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문제 정의
- (2), 그리고 Hwang et al.(3)은 이산화탄소 사이클의 최적화를 위하여 여러 운전변수 제어를 통한 사이클의 최적화와 특성 파악에 관한 연구를 수행하였다. Huff et al.
- 절실히 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압축 체적비가 0.6인 트윈로터리 압축기를 적용한 이산화탄소 열펌프에서 냉방시스템의 성능을 여러 가지 운전변수에 따라 알아보고 이에 급탕 시스템을 적용하여 성능 향상정도 및 특성을 고찰하려 한다.
- 본 연구에서는 트윈로터리 압축기를 적용한 이산화탄소 사이클의 냉방 성능특성과 급탕 시스템 적용에 따른 성능향상 및 사이클 변화에 대하여 고찰해 보았다. 트윈로터리 압축기를 적용한 사이클의 특성을 알아보기 위하여 냉매충전량, 압축기 주파수, 그리고 EEV 개도를 변화시켰으며, 급탕 시스템 적용에 따른 성능향상 및 사이클 변화를 고찰하기 위하여 압축기 주파수 및 EEV 입구의 온도를 변화키면서 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 2 MPa 근처에서 최적의 냉방성능을 나타내는 것으로 보고되었다.'刼 따라서 본 연구에서는 급탕 시스템의 적용으로 인한 성능향상 정도와 특성을 파악하기 위하여 압축기 토출압력을 9.2 MPa 를 기준으로 무차원화된 냉매충전량인 0.235를 급탕 시스템의 냉매충전량을 결정하였으며 이때 압축기 주파수와 EEV 입구의 온도를 변화시 켜가면서 실험을 실시하였다.
- 국내에서는 Kim et al.(11)이 이산화탄소를 이용한 온수용 열펌프의 성능 특성에 관한 연구와 R744-R134a, R744-R290의 오토캐 스케이 드(auto- cascade) 사이클의 성능을 비교 고찰하였다.
- 급탕 시스템 (Water heating system) 은 판형 열교환기를 이용한 형태로 난방용량 1 RT급으로 설계되었으며, 2차 유체로는 물을 사용하였다. 급탕 시스템에서 냉매와 물의 흐름은 열교환 효율을 높이기 위하여 대항류로 설계하였으며 이는 가스쿨러 출구의 고온의 냉매의 온도를 충분히 떨어뜨릴 수 있게 제작되었다. 시스템의 각 부분의 온도와 압력, 질량유량을 측정하기 위해 열전대와 압력계 및 질량유량계를 시스템의 주요 부분에 설치하였다.
- 6인 압축기를 사용하였다. 또한 실내외 열교환기는 핀튜브 형태의 열교환기로 외경 7mm, 내경 5mm로 고압에 견딜 수 있게 설계하였으며 팽창장치는 전자팽창장치(EEV) 를 시스템 용량에 맞게 선정하여 사용하였다. 급탕 시스템 (Water heating system) 은 판형 열교환기를 이용한 형태로 난방용량 1 RT급으로 설계되었으며, 2차 유체로는 물을 사용하였다.
- 파악하였다. 또한 이산화탄소 시스템은 가스쿨러 출구(EEV 입구)의 냉매온도에 따라 시스템의 성능이 크게 영향을 받으므로, 이에 따른 성능변화를 고찰하기 위하여 급탕시스템을 이용하여 EEV 입구의 온도를 변화시켜가면서 실험을 실시하였다. 본 실험에서 설정된 운전조건, EEV 개도와 압축기 주파수, 그리고 EEV 입구의 온도 등의 사양을 Table 2에 나타내었다.
- 이산화탄소 시스템의 냉방 실험조건을 설정하기 위하여 우선 단일유닛 시험 조건인 ASHRAE Standard 116(12)에 근거하여 건구온도와 습구온도를 설정하였으며 설계된 시스템의 열량은 냉매 엔탈피법을 이용하여 계산하였다. 시스템 크기변화에 상관없이 시스템 특성을 고려한 절대적인 이산화탄소 냉매충전량을 제시하기 위하여 시스템의 총체적에서 25 ℃ 대기압 상태의 이산화탄소가 기상으로 모두 이루어져 있을 때를 0, 액상으로 이루어져 있을 때를 1로 표현하여 냉매 충전량을 무차원화하였다. Table 3은 실제 충전된 냉매량과 이를 무차원화한 냉매충전량을 나타내고 있다.
- 1에 나타내었다. 이산화탄소 사이클의 성능측정을 위하여 실외측과 실내측으로 구성된 열량계에 시스템을 설치하였다. 본 실험에는 표준냉방 능력 3 RT급의 트윈로터리 압축기를 사용하였는데 트윈로터리 압축기는 두 개의 다른 체적을 가지는 압축실을 하나의 모터에 의해 구동되며, 두 압축실의 체적비에 따라 압축기 성능과 작동압력이 달라진다.
