[논문]내부 열교환기를 이용한 R744용 초임계 냉동사이클의 성능 분석

손창효; 오후규

doi:10.5916/jkosme.2009.33.4.459

내부 열교환기를 이용한 R744용 초임계 냉동사이클의 성능 분석
Performance Analysis of R744 (Carbon Dioxide) Transcritical Refrigeration System Using Internal Heat Exchanger 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.4, 2009년, pp.459 - 465

손창효 (부경대학교 기계공학부) , 오후규 (부경대학교 기계공학부 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper considers the influence of internal heat exchangers to the efficiency of a refrigerating system. These internal heat exchangers(liquid-suction or suction-line heat exchangers) can, in some cases, yield improved system performance while in other cases they degrade system performance. A steady state mathematical model is used to analysis the performance characteristics of refrigeration system with internal heat exchanger. The influence of operating conditions, such as gas cooler pressure and evaporation temperatures, superheat in the evaporator and temperature of gas cooler outlet, to optimal dimensions of the heat exchanger is also analyzed in the paper. The main results were summarized as follows : the mass flowrate of R744, inner diameter tube and length of internal heat exchanger, and effectiveness have an effect on the cooling capacity, compressor work and RCI(Relative capacity index) of this system. With a thorough grasp of these effect, it is necessary to design the R744 compression refrigeration cycle using internal heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 내부 열교환기를 적용한 R744용 냉동공조장치에서 내부 열교환기의 크기(용량)에 영향을 미치는 관경, 관길이, 냉매유량, 유용도를 변화시켰을 경우 냉동장치의 성능에 어떠한 영향을 미치는 가에 대해 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 내부 열교환기를 적용한 R744용 냉동장치의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

․ 내부 열교환기내 냉매가스(증발기 출구)와 냉매액(가스냉각기 출구)의 냉매순환량은 동일한 것으로 가정한다.
․ 사이클내 배관의 압력강하와 열손실은 무시한다.
․ 압축기내 냉매는 단열압축과정이고, 기계효율과 압축효율은 0.8이다.
․ 열교환기(증발기, 응축기, 내부열교환기)내의 냉매 압력강하와 열손실은 무시한다.
․ 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
․ 팽창밸브 밸브내의 열출입은 무시한다.
․ 팽창밸브내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피과정이다.
소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 내부 열교환기를 가진 R744용 1단 압축 1단 팽창증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

제안 방법

Table 2는 내부 열 교환기에 대한 상세한 사양을 나타낸 것으로 내관으로 가스냉각기 출구에서 나온 고온의 냉매액이 흐르고 외관으로 증발기 출구에서 나온 저온의 냉매가스가 흐르는 이중관식 열교환기이다. Table 1의 분석조건과 가정으로부터 EES 소프트웨어를 이용하여 열물성값을 계산하고 위의 수식들을 이용하여 내부 열교환기를 가진 R744용 냉동사이클의 냉동능력, 압축일량, 성적계수에 영향을 미치는 관경, 내부 열교환기 길이와 유용도, 냉매 질량유량 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 하였다.
가스냉각압력(Pgc=10 MPa), 증발온도(Te=0℃), 가스냉각기 출구온도(Tgc,out=30℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 냉매유량(mre=0.01 kg/s), 내부열교환기 길이(LIHX=2m), 기계효율(ηm=0.8), 압축효율(ηc=0.8)인 조건에서 내부 열교환기의 유용도 변화에 따른 R744용 증기압축식 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량 변화를 살펴보았다.
내부 열교환기를 부착한 R744용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동장치에서 내부 열교환기의 냉매질량유량, 내관 직경, 길이, 유용도의 변화에 냉동장치의 성능 특성을 파악하고자 하였으며, 이들 변화변화에 따른 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량에 미치는 영향을 Table 1의 운전조건에서 살펴보았다.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 R744 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)^[10] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 내부 열교환기를 가진 R744용 1단 압축 1단 팽창증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
증발기 출구의 저온가스와 가스냉각기 출구의 고온냉매액의 열전달 상관식으로는 CO₂의 열전달계수를 비교적 잘 예측하는 상관식인 Dittus-Boelter 식을 이용하여 구한다.

