[논문]핫가스 바이패스 유량에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 특성

백승문; 최준혁; 변종영; 문춘근; 이호생; 정석권; 윤정인

doi:10.5916/jkosme.2009.33.8.1129

핫가스 바이패스 유량에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 특성
Characteristics of Temperature Control by Hot-gas Bypass Flow Rate on Industrial Water Cooler 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.8, 2009년, pp.1129 - 1136

백승문 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 최준혁 (부경대학교 대학원) , 변종영 (부경대학교 대학원) , 문춘근 ((주) 대일) , 이호생 (부경대학교) , 정석권 (부경대학교) , 윤정인 (부경대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 EEV를 이용한 냉각시스템의 성능특성에 관한 논문이다. 산업용냉각기는 고속으로 운전하는 공작기기의 열 변형을 줄이기 위해 사용되었으며, EEV는 냉각기의 용량조절을 위해 사용되었다. 본 장치는 압축기 출구에서 나온 핫가스를 증발기 입구로 보내는 핫가스 바이패스 시스템을 위해 설계되었다. 본 실험은 PID제어를 통한 고정도 온도제어 연구의 중간결과물이다. 실험의 결과로 핫가스 바이패스의 EEV스텝 조절을 통하여 증발압력의 상승과 냉동능력의 감소를 알 수 있었다. 본 실험의 결과를 통하여 효율적인 냉각기의 설계에 있어 기초 자료로 이용할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The paper presents the performance characteristics for a cooling system using EEV. The water cooler was used to reduce thermal deformation and contraction due to high speed of machine tools and the EEV was used for capacity control for water cooler. The apparatus was designed for hot-gas bypass system which a hot-gas can flows from outlet of compressor to the inlet of evaporator. This experiment is the intermediary study for precise temperature control through PID control. The results show that the evaporator pressure increased and refrigeration capacity decreased as the EEV opening step of hot-gas bypass increased. These results can be used as basic data for the design of effective water cooler.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 핫가스 바이패스 밸브인 EEV(Electronic Expansion Valve)의 개방에 따른 냉각 시스템의 사이클 변화 특성을 파악하고, EEV스텝 조절을 통해 냉각기로 유입되는 부하변동에 대응하며 정밀한 온도 조절이 가능하도록 핫가스 바이패스의 제어 알고리즘 개발에 최종목표를 두었다.
al[3,4]. 연구에서는 압축기 토출에서 팽창기 출구 측으로 바이패스하는 방법을 제시하고 있다. Choi[5,6] 등의 경우 외부환경조건 및 부하 변동에 따라 핫가스 바이패스 밸브인 EEV의 스텝을 변화시켜 EEV스탭의 변화에 따른 냉각 시스템의 변화 및 시스템의 특성을 파악하는 기초 실험을 하였다.
외부환경조건 및 부하 변동에 따라 핫가스 바이패스 밸브인 EEV의 스탭 변화를 주어 냉각기로 유입되는 부하변동에 대응함으로서 정밀한 온도 조절을 할 수 있는 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Table 3는 실험조건을 나타낸 것이다. 공랭식 응축기와 열교환 하는 외부 공기의 온도는 항온 챔버를 이용하여 25℃와 35℃로 각각 맞추어 응축기가 일정 온도 하에서 열교환 할 수 있도록 하였다. 냉수 출구온도는 각각 16∼25℃까지 3℃ 간격으로 일정하게 맞춰 실험 하였으며 냉수 출구 유량은 26l/min로 일정하게 유지되도록 하였다.