- 트윈로터리 압축기를 장착한 이산화탄소 시스템의 특성을 고찰하기 위하여 우선 충전량 실험을 실시하여 최적충전량을 찾은 후 EEV 개도와 압죽기 주파수에 따른 시스템 성능을 파악하였다. 또한 이산화탄소 시스템은 가스쿨러 출구(EEV 입구)의 냉매온도에 따라 시스템의 성능이 크게 영향을 받으므로, 이에 따른 성능변화를 고찰하기 위하여 급탕시스템을 이용하여 EEV 입구의 온도를 변화시켜가면서 실험을 실시하였다.
- 보았다. 트윈로터리 압축기를 적용한 사이클의 특성을 알아보기 위하여 냉매충전량, 압축기 주파수, 그리고 EEV 개도를 변화시켰으며, 급탕 시스템 적용에 따른 성능향상 및 사이클 변화를 고찰하기 위하여 압축기 주파수 및 EEV 입구의 온도를 변화키면서 실험을 실시하였다. 이를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 트윈로터리 압축기를 적용한 이산화탄소 시스템의 냉방성능 특성을 알아보기 위하여 압축기 주파수를 40Hz로 고정하고 냉매충전량과 EEV 개도를 변화시켜 실험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 실내외 열교환기는 핀튜브 형태의 열교환기로 외경 7mm, 내경 5mm로 고압에 견딜 수 있게 설계하였으며 팽창장치는 전자팽창장치(EEV) 를 시스템 용량에 맞게 선정하여 사용하였다. 급탕 시스템 (Water heating system) 은 판형 열교환기를 이용한 형태로 난방용량 1 RT급으로 설계되었으며, 2차 유체로는 물을 사용하였다. 급탕 시스템에서 냉매와 물의 흐름은 열교환 효율을 높이기 위하여 대항류로 설계하였으며 이는 가스쿨러 출구의 고온의 냉매의 온도를 충분히 떨어뜨릴 수 있게 제작되었다.
- 이산화탄소 사이클의 성능측정을 위하여 실외측과 실내측으로 구성된 열량계에 시스템을 설치하였다. 본 실험에는 표준냉방 능력 3 RT급의 트윈로터리 압축기를 사용하였는데 트윈로터리 압축기는 두 개의 다른 체적을 가지는 압축실을 하나의 모터에 의해 구동되며, 두 압축실의 체적비에 따라 압축기 성능과 작동압력이 달라진다. 본 연구에서는 1단과 2단의 압축 실의 체적비가 0.
이론/모형
- 본 실험에서 설정된 운전조건, EEV 개도와 압축기 주파수, 그리고 EEV 입구의 온도 등의 사양을 Table 2에 나타내었다. 이산화탄소 시스템의 냉방 실험조건을 설정하기 위하여 우선 단일유닛 시험 조건인 ASHRAE Standard 116(12)에 근거하여 건구온도와 습구온도를 설정하였으며 설계된 시스템의 열량은 냉매 엔탈피법을 이용하여 계산하였다. 시스템 크기변화에 상관없이 시스템 특성을 고려한 절대적인 이산화탄소 냉매충전량을 제시하기 위하여 시스템의 총체적에서 25 ℃ 대기압 상태의 이산화탄소가 기상으로 모두 이루어져 있을 때를 0, 액상으로 이루어져 있을 때를 1로 표현하여 냉매 충전량을 무차원화하였다.
성능/효과
- (1) 압축체적비가 0.6인 트윈로터리 압축기를 적용한 이산화탄소 사이클에서 최적의 무차원화된 냉매 충전량은 0.307이며 이때 냉방성능계수는 2.06 로 나타났다. 또한 1단의 압축비가 2단의 압축비에 비하여 매우 크게 나타났으며 압축 체적비의 증가를 통하여 성능향상을 기대할 수 있다.
- (2) 이산화탄소 사이클에서 급탕시스템의 적용으로 EEV 입구의 온도는 40 ℃에서 32 ℃로 감소하였고 이를 통하여 시스템 성능은 최소 78% 이 상향 상 시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- (3) 가스쿨러 출구의 냉매 온도가 1℃ 낮아짐에 따라 평균적으로 냉방용량은 3.5% 증가, 압축기 소비전력은 1.9% 감소, 그리고 냉방성능은 약 5.5% 증가하였으며 가스쿨러 출구의 온도변화에 시스템 성능이 크게 변화하는 것을 확인하였다.
- 7은 EEV 입구의 온도변화에 따른 소요 동력, 냉방능력, 그리고 성능계수의 변화를 보여주고 있다. EEV 입구에서 냉매의 온도가 1℃ 낮아짐에 따라 평균적으로 냉방용량 3.5% 증가, 압축기 전력소비 1.9% 감소하는 것으로 나타났다. 이에 냉방성능계수 또한 약 5.
- 급탕시스템의 적용으로 모든 주파수에 대하여 냉방성능이 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 가스쿨러 출구에 급탕시스템의 적용으로 인한 냉방성능의 향상정도는 저주파수에서 크게 나타났고 주파수가 증가할수록 그 증가폭이 감소하게 된다. 이는 압축기 주파수가 낮아질수록 토출압력이 낮게 형성되어 EEV 입구의 온도에 시스템 성능이 크게 영향을 받기 때문이다.
