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문제 정의
- 본 연구에서는 R22를 대체하기 위한 두 종류의 탄화수소자연냉매 R290(Propane)과 R1270(Pro- pylene)의 성능을 측정하였다. 이를 위해 밀폐형 로타리식 압축기가 장착된 수냉식 벤치 테스터를 설계 .
- 본 연구에서는 R22를 효과적으로 대체하고 외부 유체 온도 변화에 따른 성능 비교를 위해 R22를 기준으로 하여 증기압이 비숫한 탄화수소 계열 자연냉매인 R290(Propane)과 R1270(Propylene)의 성능 실험을 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 ODP가 0이고 GWP가 3이하인 2개의 순수 탄 화수소 냉매 R290(Propane), R1270(Propylene)의 성능을 증발기와 웅축기내 냉매의 포화온도를 7℃/45℃, -7P/41G -2KC/ 28P로 변화시켜가며 R22와 비교하여 대체냉매로서의 가능성을 예측해 보았다.
제안 방법
- 증발기 및 응축기의 용량을 결정하기 위해서는 각 열교환기로 흐르는 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정해야 한다. 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입 온도와 토출 온도도 측정하여 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보았다.
- 적절한지 알아보기 위해 기존의 냉방온도 조건인 7℃/45℃와 실제로 난방 조건으로 적용되고 있는 -21℃/28℃, 그리고 그 중간 온도인 -7℃/41℃의 3가지 온도조건에서 R22의 성능을 테스트하였다. 그리고 R22가 이러한 3가지 온도를 '나타낼 때 2차 유체의 부하조건을 R1270과 R290에 적용하여 R22와 그 성능을 비교하였다.
- 제작하였다. 그리고 기준이 되는 냉매인 R22의 증발기와 응축기 내 냉매의 포화온도가 7℃/45℃와 -71/41G 그리고 -21℃/28℃가 되는 3가지 2차 유체의 입구 온도 및 유량 조건 하에서 실험냉매들의 성능을 측정하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치(sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다. 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 데이터로깅 시스템(HP3852A)을 상호 연결하여 수집하였으며, 이렇게 수집한 데이터는 PC의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 사용된 이중관 열교환기의.내관으로 2차 유체가 흐르도록 하였으며, 냉매는 내관과 외관 사이의 환상 공간으로 흐르게 하였고, 열교환을 극대화시키기 위하여 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 접합부는 은납을 사용하여 용접하였다.
- '(2) 실제로 Table 2에서 볼 수 있듯이 실험냉 매들은 냉매 충전량이 55% 이상 감소하고, 지구 온 난화지수가 3이하인 탄화수소이므로 지구 온난 화 문제 해결에도 큰 기여를 할 것이라 판단된다. 또한 각각의 실험조건에 대하여 과냉도가 5P로 되는 냉매의 충전량을 적정 충전량으로 결정하였다.
- 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 웅축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나 오는 차가 운 물을 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3mm 두께의 스펀지테이프를 두 겹으로 감고, 그 위에 25mm 두께의 단열폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- (11)이 사용한 것과 비 숫하게 설계한 벤치 테스터를 개략적으로 보여준다. 본 실험에서는 증기 압축식 냉동기의 중요 요소인 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 조합하여 3~3.5kW의 냉동용량의 벤치 테스터를 설계, 제작하였다.
- 본 연구에서는 밀폐형 로타리식 압축기를 사용하는 수냉식 벤치 테스터에서 R22와 탄화수소 순 수냉매인 R290 및 R1270의 성능을 2차 유체의 여러 가지 부하 조건에 따라 측정하였다. 모든 냉매에 대해 최소한 2번씩 반복 실험을 수행해서 각각의 편차가 1% 미만이 되는 것을 확인하여 데이터로 간주했다.
- 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입 온도와 토출 온도도 측정하여 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보았다.
- 위의 연구 목표를 달성하기 위해 본 연구에서는 냉매와 물이 대향류를 이루며 흐르면서 외부 조건을 균일하게 맞추어 줄 수 있는 벤치 테스터 장비를 설계하고 제작하여 여러 가지 대체냉매의 냉동용량, 성능계수, 압축기 토출 온도 등을 측정하고 비교, 분석하였다. Fig.
- 압축기는 흡입 측에 어큐멀레이터가 부착되어 있는 R22용으로 제작되어진 밀폐형 로타리식 압축 기(QK191KAC LG 사 제작)를 사용하였으며, 이 압축기는 냉방 능력이 3, 928W이다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치(sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 본 연구에서는 R22를 대체하기 위한 두 종류의 탄화수소자연냉매 R290(Propane)과 R1270(Pro- pylene)의 성능을 측정하였다. 이를 위해 밀폐형 로타리식 압축기가 장착된 수냉식 벤치 테스터를 설계 . 제작하였다.
- 냉매의 성능들을 공정하게 비교하기 위해서는 실험을 동일한 조건 하에서 데이터를 취해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 R22를 대체하기 위해선정한 탄화수소 계열 냉매들이 냉방조건 외에 난방 조건에서도 R22를 대체하는 것이.적절한지 알아보기 위해 기존의 냉방온도 조건인 7℃/45℃와 실제로 난방 조건으로 적용되고 있는 -21℃/28℃, 그리고 그 중간 온도인 -7℃/41℃의 3가지 온도조건에서 R22의 성능을 테스트하였다.