주요 구성품은 왕복동식 압축기를 사용하였으며, 응축기는 플레이트 핀튜브 타입의 공랭식 응축기를 사용하였다. 그리고 EEV의 스탭을 조절하기 위해 스탭핑 모터를 EEV 상단에 장착시켜 핫가스 바이패스 개도를 조절하였다. 토출가스 바이패스는 압축기에서 나오는 고온고압의 가스를 팽창기 출구 쪽으로 바이패스를 시켜 팽창기에서 나오는 냉매와 EEV 밸브를 이용하여 나오는 냉매를 혼합하여 조절하였다.
이번 실험에서는 EEV의 스탭 개도를 변수로 잡아 0~500사이를 각 125스탭 간격으로 변화시켜 실험하였다. 그리고 온도조절기를 이용하여 밀폐형 열교환기의 열량을 조절하여 냉각기에서 나오는 냉수 출구 온도를 일정하게 조절하였다.
그리고 주요기기 입·출구에는 압력센서와 온도센서를 장착하여 실시간으로 데이터 측정이 가능하도록 하였다.
그리고 주요기기 입·출구에는 압력센서와 온도센서를 장착하여 실시간으로 데이터 측정이 가능하도록 하였다. 냉매 측 온도측정은 T형 열전대를 이용하고 압력은 온도측정부위와 동일한 부분에 압력센서를 설치하여 측정 가능 하도록 하였다. 냉매의 질량유량 측정은 Oval사의 질량유량계를 사용하였으며 압축기에 소모되는 전력량의 측정은 칼로리미터에 부착된 Yokogawa사의 전력계를 통해 측정하였다.
냉수 출구온도는 각각 16∼25℃까지 3℃ 간격으로 일정하게 맞춰 실험 하였으며 냉수 출구 유량은 26l/min로 일정하게 유지되도록 하였다.
대표적인 핫가스 바이패스방식으로는 압축기 출구 냉매를 증발기 입구 또는 증발기 출구로 바이패스 시키는 방식, 그리고 압축기 출구냉매를 응축기 출구 냉매와 혼합시킨 후 증발기 출구로 바이패스 시키는 방식이 있다. 이 방식 중 첫 번째 방식은 타방식에 비해 압축기의 토출온도가 낮아 안정적인 운전이 가능하며, 냉각능력을 조절할 수 있는 제어 범위도 넓어[3] 이번 실험에는 3가지 방식 중 첫 번째 방식을 적용하였다.
토출가스 바이패스는 압축기에서 나오는 고온고압의 가스를 팽창기 출구 쪽으로 바이패스를 시켜 팽창기에서 나오는 냉매와 EEV 밸브를 이용하여 나오는 냉매를 혼합하여 조절하였다. 이번 실험에서는 EEV의 스탭 개도를 변수로 잡아 0~500사이를 각 125스탭 간격으로 변화시켜 실험하였다. 그리고 온도조절기를 이용하여 밀폐형 열교환기의 열량을 조절하여 냉각기에서 나오는 냉수 출구 온도를 일정하게 조절하였다.
이번 실험에서는 핫가스 바이패스의 스탭변화에 따른 시스템의 성능특성을 알아보기 위해 약 3.0 kW 용량의 기본 냉동 시스템장치를 구성하였다. Figure 3은 실험 장치의 개략도를 나타냈으며, Table 2는 실험에 사용된 장치의 각 요소의 사양을 나타낸다.
냉매의 질량유량 측정은 Oval사의 질량유량계를 사용하였으며 압축기에 소모되는 전력량의 측정은 칼로리미터에 부착된 Yokogawa사의 전력계를 통해 측정하였다. 장치 배관 및 모든 부분은 고무발포보온재와 보온재 테이프를 사용하여 충분히 단열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다. 측정된 온도, 압력, 질량유량, 전력량은 Yokogawa사의 MX-100 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 PC모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였다.
장치 배관 및 모든 부분은 고무발포보온재와 보온재 테이프를 사용하여 충분히 단열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다. 측정된 온도, 압력, 질량유량, 전력량은 Yokogawa사의 MX-100 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 PC모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였다.
그리고 EEV의 스탭을 조절하기 위해 스탭핑 모터를 EEV 상단에 장착시켜 핫가스 바이패스 개도를 조절하였다. 토출가스 바이패스는 압축기에서 나오는 고온고압의 가스를 팽창기 출구 쪽으로 바이패스를 시켜 팽창기에서 나오는 냉매와 EEV 밸브를 이용하여 나오는 냉매를 혼합하여 조절하였다. 이번 실험에서는 EEV의 스탭 개도를 변수로 잡아 0~500사이를 각 125스탭 간격으로 변화시켜 실험하였다.

