 에너지 소비량과 냉각속도 및 냉동성능을 측정하는 실험으로 나눠서 진행하였으며, 각고 내의 온도를 일정하게 유지하면서 전력 사용량을 측정하는 에너지 소비실험과 냉매의 냉각속도를 측정하는 무부하 연속운전 실험을 통해 소형 멀 티 냉동시스템의 최적의 사이클을 구성하였다. 각고 내 온도, 기계실 온도, 증발 압력, 응축 압력, 소비 전력량을 측정하기 위하여 압축기 입구/출구, 응축기 입구/출구, 모세관 입구/출구, 각고내 를 상부/중부/하부로 나누어 열전대(thermocouple)를 부착하여 냉동용량을 측정하는 에너지 소비실험과 냉매의 냉각속도를 측정하는 무부하 연속운전 실험을 통해 소형 멀티 냉동시스템의 최적의 사이클을 구성하였다.
- 에너지 소비효율 등급시험은 KS 실험 규격인 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에 의거하여 실험을 수행하였고, 소비전력 실험 시 각고 내 조건은 위의 실험 규격에 의거하여 무부하(No load) 상태로 하였다. 실험은 챔버 온도 25℃, 60% 조건에서 Baseline system과 NR system 간의 시간당 소비 전력량과 월간 소비전력을 측정하였고, Table 4에 나타내었다. 먼저 , Baseline system은 냉매량 100g, 3000/3000/6000mm에서 19.
- 압축기, 응축기, 증발기, 모세관, 팬 모터로 구성된 김치냉장고를 온도와 습도를 제어할 수 있는 항온/항습 챔버에 넣고 온도, 압력, 소비전력 등을 즉정하였다. Baseline systeme 220 리터 용량에 고 내가 3개 장착된 제품으로 1개의 압축기, 3개의 증발기, 3개의 솔레노이드 밸브, 응축기 그리고 팽 창 장치로 구성되었으며, Fig.
- 온도 및 압력 측정값은 Yokogawa DR 240 Data logger에서 PC와 20초 간격으로 실시 간으로 저장되었다. 에너지 소비량은 DT1010 Digital power meter를 이용하여 즉정하였고, 종 48시간 동안 측정한 소비전력량의 평균치를 가지고 월간 소비 전력량을 계산하였다.
- 본 연구의 목적은 소형 멀티 냉동시스템인 김치냉장고에 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 대체 냉매로 적용하여 기존 시스템과의 성능 특성을 비교하였고 드랍-인 테스트를 통하여 기존 제품의 설계 변경 없이 적용이 가능한지를 타진하였다. 이를 위하여 기존 김치냉장고의 성능 특성과 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합냉매를 적용한 시스템의 성능 특성을 실험적으로 규명하였으며 이론적 해석을 통해 최적의 냉동시스템을 구현하였다. 또한 혼합 냉매를 가정용 소형 멀티 냉동시스템에 적용 시 냉매 봉입량 감소, 우수한 열전달 특성, 단위 질량 당 단가의 감소는 원가절감 효과를 가져와 시장에서 경쟁력 우위를 확보 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 각고 내 온도, 기 계실 온도, 압력, 소비 전력량을 측정하기, 위하여 압축기 입구/출구, 응축기 입구/출구, 모 세관 입구/출구, 고내를 상부/중부/하부로 나누어 열전대(thermocouple)를 부착하여 각 부의 온도를 20초 간격으로 측정하였고, 시스템의 응축압력 및 증발압력은 Setra C206 압력 게이지를 이용하여 측정하였다. 제품의 에너지 소비등급 및 효율을 판단 할 수 있는 소비전력량은 항온 항습 챔버에 장착되어 있는 Yokogawa DR 240 Data logger에서 실시간으로 측정하였다.
- 먼저 Baseline system은 냉매량과 모세관을 변화 시켜 가면서 각고 내의 냉각속도, 냉각성능, 에너지 소비효율 등을 고찰하였고, 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용한 시스템(NR system)은 Baseline system을 기준으로 모세관 길이와 냉매량을 변경하면서 실험을 진행하였다. 프로판/이소부탄(R- 290/R-600a) 혼합 냉매의 비체적이 R-134a 보다 크기 때문에 냉매량을 R134a 대비 45-60%까지 변경하면서 실험을 진행하였고, 모세관 길이는 유동 안정성, suction 파이프의 과 냉, 압력 강하, 시스템 소비전력량 등을 고려하여 기존 대비 약 20-40%까지 변경하면서 실험을 진행하였다. 실험은 에너지 소비량과 냉각속도 및 냉동성능을 측정하는 실험으로 나눠서 진행하였으며, 각고 내의 온도를 일정하게 유지하면서 전력 사용량을 측정하는 에너지 소비실험과 냉매의 냉각속도를 측정하는 무부하 연속운전 실험을 통해 소형 멀 티 냉동시스템의 최적의 사이클을 구성하였다.
