In this paper, cycle performance analysis of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include superheating degre...
In this paper, cycle performance analysis of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature in the carbon dioxide two-stage refrigeration cycle. The main results were summarized as follows : The cooling capacity of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, compressor efficiency and gas cooling pressure, but decreases with the increasing mass flowrate ratio and evaporating temperature. The compression work of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, outlet temperature of gas cooler, gas cooling pressure and evaporating temperature, but decreases with the increasing compressor efficiency and mass flowrate ratio. The COP of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing compressor efficiency, but decreases with the increasing superheating degree, gas cooling pressure, mass flowrate ratio and evaporating temperature. Therefore, superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system have an effect on the cooling capacity, compressor work and COP of this system.
In this paper, cycle performance analysis of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature in the carbon dioxide two-stage refrigeration cycle. The main results were summarized as follows : The cooling capacity of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, compressor efficiency and gas cooling pressure, but decreases with the increasing mass flowrate ratio and evaporating temperature. The compression work of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, outlet temperature of gas cooler, gas cooling pressure and evaporating temperature, but decreases with the increasing compressor efficiency and mass flowrate ratio. The COP of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing compressor efficiency, but decreases with the increasing superheating degree, gas cooling pressure, mass flowrate ratio and evaporating temperature. Therefore, superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system have an effect on the cooling capacity, compressor work and COP of this system.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 R744 냉매를 적용한 2단 압축 1단팽창 냉동시스템의 성능에 미치는 인자들을 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 R744용 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
. 사이클내 배관의 압력강하와 열손실은 무시한다.
. 사이클내 열교환기(증발기, 응축기, 중간냉각기) 내의 냉매 압력강하와 열손실은 무시한다.
. 사이클의 팽창밸브내 냉매는 단열팽창인 등엔 탈피과정이다.
. 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
제안 방법
2단압축 1단팽창 냉동시스템에 대한 가스 냉각기 출구 온도의 영향을 파악하기 위해서 증발온도 (Te =-30℃), 가스냉각압력(Pgc=9 MPa), 과열도(# =0℃), 냉매유량 (me=0.01 kg/s), 기계효율(#=08), 압축효율(#=08)인 조건에서 가스냉각기 출구 온도 (TeouJ 를 10~ 30℃ 까지 변화시켜가면서 Q W, COP를 살펴보았다. Fig.
2단압축 1단팽창 냉동시스템에 대한 과열도 영향을 파악하기 위해 증발온도(Te=-20℃), 가스냉각압력(#=10 MPa) , 가스냉각기 출구온도(#), 냉매유량(#=0.01 kg/s), 기계효율(# =0.8), 압축효율(%=0&인 조건에서 증발기 출구 과열도를 0~20℃까지 부가 해 보았고, 그 결과는 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
R744용 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 압축기에 대한 압축효율의 영향을 파악하기 위해 증발온도 (Te=-40℃), 가스냉각압력(Pgc=U MPa) , 과열도 (#=O℃), 가스냉각기 출구온도(Tgc, Out=20 ℃), 냉매유량(mre=0.01 kg/s), 기계효율(# =0.8)의 일정한 조건에서 고단과 저단 압축기의 효율(#, #)을 0.7~0.9로 동일하게 변화시켰다. 이에 대한결과로서, Fig.
R744용 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 저단과 고단의 냉매유량비에 대한 영향을 파악하기 위해 가스냉각압력(Pgc=9 MPa), 증발온도(Te=-30℃), 가스 냉각기 출구온도 (Tgc, Out=20 ℃), 과열도# = 0℃), 저단 냉매유량(#=0.01 kg/s), 압축효율(ηc =0.8), 기계효율(#)의 일정한 조건에서 냉매 유량 비(#)를 0.4에서 0.53까지 변화시켰다. 이에 대한 결과로서, Fig.
R744용 2단압축 1단팽창 냉동사이클의 중간냉각이 완전한 조건인 즉, 3점의 상태를 건 포화증기 상태인 것으로 하였다. Table 1의 분석조건으로부터 Table 2~3의 수식과 열물 성치 값을 계산하고 이렇게 나온 결과값을 이용하여 2단압축 1단팽창 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 압축효율, 증발온도, 가스냉각기 출구온도, 가스냉각압력, 유량비 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
이론/모형
본 논문에서 사용되는 R744 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)51 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 2단 압축 1단팽창 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
성능/효과
-20~-40℃정도의 저온을 얻는데 사용되는 R744 용 2단압축 1단팽창 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 가스냉각기 냉매 출구온도, 압축효율, 증발온도, 가스냉각압력 등의 인자들에 대해서 Table 3의 운전조건에서 살펴본 결과, 과열도, 가스 냉각기 출구온도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 가스냉각압력 등의 인자들이 R744용 2단압축 1단 팽창 냉동사이클의 Qe, W, COP에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
9로 동일하게 변화시켰다. 이에 대한결과로서, Fig. 5에서 알 수 있듯이 Qe는 ηc가 증가할수록 약간 상승하고, W는 감소하며, COP는 증가한다. 우선, Qe가 증가하는 이유는 ηc가 증가할 수록증발기 입구엔탈피(hQ이 증가하기 때문이다.
참고문헌 (5)
Sawalha, S., 2005, "Using $CO_2$ in supermarket refrigeration". ASHRAE J. 47 (8), pp. 26-30.
Wilson, I., Maier, D., 2006, "Carbon dioxide for use as a refrigerant. In: Refrigeration Science and Technology", Proceedings, IIR-IRHACE Conference, Innovative Equipment and Systems for Comfort and Food Preservation. The University of Auckland, pp. 305-311.
Park, S. N. and Kim, M. S., 1999, "Performance of autocascade refrigeration system using carbon dioxide and R134a", Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 11, No. 6, pp. 880-890.
Chaichana, C., Aye, L., Charters, W.W.S., "Natural working fluids for solar-boosted heat pumps". Int. J. Refrigeration 26, 637-643.
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