대상 데이터

주요 구성품은 왕복동식 압축기를 사용하였으며, 응축기는 플레이트 핀튜브 타입의 공랭식 응축기를 사용하였다. 그리고 EEV의 스탭을 조절하기 위해 스탭핑 모터를 EEV 상단에 장착시켜 핫가스 바이패스 개도를 조절하였다.

이론/모형

냉매 측 온도측정은 T형 열전대를 이용하고 압력은 온도측정부위와 동일한 부분에 압력센서를 설치하여 측정 가능 하도록 하였다. 냉매의 질량유량 측정은 Oval사의 질량유량계를 사용하였으며 압축기에 소모되는 전력량의 측정은 칼로리미터에 부착된 Yokogawa사의 전력계를 통해 측정하였다. 장치 배관 및 모든 부분은 고무발포보온재와 보온재 테이프를 사용하여 충분히 단열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다.

성능/효과

(1) On-Off제어 실험에서 On-Off 제어 주기가 가지는 냉각기의 문제점 및 특성을 파악하여 큰 온도 편차와 잦은 On-Off 주기를 가진다는 것을 알 수 있었다.
(2) 챔버온도 25℃와 35℃에서 냉수출구수온이 낮을수록 증발기 입구압력은 냉수출구수온이 높은 경우와 비교하여 낮은 값을 보였으며, 챔버온도 25℃에 비해 35℃에서 증발기 입구압력은 높은 경향을 보였다.
(3) PID제어기 설계시 제어변수로 사용하고자 하는 챔버온도 35℃, 냉수출구수온 25℃에서는 EEV 125스탭이 늘어날 경우 냉동능력은 47% 감소하며 COP는 35% 감소하였다.
(4) 챔버온도 35℃, 냉수출구수온 25℃에서는 100%부터 10%까지 냉각기의 용량을 조절해서 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
이는 곧 증발기의 냉동능력을 낮추게 되는 주요한 원인이 된다. EEV 스탭을 증가시킬수록 모든 냉수출구수온에서 냉동능력은 하락하는 것으로 나타났다.
그리고 챔버온도 25℃와 35℃에서 증발기 입구압력과 입구온도는 EEV 스탭 0에서 125까지 30%정도 급격하게 상승하는 경향을 보였으며 EEV 스탭 250부터는 그 증가폭이 6%내외로 감소하여 일정한 압력대로 유지하려는 경향을 보였다.
그리고 챔버온도가 35℃에 비해 25℃에서 동일한 냉수출구조건에서의 냉동능력이 높게 나타났으며 챔버온도 25℃일 때에 비해 35℃에서 냉동능력이 낮아지는 경향을 보였다. 이는 챔버온도가 높을수록 냉매를 응축시키는 응축압력과 응축온도가 높아지므로 응축압력과 온도가 낮은 경우에 비해 냉동능력이 작아지게 되는 것으로 판단된다.
Figure 8은 챔버온도를 35℃에서 EEV 스탭변화에 따른 COP변화를 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 동일냉수출구온도에서는 스탭이 증가할수록, 동일 스탭에서는 냉수출구온도가 낮을수록 COP는 낮은 경향을 보였다. 냉수출구온도가 낮을수록 응축온도와 증발온도가 감소하였는데 이로 인한 것으로 판단된다.
냉수출구수온이 낮을수록 부분부하가 감소할수록 증발기의 입구 압력은 증가하였으며, 부분부하가 감소할수록 응축기의 입구 압력은 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 챔버온도를 고정시켜 실험을 한 것으로 인해 냉수출구수온변화에 따른 부분부하 변동시 응축압력은 증발압력에 비해 상대적으로 변화폭이 크지 않았다.
Figure 5는 챔버온도를 25℃와 35℃로 각각 고정시키기고 EEV 스탭 변화에 따른 냉수출구 수온별 증발기 입구압력과 입구온도의 변화를 나타낸 결과이다. 챔버온도 25℃와 35℃ 모두 냉수출구수온이 낮을수록 증발기 입구압력과 입구온도는 냉수출구수온이 높은 경우와 비교하여 낮은 값을 보였다. 이는 냉수출구수온이 낮을수록 장치의 응축압력과 응축온도가 낮아짐으로써 증발기 입구압력과 증발온도가 낮아지는 것으로 판단된다.