- Baseline system은 모세관 길이 3000/3000/6000 mm, 냉매량 100g일 때 냉동성능 및 월간 소비 전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었고, 이때를 설계 점(design point)으로 결정하였다. 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용 모델은 기존 모델의 드랍-인[drop-in test] 가능성을 평가하기 위하여 압축기를 제외한 모든 구성 요 소들은 기존모델과 동일하게 구성하여 냉매량과 모세관 길이를 변경하면서 비교 실험을 진행하였다. 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 기존모델에 적용 시 압축기에 사용된 POE 오 일을 미네랄 오일로 교체하여 실험을 진행하였 고- , 그 결과 Baseline system과 대등하거 나 더 우수한 냉각성능 및 냉동효율을 나타낼 수 있는 것으로 확인되었다.
- 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 기존모델에 적용 시 압축기에 사용된 POE 오 일을 미네랄 오일로 교체하여 실험을 진행하였 고- , 그 결과 Baseline system과 대등하거 나 더 우수한 냉각성능 및 냉동효율을 나타낼 수 있는 것으로 확인되었다. 프로판/이소부탄(R-290/R600a) 혼합 냉매를 적용한 냉동시스템은 냉매량 45g, 모세관 3500/3500/6500mm 조건에서 냉동성능 및 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었고, 이때를 NR system의 설계점 (design point)으로 결정 하였다 . NR system의 모세 관 길이가 Baseline system 에 비해 길어졌는데 , 그 이유로는 R-134a 에 비해 프로판/이소부탄(R290/R-600a) 혼합 냉매의 증발 잠열이 우수하여 동일한 냉동능력을 내기 위해서 질량 유량이 감소해야 하므로 모세관 길이가 증가하였다.
대상 데이터
- 압축기, 응축기, 증발기, 모세관, 팬 모터로 구성된 김치냉장고를 온도와 습도를 제어할 수 있는 항온/항습 챔버에 넣고 온도, 압력, 소비전력 등을 즉정하였다. Baseline systeme 220 리터 용량에 고 내가 3개 장착된 제품으로 1개의 압축기, 3개의 증발기, 3개의 솔레노이드 밸브, 응축기 그리고 팽 창 장치로 구성되었으며, Fig. 1에 나타내었다.Base line system에 사용된 압축기는 운전률, COP, 자체 소비전력 등을 고려하여 선정하였고 냉매량 및 모 세관 설계는 월간 소비 전력량, 냉방용량, 각 고내 (Incase 1/2)7} 안정화 되는 시간 등을 고려하여 최적 의 시스템을 구성하였다.
- 본 연구에서는 R134a 의. 지구 온난화 지수가 높아 환경문제를 야기할 수 있는 소지가 있어 지구온 난화 지수가 거의 없는 탄화수소 계열인 프로판/ 이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 김치냉장고에 적용하여 실험을 진행하였다. 먼저 Baseline system은 냉매량과 모세관을 변화 시켜 가면서 각고 내의 냉각속도, 냉각성능, 에너지 소비효율 등을 고찰하였고, 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용한 시스템(NR system)은 Baseline system을 기준으로 모세관 길이와 냉매량을 변경하면서 실험을 진행하였다.
- Base line system에 사용된 압축기는 운전률, COP, 자체 소비전력 등을 고려하여 선정하였고 냉매량 및 모 세관 설계는 월간 소비 전력량, 냉방용량, 각 고내 (Incase 1/2)7} 안정화 되는 시간 등을 고려하여 최적 의 시스템을 구성하였다. 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매는 Baseline system을 기준으로 설계하였으며 압축기 오일을 POE에서 미네랄 오일로 교체하여 실험을 진행하였다. 압축기에 사용된 오일을 제외한 모든 부품은 동일하게 구성하였다.
이론/모형
- Baseline system의 시 작품으로 제작한 김치 냉장 고를 항온/항습 챔버 25 ±1 ℃, 50 ±5% 조건에서 48시간 동안 실험하였다. 냉동성능 및 에너지 소비효율 측정은 KS 실험 규격인 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에의 거하여 실험을 수행하였다. 온도 및 압력 측정값은 Yokogawa DR 240 Data logger에서 PC와 20초 간격으로 실시 간으로 저장되었다.