성능/효과

1. 내부 열교환기내의 냉매 질량유량 변화에 따른 RCI, 냉동능력, 압축일량의 특성을 살펴보면, 냉매유량이 증가할수록 RCI는 감소하는 반면, 냉동능력과 압축일량은 증가하였다.
2. 내부 열교환기의 내관 직경에 대한 영향을 살펴보면, 액관의 직경이 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 약간 감소하였고, RCI는 감소하였다.
3. 내부 열교환기의 길이에 대해서는 내부 열교환기 길이가 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 약간 증가하였고, 또한 RCI는 증가하는 것을 알 수 있었다.
4. 유용도에 대해서는 유용도가 증가할수록 냉동능력은 증가하였고, 압축일량은 거의 일정한 것으로 나타났다. 그리고, RCI는 유용도와 함께 증가하는 경향을 보인다.
5. 위의 결과로부터 R744를 냉매로 사용하는 증기압축식 냉동사이클은 내부 열교환기내의 냉매 질량유량, 내관 직경, 길이, 유용도 등에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었고, 이러한 영향들을 파악하고 내부 열교환기의 크기와 용량을 결정하여 설계할 필요가 있다.
즉, 내부 열교환기 출구(또는 증발기 입구) 엔탈피(h₄=h₅)가 감소하여 냉동능력이 증가하게 된다. 또한, Fig. 5에서 내부 열교환기 길이가 증가할수록 압축기 입출구 엔탈피의 상승으로 인해 압축일량은 약간 상승하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	R744 냉매의 임계온도는?	최근들어 프레온계 냉매의 대체냉매인 R744(CO2)를 냉동공조장치에 적용하고 있으며, 이와 관련된 연구가 활발히 진행 중에 있다.[1~3] 특히, R744 냉매는 임계온도가 31.1℃로 낮기 때문에 여름철 외기온도가 상승할 경우 냉동장치의 응축기가 초임계 상태로 운전되며, 성적계수(COP)가 감소하게 된다. 그리고 R744용 냉동공조장치의 성적계수가 프레온계 냉매의 성적계수보다 낮다는 의견이 지배적이다.
	내부 열교환기 채용 시의 장점은?	2에서 내부 열교환기를 적용하지 않을 경우 냉동사이클은 ③-⑧-⑥-⑦-⑨-③으로 운전되는 반면, 내부 열교환기를 채용할 경우 냉동사이클은 ①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-①로 작동하게 된다. 따라서 내부 열교환기를 채용할 경우 냉동장치의 증발기 냉동능력을 향상시키고, 압축기의 액압축을 방지하며, 팽창밸브 통과시 플래쉬(Flash gas)의 발생을 방지할 수 있다.

참고문헌 (10)

S. S. Pitla, D. M. Robinson, E. A. Groll and S. Ramadhyani, "Heat transfer from supercritical carbon dioxide in tube flow: A critical review", HVAC＆R research, 4(4), pp. 281-301, 1998

상세보기
V. Vesovic. W. A, Wakeham, G. A. Olchowy, J. V. Sergers, J. T. R. Watson and J. Millat, "The transport properties of carbon dioxide", J. Phy. Chem. Ref. Data, 19(3), pp. 763-810, 1990

상세보기
S. H. Lee and J. R. Howell, "Turbulent developing convective heat transfer in a tube for fluids near the critical point", International Journal of Heat and Mass Transfer, 41(10), pp. 1205-1218, 1998

상세보기
Z. Yuan, M. Michael and D. Jafer, "Forced convection boiling heat transfer of $CO_2$ in horizontal tubes", Ⅹ th ASME/JSME Joint Thermal Engineering Conference, 1999
G. Lorentzen and J. Pettersen, "A new, efficient and environmentally

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W. F. Stoecker and D. J. Walukas, "Conserving energy in domestic refrigerators through the use of refrigerant mixture". ASHRAE Transactions, 87 (1), pp. 279-281, 1981
M. O. McLinden, "Optimum refrigerants for non-ideal cycles: an analysis employing corresponding states". Proceedings ASHRAE-Purdue CFC and IIR-Purdue Refrigeration Conferences, W.Lafayette (IN), pp. 17-20, 1990
P. A. Domanski and D. A. Didion, "Thermodynamic evaluation of R22 alternative refrigerants and refrigerant mixtures". ASHRAE Transactions, 99(2), pp. 636-648, 1993

상세보기
P. A. Domanski, D. A. Didion, J. P. Doyle, "Evaluation of suction-line/liquid-line heat exchange in the refrigeration cycle". Rev Int Froid, 7(7), pp. 487-93, 1994
S. A. Klein and F. L. Alvarado, EES engineering Equation solver. 4406 Fox Bluff Rd, Middleton(WI 53562): F-Chart Software, 1998

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