[논문]캐스캐이드 냉동시스템에서 냉매로서의 프로판-에탄 냉매의 성능 분석

김필환; 이병호; 정효민; 정한식; 김철수

캐스캐이드 냉동시스템에서 냉매로서의 프로판-에탄 냉매의 성능 분석
The Characteristic of Propane(R290)-Ethane(R170) as Refrigerant in the Cascade Refrigeration System 원문보기

Nowadays, demands on super low temperature condition for industrial and commercial uses are thriving. Considering of its wide application in the present and the future, study of the super-low temperature refrigeration system should be actively carried out. This study is aimed to investigate refrigeration capacity and coefficient of performance(COP) of the cascade refrigeration system, as well as to get the system which can reach evaporator temperature of $-70^{\circ}C$. For this purpose, R290 and R170 are charged in high stage and low stage respectively. Finally the characteristics of system using R290 and R170 will be proposed. Additionally, In this experiment, the flow rate of air flowing through the LS evaporator and the compressor inlet pressure were varied to investigate the refrigeration capacity and coefficient of performance characteristics.

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문제 정의

본 연구는 R290과 R170의 냉매를 HS와 LS에 각각 적용하여 캐스캐이드 냉동시스템의 냉동능력 및 COP에 대한 특성을 파악하였으며, 냉동능력은 저온측 증발기와 열교환되는 공기의 온도차에 의해 결정되므로 본 연구에서는 LS의 온도 특성에 중점을 두었다.

제안 방법

Table 1은 실험에 사용된 프로판과 에탄 냉매에 대한 특성을 나타내며, 각 냉매의 특성상 R290과 R170을 HS와 LS에 각각 6 bar와 20 bar의 압력으로 충전하여 실험을 실시하였다.
이 때 챔버와 덕트내에 공기를 순환시키기 위해 증발기 전후에 팬을 설치하여 공기가 순환하도록 하였다. 또한 각각의 압축기에 공급된 전력을 측정하기 위해 CW240 모델의 Clamp-on Power Meter를 사용하여 하나의 모델로 동시에 두 압축기의 전력을 측정하였다.
LS의 응축기에서 HS의 증발기로 열 전달되는 캐스캐이드 냉동 시스템은 이중 관으로 제작되었으며, 각각의 냉매는 서로 대향류로 흐르도록 되어있다. 또한 본 시스템에 각각의 압축기로 유입되는 흡입 냉매를 고온 고압으로 토출하기 위해 왕복동식 압축기를 사용하였으며, 실험에서 필요한 팽창 압력의 변수를 두기 위해 증발 압력 가변 장치인 수동식 팽창밸브를 설치하였다. 각부분의 온도를 파악하기 위해 T-Type의 열전대 16개를 사용하여 측정하였으며 열전대의 위치는 Fig.
본 실험에서는 Table 2에서와 같이 LS 증발기를 통과하면서 열교환되는 챔버내의 공기의 유량과 압축기 입구의 압력에 변수를 두어 실험을 실시하였으며, 각 실험에 대한 냉동능력과 COP를 비교하여 보았다. 여기서 LS 증발기와 열교환 되어 나가는 공기는 저온 챔버와 덕트 사이를 폐순환 하면서 LS 증발기와 열교환 하게 된다.
본 연구는 캐스캐이드 이원 냉동시스템에서 R290 - R170냉매를 적용하여 초저온(-70℃ 이하)의 온도를 얻으며, LS의 압축기 입구의 압력 변화에 따른 냉동능력, COP 등을 비교함으로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험에서 비교해 보고자하는 냉동능력과 COP에 대한 결과를 얻기 위하여 LS의 증발기와 증발기가 설치되어 있는 덕트 내를 순환하는 공기의 증발기 전후 온도변화를 이용하여 공기의 냉각열량을 구함으로서 식(1)과 (2)와 같이 냉동능력 및 COP를 구할 수 있었다. 여기서 c 는 공기의 비열을 나타내며, 공기의 비열은 상온에서 초저온의 영역(-70℃이하)까지 비열의 변화는 거의 없으므로 0.
이 때 챔버와 덕트내에 공기를 순환시키기 위해 증발기 전후에 팬을 설치하여 공기가 순환하도록 하였다. 또한 각각의 압축기에 공급된 전력을 측정하기 위해 CW240 모델의 Clamp-on Power Meter를 사용하여 하나의 모델로 동시에 두 압축기의 전력을 측정하였다.

대상 데이터

또한 본 시스템에 각각의 압축기로 유입되는 흡입 냉매를 고온 고압으로 토출하기 위해 왕복동식 압축기를 사용하였으며, 실험에서 필요한 팽창 압력의 변수를 두기 위해 증발 압력 가변 장치인 수동식 팽창밸브를 설치하였다. 각부분의 온도를 파악하기 위해 T-Type의 열전대 16개를 사용하여 측정하였으며 열전대의 위치는 Fig. 2와 같이 나타 낼 수 있다. 그림에서 알 수 있듯이 HS와 LS의 냉매는 각각 시계방향으로 순환하며 LS 팽창밸브 출구에서 초저온(-70℃)의 온도를 얻을 수 있다.
본 연구에 사용된 캐스캐이드 또는 2단 냉동 시스템은 초저온의 온도를 유지하기위한 다단 시스템의 한 종류이며, 두 개의 냉동 시스템으로 이루어져 서로 독립된 사이클로 순환한다.
실험장치의 구성은 저단 압축부와 고단 압축부의 두 개의 사이클로 구성되어 있으며, Fig. 1은 실험에 사용된 실제 실험 장치를 나타내고 있다. LS의 응축기에서 HS의 증발기로 열 전달되는 캐스캐이드 냉동 시스템은 이중 관으로 제작되었으며, 각각의 냉매는 서로 대향류로 흐르도록 되어있다.

성능/효과

각 실험에서 LS 증발기 입구에서 -70℃～-75℃의 초저온을 얻을 수 있었으며, 증발 챔버 내의 온도는 시간이 지남에 따라 초저온에 근접한 온도로 감소하였다. 실험에서의 냉동능력은 LS 증발기와 열교환 되면서 덕트 내를 순환하는 공기의 입 출구 온도차에 증가함을 알 수 있다.
각 실험을 비교한 결과 압력이 1.8 bar 일 때 챔버 내의 온도를 최단시간 내에 초저온을 얻을 수 있었지만, 압력이 1.6 bar 일 때, LS 증발기와 저온 챔버내의 공기와 열교환이 가장 활발하게 일어나는 시점에서 냉동능력/COP가 각각 0.6 RT/1.2, 0.75 RT/1.45로 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.
각 실험에서 LS 증발기 입구에서 -70℃～-75℃의 초저온을 얻을 수 있었으며, 증발 챔버 내의 온도는 시간이 지남에 따라 초저온에 근접한 온도로 감소하였다. 실험에서의 냉동능력은 LS 증발기와 열교환 되면서 덕트 내를 순환하는 공기의 입 출구 온도차에 증가함을 알 수 있다.

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