- 에너지 소비효율 등급시험은 KS 실험 규격인 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에 의거하여 실험을 수행하였고, 소비전력 실험 시 각고 내 조건은 위의 실험 규격에 의거하여 무부하(No load) 상태로 하였다. 실험은 챔버 온도 25℃, 60% 조건에서 Baseline system과 NR system 간의 시간당 소비 전력량과 월간 소비전력을 측정하였고, Table 4에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 사용한 Baseline system의 냉매량은 100g> 모세관 길이는 3000/3000/6000mm 때 최적의 냉동시스템을 구성하였고, 냉동사이클의 최적화를 통해 기존 시스템의 소비전력 대비 10% 이상을 절감시켰다. NR system은 냉매량 45~55g, 모세관 길이 3500/3500/6500mm 일 때, 최적의 냉동시스템을 구성하였다.
- (2) 풀다운 테스트 결과 NR system이 Baseline system 대비 약 5-15% 정도의 냉각속도 향상과 냉동능력 향상으로 월간 소비전력이 감소하는 효과를 가져왔다. 또한 드랍-인 테스트를 통해 기존 시스템에서 압축기 오일의 교체만으로도 시스템의 큰 설계 변경 없이 혼합 냉매의 적용이 가능함으로 R-134a 를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
- 프로판/이소 부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 비체적 이 R134a에 비해 크기 때문에 최적 냉매 충전량이 감소한 것으로 보이고, 모세관 길이의 증가는 상대적인 질량 유량의 감소와 혼합 냉매의 증발 잠열이 크기 때문인 것으로 생각된다.«由 NR system 에너지 소비량은 Baseline system 대비 약 13% 정도 감소하였다. 기존의 연구 결과에서도 프로판/이소부탄(R-290/ R-600a) 혼합 냉매가 R-22 또는 R-134a 에 비해 열전달 계수가 약 30% 정도 큰 것으로 나타났는데, ”“ 이는 본 연구의 결과에서도 동일한 작동조건에서 소비전력의 감소로 확인되었다.
- «由 NR system 에너지 소비량은 Baseline system 대비 약 13% 정도 감소하였다. 기존의 연구 결과에서도 프로판/이소부탄(R-290/ R-600a) 혼합 냉매가 R-22 또는 R-134a 에 비해 열전달 계수가 약 30% 정도 큰 것으로 나타났는데, ”“ 이는 본 연구의 결과에서도 동일한 작동조건에서 소비전력의 감소로 확인되었다. 즉 냉동시스템의 모든 작동 조건이 같다면 프로판/이소부탄(R290 /R600a) 혼합 냉매를 적용한 NR system이 R-134a 를 적용한 Baseline system보다 효율이 우수하고 열교환기를 컴팩트 하게 설계할 수 있다는 장점을 가진다.
- 소비전력 측정 시 압축기 운전 횟수가 NR system이 Baseline system보다 소비전력 시험 중인 48시간 동안 3~4회 더 가동되지만 압축기 1회 운전 시간이 약 9~11 분 정도 단축되어 결과적으로 압축기 운전률을 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 프로판/이소부 탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 적용한 시스템의 냉동능력과 열전달 특성이 Baseline system 에 비해 우수하여 월간 소비전력을 약 10% 정도 절감하는 결과를 가져왔다.
- Table 7 에서 보면, 혼합 냉매 적용모델이 Baseline system보다 -5 ℃ 도달하는 냉각시간이 약 15% 정도 향상되었고, -5"C 이후에서도 약 5% 정도 향상된 냉각 기울기를 가지는 것으로 나타난다. 따라서 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 시스템에 적용할 경우 시스템 효율 이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었고, 프로판 /이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 열전달 능력 이 R-134a 보다 우수하여 냉각속도와 냉동능력이 우수하다는 것을 의미한다.(1) Table 6 에서 보면 압축기 토출 측 압력은 약 4-7% 정도 증가한 반면, 압축기 상부 측 온도는 약 2-4℃ 정도 감소하였다.
- 또한, 압축기 운전률을 향상시켜 에너지 소비량을 줄이는 효과를 가져온다. 소비전력 측정 시 압축기 운전 횟수가 NR system이 Baseline system보다 소비전력 시험 중인 48시간 동안 3~4회 더 가동되지만 압축기 1회 운전 시간이 약 9~11 분 정도 단축되어 결과적으로 압축기 운전률을 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 프로판/이소부 탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 적용한 시스템의 냉동능력과 열전달 특성이 Baseline system 에 비해 우수하여 월간 소비전력을 약 10% 정도 절감하는 결과를 가져왔다.
