[논문]열교환기 내장형 어큐뮬레이터가 냉동시스템의 성능에 미치는 영향에 관한 연구

강훈; 최광민; 박차식; 김용찬

문제 정의

Navarro- Esbri et al.®은 R22, R134a 및 R407C에 대하여 내부 열교환기의 압력강하 특성 및 냉매유량별 냉동시스템에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. Aspera et al.
본 연구에서는 AHX가 냉동사이클 성능에 미치는 영향을 멀티에어컨에서 냉매유량조절용으로 널리 사용되는 전자팽창밸브의 개도변화에 따라 실험적으로 고찰하고, AHX의 설치 유무에 따른 사이클 변화 및 시스템 효율을 비교하고자 한다. 또한, 냉동사이클에서 있어서 AHX 최적운전조건 의 도출을 위한 기본 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 AHX가 냉동사이클 성능에 미치는 영향을 멀티에어컨에서 냉매유량조절용으로 널리 사용되는 전자팽창밸브의 개도변화에 따라 실험적으로 고찰하고, AHX의 설치 유무에 따른 사이클 변화 및 시스템 효율을 비교하고자 한다. 또한, 냉동사이클에서 있어서 AHX 최적운전조건 의 도출을 위한 기본 자료를 제공하고자 한다.
2는 실험장치의 개략도를 나타낸다. 본 실험장치는 AHX가 냉동사이클에 미치는 영향을 고찰할 목적으로, 실제 냉동사이클 운전조건을 재현 하여 성능을 평가할 수 있도록 제작하였다. 본 실 험장치는 증기압축식 냉동시스템부, 냉각수 및 온수 공급을 위한 항온수조부, 그리고 계측.

제안 방법

Wood and Meyer, ⑴ Meyer and Wood⑵는 열 교환기 내장형 어큐뮬레이터 내부에서의 열전달 메카니즘에 대한 연구를 통해 열전달 특성에 대한 수치적 모델을 개발하였다. Mei and Chen⑶은 가정용 창문형 에어컨에 AHX를 장착하여 시스템 성능변화를 실험적으로 수행하였다.
Wood and Meyer, ⑴ Meyer and Wood⑵는 열 교환기 내장형 어큐뮬레이터 내부에서의 열전달 메카니즘에 대한 연구를 통해 열전달 특성에 대한 수치적 모델을 개발하였다. Mei and Chen⑶은 가정용 창문형 에어컨에 AHX를 장착하여 시스템 성능변화를 실험적으로 수행하였다. Navarro- Esbri et al.
Aspera et al.⑸은 열역학적인 관점에서 내부 열교환기의 효과에 대하여 검토하였다. 하지만, 지금까지의 연구결과들은 단일 에어컨시스템 에 대한 연구에 국한되어 왔기 때문에 멀티에어 컨으로의 적용에는 한계가 있다.
본 실험장치는 AHX가 냉동사이클에 미치는 영향을 고찰할 목적으로, 실제 냉동사이클 운전조건을 재현 하여 성능을 평가할 수 있도록 제작하였다. 본 실 험장치는 증기압축식 냉동시스템부, 냉각수 및 온수 공급을 위한 항온수조부, 그리고 계측. 제어 부로 구성된다.
냉매유량은 스텝모터와 니들밸브로 구성된 전 자팽창밸브(Electric Expansion Valve, EEV)을 이용하여 조절하였다. 전자팽창밸브은 4상 24극 스텝모터 구동방식으로 1-2상 여자방식에 의해 500스텝까지 개도가 조절된다.
0053 mm의 변위를 가진다. 전자팽창밸브 용구동 드라이버는 수동버턴 조작에 의해 팽창 변 개도를 임의로 조절할 수 있도록 설계하였다.
설치하였다. 본 공조장치는 냉각기, 가열기 및 송풍기로 구성되어 있으며, 가열기로의 전력량을 조절하여 주위온도를 35°C로 일정하게 제어하였다.
1%이다. 압축기의 소비 전력은 전력계로 측정하였다. 본 실험에 사용된 전력계의 최대 측 정범위는 4, OOOW이며, 정밀도는 측정값의 ±0.
본 실험장치의 측정 신뢰성을 평가하기 위하여 재현성 실험을 실시하였다. Table 2는 본 실험장 치의 재현성 실험결과를 나타낸다.
Table 2는 본 실험장 치의 재현성 실험결과를 나타낸다. 1차 냉방성능 실험을 종료한 후, 동일조건 시험을 24시간 후에 다시 실험하여, 그 결과를 비교하였다. 냉방능력의 측정편차는 1.
내부 열교환기 입 • 출구에 설치된 바이패스 밸브의 개폐에 의해, AHX 장착 및 미장착 운전조 건에서의 냉방성능을 비교하였다. 증발기 입구에서의 수온을 2EC, 응축기 입구에서의 수온을 32 °C로 일정하게 유지한 조건에서 전자팽창밸브의 개도를 조절하면서 실험을 수행하였다.
AHX 장착 및 미장착 운전조건에서의 냉동사이 클의 과냉각도 및 과열도의 변화를 관찰하였다. Fig.
AHX를 냉동사이클에 적용하여 시스템의 성능을 고찰하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
내부 열교환기 입 • 출구에 설치된 바이패스 밸브의 개폐에 의해, AHX 장착 및 미장착 운전조 건에서의 냉방성능을 비교하였다. 증발기 입구에서의 수온을 2EC, 응축기 입구에서의 수온을 32 °C로 일정하게 유지한 조건에서 전자팽창밸브의 개도를 조절하면서 실험을 수행하였다.

