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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 오존층 붕괴 지수(ODP)가 0이고 지구 온난화 지수(GWP)가 3이하인 R170 (Ethane)과 R290(Propane)을 혼합한 대체 냉매의 성능을 여름철의 냉방 조건과 겨울철의 난방 조건에서 측정하고 그 결과를 기존의 R22의 성능과 비교해서 분석하려 한다.
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 Thermopile 을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 또한 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보기 위해 압축기의 흡입 온도와 토출 온도도 측정하였다.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치 (Sight glass)를설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 1'able 1은 본 연구에서 사용한 측정 장치의 정도를 정리하여 보여준다. 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 데이터 로깅 시스템(HP 3852A)을 상호 연결하여 수집하였으며, 이렇게 수집한 데이터는: PC의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 중요하다. 따라서 본 연구에서는 미국 표준연구소(NIST)에서 개발한 증기 압축식 냉동 사이클 분석 프로그램인 Cycle-D’m를 이용해 본 연구에서 실험을 수행할 순수냉매와 혼합냉매에 대한 성능계수(COP)와 압축기 토출온도 등을 수치적으로 예측하였다. 분석에서는 냉동용량을 3.
- 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile 을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 또한 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보기 위해 압축기의 흡입 온도와 토출 온도도 측정하였다.
- 그리고 열교환기의 물 측 입구에는 필터를 설치하여 물 속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다. 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고, 그 위에 25皿 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 하에서 측정하였다. 본 결과에서는 모든 냉매에 대해 최소한 2번씩 반복 실험을 수행해서 편차가 1% 미만이 되는 것만을 데이터로 제시했다. Table 4는 본 연구에서 실험한 냉매들의 몇몇 주요 성능 변수들을 보여준다.
- 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고, 그 위에 25皿 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 본 연구에서는 각각의 실험조건에 대하여 과냉도가 5 ℃가 되었을 경우의 냉매 충전량을 적정충전량으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 기준 냉매인 R22, R22와 증기압이 비슷한 R290 그리고 R290에 질량기준 성분비가 2~10%가 되게 R170을 2% 간격으로 혼합한 5개 혼합냉매의 성능을 실험으로 측정하였다.
- 본 연구에서는 밀폐형 로타리식 압축기를 사용하는 수냉식 히트펌프 벤치 테스터에서 R22와 R290 그리고 R290에 R170을 질량기준 성분비로 10% 까지 2% 간격으로 혼합한 5개 흔합냉매의냉방 및 난방 성능을 여름과 겨울의 일반적인 조건 하에서 측정하였다. 본 결과에서는 모든 냉매에 대해 최소한 2번씩 반복 실험을 수행해서 편차가 1% 미만이 되는 것만을 데이터로 제시했다.
- 본 연구에서는 지금까지 대부분의 가정용 에어컨과 히트펌프에 독점적으로 사용되어 온 R22를 대체하기 위해 탄화수소 자연냉매 R290(Propane) 과 R170(Ethane)을 혼합한 5개 혼합냉매의 냉동성능을 측정하였다. 연구에서는 R170의 조성을 질량 기준 성분비로 0~ 10%까지 2%씩 변화시켜가며 성능을 살펴보았다.
- 353夠n?이다. 사용된 이중관 열교환기의 내관으로 2차 유체가 흐르도록 하였으며, 냉매는 내관과 외관 사이의 환상공간으로 흐르게 하였고, 열교환을 극대화시키기 위하여 대향류가 되도록 제작하였다. 냉동 사이클의 특성상 응축기 압력은 20~25기압까지 올라갈 수 있기 때문에 이 같은 고압에서도 시스템이 견딜 수 있도록 하기 위해 모든 접합부는 은납 용접봉을 사용하여 용접하였다.