- 이상에서와같이 가정용 소형 멀티 냉동시스템인 김치냉장고에 냉매 변경에 따른 드랍-인 가능성과 냉동성능에 초점을 맞추어 냉매 변경에 따른 시스템 성능 특성 변화를 평가해 보았으며, 압축기 오일의 교체를 제외하고는 시스템의 큰 설계 변경 및 설비 투자비가 요구되지 않고 열전달 성능, 냉동성능, 압축기 운전률, 에너지 소비 효율 등이 향상되었다. 그러나 프로 판/이소부탄 혼합 냉매 공급 장치를 실제로 양산 모델에 적용하기 위해서는 공장 라인에 냉매 공급 장치에 대한 방폭, 안전 설비를 설치해야 할 것으로 사료된다.
- 92kWh/month 나왔다. 프로판/이소부탄 (R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용모델의 냉매량은 Baseline system 대비 약 55% 정도 감소하였고, 모세관은 500mm 정도 증가하였다. 프로판/이소 부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 비체적 이 R134a에 비해 크기 때문에 최적 냉매 충전량이 감소한 것으로 보이고, 모세관 길이의 증가는 상대적인 질량 유량의 감소와 혼합 냉매의 증발 잠열이 크기 때문인 것으로 생각된다.
- 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매 적용 모델은 기존 모델의 드랍-인[drop-in test] 가능성을 평가하기 위하여 압축기를 제외한 모든 구성 요 소들은 기존모델과 동일하게 구성하여 냉매량과 모세관 길이를 변경하면서 비교 실험을 진행하였다. 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매를 기존모델에 적용 시 압축기에 사용된 POE 오 일을 미네랄 오일로 교체하여 실험을 진행하였 고- , 그 결과 Baseline system과 대등하거 나 더 우수한 냉각성능 및 냉동효율을 나타낼 수 있는 것으로 확인되었다. 프로판/이소부탄(R-290/R600a) 혼합 냉매를 적용한 냉동시스템은 냉매량 45g, 모세관 3500/3500/6500mm 조건에서 냉동성능 및 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었고, 이때를 NR system의 설계점 (design point)으로 결정 하였다 .
후속연구
- (3) 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매는 R-134a 대비 열전달 특성, 냉각속도가 우수할 뿐만 아니라 단위 질량 당 가격의 감소, 시스템 냉매 봉입량 감소 등으로 제품의 원가절감 효과를 기대할 수 있어 시장에서 가격 경쟁력 우위를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
- (2) 풀다운 테스트 결과 NR system이 Baseline system 대비 약 5-15% 정도의 냉각속도 향상과 냉동능력 향상으로 월간 소비전력이 감소하는 효과를 가져왔다. 또한 드랍-인 테스트를 통해 기존 시스템에서 압축기 오일의 교체만으로도 시스템의 큰 설계 변경 없이 혼합 냉매의 적용이 가능함으로 R-134a 를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이를 위하여 기존 김치냉장고의 성능 특성과 프로판/이소부탄(R-290/R-600a) 혼합냉매를 적용한 시스템의 성능 특성을 실험적으로 규명하였으며 이론적 해석을 통해 최적의 냉동시스템을 구현하였다. 또한 혼합 냉매를 가정용 소형 멀티 냉동시스템에 적용 시 냉매 봉입량 감소, 우수한 열전달 특성, 단위 질량 당 단가의 감소는 원가절감 효과를 가져와 시장에서 경쟁력 우위를 확보 할 수 있을 것으로 생각된다.
- (") 따라서 R』34a 를 사용 하고 있는 김치냉장고의 대체 냉매로 프로판/이소 부탄(R-290/R-600a) 혼합 냉매의 혼합비를 기존 연구 결과를 바탕으로 55:45% 선정하였고, 다양한 조건에서 드랍-인 실험을 진행하였다. 본 연구에서 사용한 혼합냉매는 온도 기울기가 7~9℃ 정도로 높아서 장기간 사용하는데 신뢰성에 문제가 있을 수 있다. 특히 김치냉장고에 사용되고 있는 시스템은 소형이고, 한 개의 압축기에 2, 3개의 증발 기가 장착된 소형 멀티 냉동시스템이므로 대체냉 매를 적용할 때 사이클 최적화, 시스템 신뢰성 그리고 드랍-인 가능성 등에 관한 체계적인 연구가 필요하다.
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