대상 데이터

Table 1은 본 실험에 사용된 AHX의 제원을 나타낸다. 어큐뮬레이터는 4mm 두께의 강판으로 제작되었으며, 가스관 및 액관은 모두 0.8 mm 두께의 동으로 제작하였다. 본 연구에서 설계된 AHX의 적용 가능한 냉방능력범위는 5.
압축기의 소비 전력은 전력계로 측정하였다. 본 실험에 사용된 전력계의 최대 측 정범위는 4, OOOW이며, 정밀도는 측정값의 ±0.2% 이다. 계측된 실험데이터는 모두 하이브리드 레코 더로 전송되며, 레코더의 정밀도는 측정값의 ±0.

성능/효과

3%의 편차를 나타내었다. 재현성 실험 결과, 냉방능력을 포함한 주요 즉정변수들은 최대 ±1.3%의 오차범위 내에서 일치함을 알 수 있었다.
AHX 장착운전에서는 내부열교 환기에서 응축기 출구의 고온 액냉매와 증발기 출구의 저온 냉매가스와의 열교환이 이루어짐으로써 과냉각도가 증가함을 알 수 있다. AHX 장착운전시, 전자팽창밸브의 개도가 50.4%에서 AHX 출구 에서의 과냉각도는 5.0t 수준으로 나타났다. AHX 입구에서의 과냉각도가 1.
또한, AHX 미장착 운전조건에서는 냉매유량의 증가로 인한 응축부하의 상승으로 과냉각도가 감소하는 반면에, AHX 장착운전에서는 냉매유량의 증가와 함께 과냉각도가 증가함을 알 수 있다. 이것은 전자팽창밸브의 개도증가로 인한 냉매유량의 증가에 따라 AHX 입구 과열도가 감소하기 때문에, 동일 입구 과냉각도 조건에서는 액냉매와 냉매가스와의 온도차가 증가하여, AHX에서의 열 전달률이 증가하기 때문이다.
AHX 장착운전의 경우에는 증발기 출구가 포화증기상태일지라도 AHX 내부에서 고온 액냉매와의 열교환에 의해 압축기 입구는 과 열증기상태로 유지됨을 알 수 있다. 전자팽창밸 브의 개도가 50.4%일 때, 증발기 출구는 포화증 기상태이며, AHX에서의 열교환에 의해 압축기 입구 과열도가 8°C 수준으로 안정적으로 유지됨이 확인되었다. 하지만, AHX를 장착하지 않은 경우에는 증발기 출구에서 냉매의 과열도가 확보되지 않을■ 수 있으며, 저온조건에서 액압축과 같은 문제가 발생하여 압축기 신뢰성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
압축기 입구냉매의 과열도를 80로 일정하게 유지한 조건에서 냉매유량을, 비교하면, AHX 장착 운전으로 인하여 냉매유량이 3.4% 증가함을 알 수 있었다. AHX 장착조건에서는 전자팽창밸브 입구 과냉각도의 증가로 증발기 입구건도가 감소 하게 되고, 이는 증발기 .
7은 전자팽창밸브 개도에 따른 압축기 토출 및 홉입압력의 변화를 나타낸다. 전자팽창밸 브의 개도가 50.4%일 때, AHX 장착으로 인하여 압축기 토출 및 흡입압력이 모두 상승함을 확인 할 수 있다. 이것은 AHX 장착조건에서는 냉매유량의 증가로 증발부하가 증가하여 압축기 흡입압 력이 상승하며, 이것은 증발부하의 증가와 함께 압축일을 증가시키므로 응축부하를 상승시켜 압축기 토출압력도 함께 상승하기 때문이다.
50.4%로 일정한 조건에서, AHX를 장착한 경우 압축기 소비전력이 4.3% 증가함을 알 수 있다. 이것은 AHX 장착조건에서 압축비가 7.