- 연구에서는 R170의 조성을 질량 기준 성분비로 0~ 10%까지 2%씩 변화시켜가며 성능을 살펴보았다. 연구 목적을 이루기 위해밀폐형 로타리식 압축기가 장착된 수냉식 벤치 테스터를 제작하고 히트펌프 구동 시 여름과 겨울 조건 하에서 R22 및 대체 혼합냉매의 성능을 측정하였고 이를 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 측정하였다. 연구에서는 R170의 조성을 질량 기준 성분비로 0~ 10%까지 2%씩 변화시켜가며 성능을 살펴보았다. 연구 목적을 이루기 위해밀폐형 로타리식 압축기가 장착된 수냉식 벤치 테스터를 제작하고 히트펌프 구동 시 여름과 겨울 조건 하에서 R22 및 대체 혼합냉매의 성능을 측정하였고 이를 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 위의 연구 목표를 달성하기 위해 본 연구에서는 냉매와 물이 대향류를 이루며 이동하면서 외부 조건을 균일하게 맞추어 줄 수 있는 히트펌프 벤치 테스터 장비를 설계/제작하여 기준 냉매 및 대체 냉매의 냉동용량, 성능계수, 압축기 토출 온도 등을 측정하고 비교, 분석하였다. Fig.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치 (Sight glass)를설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 냉동기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기 측 2차 유체의 질량 유량을 정확하게 측정해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 점도나 밀도 등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 ±0.2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다. 1'able 1은 본 연구에서 사용한 측정 장치의 정도를 정리하여 보여준다.
- 증발기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 40개 이상의 T-type 열전대를 열교환기 연결 부위의 냉매 및 물이 흐르는 관속에 삽입하였고, 모든 열전대들은 사용에 앞서 정도 ±o.arc의 정밀 온도계로 보정하였다. 응축기의 냉매와 물의 온도를 측정하기 위해서는 T-type 열전대를 열교환기 표면에 부착하였다.
- 증발기와 응축기의 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고 정도가 ±0.1% 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매 측 압력을 측정하였다. 한편 압축기 소요동력은 정도가 ±0.
- 1% 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매 측 압력을 측정하였다. 한편 압축기 소요동력은 정도가 ±0.5% 미만인 정밀 전력적산계(Wattmeter)를 이용하여 측정하였다. 냉동기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기 측 2차 유체의 질량 유량을 정확하게 측정해야 한다.
대상 데이터
- 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다. 그리고 열교환기의 물 측 입구에는 필터를 설치하여 물 속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다.
- 본 실험에서 증발기로 사용한 열교환기는 내경 19.0 mm, 외경 25.4 mm, 길이 740 mm의 이중관형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. Fig.
- 실험용 압축기로는 R22 적용 상업용 에어컨에 현재 장착되고 있는 밀폐형 로타리식 압축기 (QK191KAC LG사 제작)를 사용하였다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치 (Sight glass)를설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다.
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비로 40% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다.
성능/효과
- 그러나 1970년대 중반에 CFC들이 대기권에서 분해되지 않고 성층권의 오존층을 파괴한다는 사실이 알려지면서 선진국들은 몬트리올 의정서에 의거하여 1996년 1월 1일부터 HCFC 사용량을 동결하게 되었고 2019년 말까지는 전폐시키기로 합의하였다.(1) CFC 및 HCFC를 대체하기 위해 오존층을 붕괴시키지 않는 Hmc가 개발되었으나 HFC는 대기에 누출될 경우 지구 온난화를 유발하는 환경오염물질로 규정되었다(2) 그 결과 환경 보호에 민감한 유럽 연합 내의 국가들을 중심으로 심지어 HFC 냉매들의 생산 및 무역 그리고 사용에 대한 규제가 가속화되고 있다.
- (1) R170/R290 혼합냉매의 성능계수는 R170의 양이 증가할수록 R290에 비해 평균 3%씩 일정하게 감소하는 경향을 보였다. R22와 비교할 경우 R290에 R170을 4% 정도 혼합하면 R22보다 높은 성능계수를 낼 수 있을 것으로 사료된다.