- 냉동기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기측 2차 유체의 질량유량을 정확하게 측정해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 점 도나밀도 등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 ±0.2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다. 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 데이터로깅 시스템(HP3852A)을 상호 연결하여 수집하였으며, 이렇게 수집한 데이터는 PC의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 R22를 대체하기 위해선정한 탄화수소 계열 냉매들이 냉방조건 외에 난방 조건에서도 R22를 대체하는 것이.적절한지 알아보기 위해 기존의 냉방온도 조건인 7℃/45℃와 실제로 난방 조건으로 적용되고 있는 -21℃/28℃, 그리고 그 중간 온도인 -7℃/41℃의 3가지 온도조건에서 R22의 성능을 테스트하였다. 그리고 R22가 이러한 3가지 온도를 '나타낼 때 2차 유체의 부하조건을 R1270과 R290에 적용하여 R22와 그 성능을 비교하였다.
- 증발기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 20개 이상의 T-type 열 전대를 열교환기 연결 부위의 냉매 및 물이 흐르는 관 속에 삽입하였고, 모든 열전대들은 사용에 앞서 정도 ±0.01℃의 정밀 온도계로 보정하였다. 응축기의 냉매와 물의 온도를 측정하기 위해서는 T-type 열 전대를 열교환기 표면에.
- 1 % 미만인 정밀압력 변환계를 이용하여 냉매측 압력을 측정하였다. 한편 압축기의 소요동력은 정도가 ±0.5% 미만인 정밀와트미터를 이용하여 측정하였다. 냉동기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기측 2차 유체의 질량유량을 정확하게 측정해야 한다.
- 한편 증발기와 응축기의 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고 정도가 ±0.1 % 미만인 정밀압력 변환계를 이용하여 냉매측 압력을 측정하였다. 한편 압축기의 소요동력은 정도가 ±0.
대상 데이터
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌 글리콜이 질량비로 40% 혼합된 물-에틸렌 글리콜 혼합물을 사용하였고, 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며, 증발기에는 히터를 사용하였다. 그리고 열교환기의 물측 입구에는 필터를 설치하여 물속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다.
- 본 실험에서 증발기로 사용한 열교환기는 내경 19.0 mm, 외경 25.4 mm, 길이 740 mm의 이중 관 형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. Fig.
- 압축기에 들어가는 윤활유는 냉매와 혼합되어 시스템 내부에서 순환하기 때문에 대체냉매의 성능 평가시 올바른 윤활유를 선정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 가능한 한 기존의 압축기나 윤활유를 바꾸지 않아도 되는 냉매를 선정하는데 초점을 맞추었으므로 기존에 R22 시스템에 사용되어온 미네랄 오일을 그대로 사용했다.
- 압축기는 흡입 측에 어큐멀레이터가 부착되어 있는 R22용으로 제작되어진 밀폐형 로타리식 압축 기(QK191KAC LG 사 제작)를 사용하였으며, 이 압축기는 냉방 능력이 3, 928W이다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치(sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다.
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌 글리콜이 질량비로 40% 혼합된 물-에틸렌 글리콜 혼합물을 사용하였고, 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며, 증발기에는 히터를 사용하였다.
성능/효과
- (1) R290은 저온 조건인 세 번째 온도 조건에서를 제외하고 나머지 2가치온도조건에서는 R22에 비해 5.8~8.2% 냉동용량이 감소하였으나 소요동력이 현저히 작아서 성능계수는 오히려 6.1-11.5% 향상되었다.
- (2) R1270은 모든 온도 조건에서 R22에 비해 2.1의 냉동용량 향상을 보였지만, 소요 동력이 더 증가하여 성능계수는 비슷하거나 소폭 상승하였다.
- (3) 본 연구에서 사용한 냉매들의 압축 기 토출 온도는 R22에 비해 14.1~30.9℃ 정도 낮으므로 시스템의 안정성과 신뢰성에 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.
- (3) 팽창밸브를 조절하여 과열도를 5℃로 맞추고 과냉도는 냉매를 충전량을 증가시켜서 SC를 유지하게 한다.
- (4) 본 연구에서 사용한 냉매들의 충전량은 탄화수소 특유의 저밀도 액체 특성에 의거하여 R22에 비해 최대 58%까지 감소되었다.
- (5) 본 연구에서 사용된 냉매들은 오존층 붕괴를 일으키지 않고 지구온난화지수가 3이하로 친환경적이며 저온영역에서도 적용이 가능한 장기적 대체냉매라 할 수 있다.
- (5) 시스템이 60분 이상 정상 상태를 유지할 때 30초 간격으로 30분 이상 데이터를 취한다.
- 1~309C만큼 감소하였다. 이 결과로 미루어 볼 때 실험한 냉매들은 윤활유 및 냉매의 안정성에 관해 큰 문제점이 없을 것으로 사료된다.
후속연구
- 이처럼 R290과 R1270이 성능계수와 냉동용량에서 서로 다른 경향을 보이고 있으므로 앞으로의 연구에서는 이들의 혼합물로 이루어진 대체냉매에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
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