4% 수준으로 감소하는데 비해, 냉매유량은 17% 증가하기 때문에 냉매유량 증가로 인한 압축일의 증가폭이 크기 때문이다. 압축기 입구과열도가 8ºC로 일정 한 조건에서는 AHX 장착조건에서 소비전력이 1.1 % 증가함을 알 수 있다. 이것은 압축비의 경우는 AHX 장착조건에서 미장착조건보다 2% 감소하 지만, 냉매유량은 3.
4%인 조건에서 냉방능력이 최대가 된다. 시스템 운전신뢰성을 고려한다면, 최대 냉방능력은 AHX 장착인 경우가 미장착인 경우 대비 1.7 % 높음을 알 수 있다.
AHX 장착 및 미장착 조건 모두 냉매유량의 증가에 따라 냉방능력은 증가하다가 감소하는 반면에, 압축일은 계속해서 증가하기 때문에 AHX 장착 및 미장착 모두 개도증가에 따라 COP가 증가하다가 다시 감소하는 경향을 나타낸다. AHX 미장착 조 건에서는 전자팽창밸브의 개도가 60.0%인 경우에 최대 COP를 나타내지만, AHX 장착조건에서는 개도가 440%인 경우에 최대 COP가 나타남을 알 수 있으며, AHX 장착운전시 COP가 AHX 미장 착 운전조건보다 1.3% 증가한다.
(1) AHX 장착운전에서는 냉매유량의 증가로 내 부열교환기에서의 열전달률이 상승하여 과냉각도 가 증가하는 반면에, AHX 미장착운전에서는 웅 축부하의 상승으로 과냉각도가 감소하였다.
(2) 전자팽창밸브 개도가 50.4%에서의 냉매유량 및 소비전력을 AHX 장착시와 미장착시의 경우를 비교하면, AHX 장착시에 냉매유량이 17% 상승하였고, 소비전력은 4.3% 증가하였다. 이것은 AHX 장착으로 인한 과냉각도의 증가로 팽창변 입구의 냉매밀도가 증가하여, 팽창변을 통한 냉 매순환량이 증가했기 때문이다.
(3) AHX 장착 및 미장착운전 모두 중발기 출구가 포화증기상태일 때 최대냉방능력이 나타나며, AHX 장착시에는 AHX 내부에서의 열교환에 의해 압축기 입구측에서의 과열도가 8〔C 수준으로 증가하였다. 하지만, AHX 미장착시에는 과열도 증가분이 거의 없기 때문에 저온조건에서 액압축 과 같은 문제가 발생할 수 있다.
8 mm 두께의 동으로 제작하였다. 본 연구에서 설계된 AHX의 적용 가능한 냉방능력범위는 5.5에서 15.6kW 수준이다.
AHX 장착 및 미장착시 모두 개도증가에 따라 냉방성능이 증가하다가 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 전자팽창밸브 개도가 증가함에 따라 증발기에서의 과열영역이 점점 감소하게 되고, 증발기 출구조건이 포화증기상태인 경우에 최대냉방 능력이 나타남이 확인되었다. 하지만, 증발기 출구 가 포화증기점 이상인 개도에서는 냉매유량 증가로 인한 증발압력의 .
하지만, AHX 미장착시에는 과열도 증가분이 거의 없기 때문에 저온조건에서 액압축 과 같은 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 증발기 내부에서 과열증기영역의 확보로 압축기 입구 과열도를 유지해야 하기 때문에, AHX 장착조건보다 냉방성능이 1.7% 정도 감소함을 알 수 있었다.

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