- (2) R170/R290 혼합냉매의 냉동용량은 R170의 양이 증가할수록 R290에 비해 증가하여 주어진 조성범위 내에서 최대 8.7%의 증가를 보였다. 그러나 동시에 소요동력의 증가율이 용량의 증가율보다 크므로 성능계수는 오히려 감소하는 경향을 보였다.
- (3) 본 연구에서 사용한 모든 냉매의 압축기 토출 온도는 R22에 비해 16.6~29.8 ℃ 정도 낮으므로 시스템의 안정성과 신뢰성에 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.
- (3) 팽창밸브를 조절하여 과열도를 5 ℃로 맞추고 과냉도는 냉매를 충전량을 증가시켜서 5 ℃를유지하게 한다.
- (4) 본 연구에서 사용한 냉매들의 충전량은 탄화수소 특유의 저밀도 액체 특성 때문에 R22에 비해 최대 58% 까지 감소되었다.
- (5) 본 연구에서 사용된 냉매들은 오존층 붕괴를 일으키지 않고 지구 온난화 지수가 3이하로 친환경적이며 저온영역에서도 적용이 가능한 장기적 대체 냉매라 할 수 있다.
- (5) 시스템이 60분 이상 정상 상태를 유지할 때 30초 간격으로 30분 이상 데이터를 취한다.
- 4 는 Cycle-D"'로 계산한 결과를 보여준다. 결과에서 확인할 수 있듯이 R170ZR290 혼합냉매의 성능계수는 R170의 양이 증가할수록 순수 R290에 비해 일정하게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 압축기 토출온도는 순수 R290에 비해 R170의 양이 증가할수록 일정하게 증가하는 경향을 보였다.
- 이는 증기압이 높은 R170이 R290에 더해짐에 따라 압축기에서의 압축비가 증가하여 동일 냉동용량에서 압축기 소요동력이 증가하기 때문으로 사료된다. 그 결과 성능계수가 감소하고 압축기 토출 온도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 7%의 증가를 보였다. 그러나 동시에 소요동력의 증가율이 용량의 증가율보다 크므로 성능계수는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 따라서 R170의 조성이 10% 이상이 되면 R22를 대체하는데 있어서 유용성이 떨어질 것으로 판단된다.
- 결과에서 확인할 수 있듯이 R170ZR290 혼합냉매의 성능계수는 R170의 양이 증가할수록 순수 R290에 비해 일정하게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 압축기 토출온도는 순수 R290에 비해 R170의 양이 증가할수록 일정하게 증가하는 경향을 보였다. 이는 증기압이 높은 R170이 R290에 더해짐에 따라 압축기에서의 압축비가 증가하여 동일 냉동용량에서 압축기 소요동력이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 8 ℃ 만큼 감소하였다. 이 결과로 미루어 볼 때 실험한 냉매들은 시스템의 장기 안정성과 내구성에 큰 문제를 일으키지 않을 것으로 사료된다.
- 따라서 R290을 기존의 히트펌프에 그대로 적용할 수 없고 압축기의 행정 체적을 적당하게 늘려야만 한다. 한편 R170 /R290 혼합냉매의 냉동용량은 R170의 양이 증가할수록 순수 R290에 비해 증가하는 것으로 나타났다. 특히 R290에 R170을 6-8% 정도 더하면 냉방과 난방 두 조건 모두에서 혼합냉매의 냉동용량은 기존의 R22와 거의 같음을 알 수 있다.
- 4% 정도 높은 것으로 나타났다. 한편 R290에 R170을 10% 까지 2% 간격으로 혼합한 혼합냉매의 성능계수를 살펴보면 R170의 양이 증가할수록 순수 R290에 비해 평균 3%씩 성능계수가 일정하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 실험에 앞서 분석한 열역학적 사이클 시뮬레이션의 결과와도 일치한다.
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