- 8은 EEV 입구온도가 42 ℃, 35 ℃, 그리고 32℃일 때 각각의 사이클 변화를 압력-엔탈피 선도에 비교하여 보여주고 있다. 급탕시스템의 적용으로 같은 운전조건에서 EEV 입구의 온도를 40 ℃에서 32 ℃로 감소시킬 수 있으며 이를 통하여 시스템 신뢰성과 성능은 크게 향상된다. Fig.
- 6은 급탕시스템의 적용에 따른 냉방성능의 향상 정도를 각각의 주파수에 대하여 보여주고 있다. 급탕시스템의 적용으로 모든 주파수에 대하여 냉방성능이 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 가스쿨러 출구에 급탕시스템의 적용으로 인한 냉방성능의 향상정도는 저주파수에서 크게 나타났고 주파수가 증가할수록 그 증가폭이 감소하게 된다.
- 또한 증발기 입출구에서 엔탈피차가 증가하여 냉방용량이 증가됨을 볼 수 있다. 냉방용량의 증가비는 가스쿨러출구의 온도가 42 ℃에서 35 ℃로 변화할 때 크게 증가함을 확인할 수 있는데 이를 통하여 이산화탄소의 열역학적 물성이 사이클 성능에 어떻게 영향을 미치는가를 확인할 수 있다. 이산화탄소 사이클에서 가스쿨러 출구의 온도는 시스템의 성능에 큰 영향을 미치는 중요한 요인중에 하나이며가스쿨러에서 충분한 열교환이 이루어지지 않거나 가스쿨러가 상대적으로 작은 경우 다른 아임계 사이클에 비하여 매우 낮은 성능을 보이게 된다.
- 이는 대부분의 압축압력이 1단의 압축실에서 형성됨을 의미하며 이에 트윈로타리 압축기의 효율은 저하된다. 따라서 압축기 효율과 시스템 성능을 향상시키기 위해서는 2단의 압축체적비를 증가시켜야 하며 이를 통하여 1단과 2단의 압축일을 고르게 분포시켜 시스템 전체의 일을 줄일 수 있으며 이에 사이클 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 일정 충전량 이상에서 충전량이 증가할 경우 증발압력의 상승정도는 점점 감소하고 이에 각각의 EEV 개도에 대하여 거의 유사한 증발압력을 형성한다. 반면에 압축기 토출압력의 경우 냉매가 저충전되었을 때 EEV 개도와 상관없이 비슷한 값을 보이며 과충전영역으로 갈수록 그 차이가 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이 때 작은 EEV 개도가 더 높은 토출압력을 형성하는데 이는 작은 EEV 개도로 인하여 EEV를통과하는 냉매의 양이 줄어들고 이에 가스쿨러에서 냉매의 정체가 증가되었기 때문이다.
- 결국 최적의 냉매충전량을 기점으로 냉방성능계수는 증가하다가 감소하는 경향을 보이게 된다. 본 연구에서 EEV 개도가 40%일 때 최적의 무차원화된 냉매충전량은 0.307로 나타났으며 이때 냉방성능계수는 약 2.06을 보였다. 또한 EEV 개도가 35%, 45%일 때 냉방성능계수는 각각 2.
- 08을 나타냈다. 본 연구에서 EEV 개도가 증가함에 따라 높은 성능을 보이는 것으로 나타났는데 이는 작은 팽창저항으로 인하여 압축일이 크게 감소한데 그 원인이 있다.
- 이는 압축기 주파수가 낮아질수록 토출압력이 낮게 형성되어 EEV 입구의 온도에 시스템 성능이 크게 영향을 받기 때문이다. 본 연구에서 급탕 시스템의 적용으로 냉방성능은 압죽기 주파수가 40 Hz일 때 약 87% 향상되었으며, 50 Hz일 때 78% 정도 향상되는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 압축기 주파수가 40 Hz이고 EEV 개도가 40% 일때 최적의 냉매충전량은 0.307이며 이때 최적의 토출압력과 중간압력은 각각 9.6MIa와 8.3 MPa을 나타내었다. 이는 각각의 실험조건들이 상이함을 고려하였을 때 기존의 연구(1.
- 특히, 가스냉각 과정에서 열교환량의 증가로 시스템의 신뢰성과 성능향상의 가능성을 크게 높일 수 있다. 본 연구의 결과에 의하면 압축기 주파수가 40Hz일 때 급탕시스템을 적용함에 따라 압축기 토출압력은 9.3 MPa에서 8.4 MPa로, 증발압력은 4.2 MPa에서 4.5 MPa로 각각 변화하는 것으로 나타났다. 중간압력 또한 8.
후속연구
- 뿐만 아니라 2개의 압축기를 사용하여 2단압축 사이클을 구성하는 것보다 소형화하여 제작할 수 있으며 성능향상을 위한 실용화 측면에서도 유리하다. 그러나 트윈로터리 압축기를 적용한 이산화탄소 시스템은 각각의 운전조건에 맞는 압축 체적비의 최적화가 요구되며 이에 대한 구체적인 연구가 필요하다.
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