챔버온도 25℃에서는 출구수온 25℃ 기준으로 EEV스탭을 증가시킬 경우 125, 250 스탭까지는 각 30%이상 냉동능력이 하락하였으며 이후 375, 500 스탭은 13%정도 각각 하락하였다. 챔버온도 35℃에서 냉수 출구수온 25℃ 기준으로 EEV 스탭을 증가시킬 경우 챔버온도 25℃와 유사한 경향으로 냉동능력이 하락하였으나 차이점으로는 EEV 0에서 250스탭까지는 냉동능력이 급격하게 낮아지며 EEV 스탭 250이상에서는 냉동능력 값은 0.5 kW 정도의 값으로 수렴됨을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공작기계에서 발생하는 문제점은?	산업기계의 가공 정밀도를 향상시키기 위해서 가공 부위 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 산업용 오일 및 수냉각기의 다양한 기술개발이 진행되고 있다. 공작기계는 절삭속도가 빠르기 때문에 공작물의 가공부위에 상당한 열이 발생되며, 열은 공작기계 부품과 공작물에 열 변형을 초래하여 가공정밀도와 기계의 신뢰성을 떨어뜨린다. 따라서 발열 억제를 위해 공작기계의 가공부위에 냉각된 오일 및 냉수를 공급한다.
	On-Off방식의 온도제어의 문제점은?	기존에 On-Off방식의 온도제어인 경우 정속운전 냉각기가 대부분 사용되고 있다. 하지만 이 경우 연속적으로 부하가 바뀌는 것을 적절히 제어하지 못하며, 가동 및 정지를 반복함으로써 소비전력의 증가와 정밀한 온도 제어가 되지 못한다.
	대표적인 핫가스 바이패스방식은 무엇이 있는가?	대표적인 핫가스 바이패스방식으로는 압축기 출구 냉매를 증발기 입구 또는 증발기 출구로 바이패스 시키는 방식, 그리고 압축기 출구냉매를 응축기 출구 냉매와 혼합시킨 후 증발기 출구로 바이패스 시키는 방식이 있다. 이 방식 중 첫 번째 방식은 타방식에 비해 압축기의 토출온도가 낮아 안정적인 운전이 가능하며, 냉각능력을 조절할 수 있는 제어 범위도 넓어[3] 이번 실험에는 3가지 방식 중 첫 번째 방식을 적용하였다.

참고문헌 (6)

S. W. Lee and C .W. Lee, "Assessment capability of oil cooler with hot-gas," Korean Society for Precision Engineering, no. 6, pp. 459-460, 2007
J. S. Byun, J. H. Lee and D. J. Chang, "Frost retardation of an air-source

상세보기
Yaqub. M, Zubair S. M., Khan S. H., "Second-law-based thermodynamic analysis of hot-gas by pass, capacitycontrol schemes for refrigeration and air-conditioning systems," Energy-The International Journal 20(6), pp. 483-493, 1995

상세보기
Yaqub. M, Zubair S. M., Jameelur- Rehman Khan., "Performance

상세보기
J. H. Choi, S. M. Baek, B. J. Jin, W. J. Choi, C. G. Moon, H. S. Lee and J.I. Yoon, "Performance Characteristics of Cooler Controled Capacity Using Hot-Gas Bypass," ICHMT CONV-09 Tunisia, pp.502-505, 2009
J. H. Choi, S. M. Baek, C. G.Moon, S. K. Jeong, and J. I. Yoon, “Performance Characteristics of Water Cooler Controled Capacity Using Hot-Gas Bypass,” IIR Korea, The 3rd Korean Congress of Refrigeration pp.125-128, 2009

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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