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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 HCFC계 냉매인 R-22를 기본 작동유체로 한 냉동공조장치를 제작하여 모세관 관경, 길이에 따른 특성과 최근 관심이 집중되고 있는 자연냉매인 탄화수소계 냉매 중 R-1270(Propylene)의 모세관에 따른 특성을 실험적으로 비교·분석하여 모세관 설계에 따른 시스템 최적화를 통해 보다 효율적인 냉동사이클을 구축하는데 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 모세관 관경, 길이 변화에 따른 R-22 냉매와 R-1270 냉매의 성능특성을 알아보기 위해 약 3.0 kW 냉동능력을 발휘하는 기본적인 냉동시스템의 구성요소인 압축기, 응축기, 모세관, 증발기와 기타장치로 구성하였다. Fig.
제안 방법
- 0mm), 길이는 각각 (85 ∙ 105 ∙ 125cm)로 총 9종류의 모세관을 제작하여 한 실험이 끝나면 모세관 양쪽에 밸브를 설치하여 교체하며 실험하였다. 냉매 충진량은 먼저 R-22냉매(관경1.8mm, 길이105cm) 일 때 실험 장치에 주입하여 실험하였고, R-1270은 R-22와 표준조건 일 때 냉매포화온도와 과열도를 기준으로 냉매 충진량을 결정하였다. 장치를 가동한 후 냉매의 포화온도 및 압력을 관찰 하면서 30분 이상 평형 상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터 (온도, 압력, 유량 등)를 계측하였다.
- 냉매의 온도 측정을 위해 정밀 수은온도계로 보정하여 오차범위를 ±0.1℃인 T-type 열전대를 사용하였고, 냉매 유량 측정을 위해 질량 유량계를 응축기 출구측에 설치하였다.
- 장치를 가동한 후 냉매의 포화온도 및 압력을 관찰 하면서 30분 이상 평형 상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터 (온도, 압력, 유량 등)를 계측하였다. 또한 온도, 압력, 유량 및 전력량 등은 Yokogawa사의 MX-100 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였고 이렇게 수집한 데이터는 PC에 저장하여 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 모세관 길이와 관경 변화에 따른 R-22와 대체냉매로 기대되는 탄화수소계 냉매인 R-1270을 적용하여 시스 템의 성능특성을 실험적으로 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 모세관 입· 출구에 압력 게이지와 열전대를 장착하여 압력 및 온도를 측정하였다.
- 본 실험 조건은 Table 1 에서와 같이 작동유체로 규제 대상 냉매인 R-22와 이를 대체할 것으로 판단되는 자연냉매 R-1270 냉매를 사용하여 같은 조건하에서 진행하여 그 특성을 비교해 보았다. 냉수는 항온조를 설치하여 24℃의 일정한 부하를 공급하였고, 외기온도는 30℃로 챔버를 이용하여 응축기가 일정하게 열교환 할 수 있도록 하였다.
- 2는 실험 장치의 개략도와 실제 사진을 나타내고 있다. 사용된 압축기는 왕복동식 압축기로 입구와 출구 측의 압력 센서로 압력을 측정하고 파워 메터(Yokogawa사)를 부착하여 각 운전조건에 따라 압축기에서 소요되는 동력을 측정하였다. 응축기는 공랭식이며 증발기는 수냉식을 사용하였다.
- 시스템의 팽창 장치로는 모세관을 선정하였고 증발기와 응축기, 압축기, 모세관 등 주요 입·출구에는 압력센서와 온도센서를 동일한 부분에 설치하여 실시간으로 데이터 로거(Yokogawa사)를 통하여 데이터를 PC에서 처리하였다.
- 모세관 단품 실험에서 사용한 냉매는 편의상 공기로 하였다. 실험 방법은 모세관을 충분히 길게 하고 일정하게 잘라가며 모세관 출구가 충분히 안정화 되는 때까지 기다린 후 압력과 온도를 측정하였다. 이렇게 결정된 모세관 표준 관경· 길이를 기준으로 모세관 관경은 각각 (1.
- 7은 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 두 가지 작동유체의 압축일량의 변화를 나타내고 있다. 압축일량은 장치가 평형상태에서 운전되는 동안 압축기 입력전류와 전압으로 산출하였다. 그림에서와 같이 모세관 관경이 증가할수록 냉매 순환량의 증가로 두 가지 냉매 모두 압축일량이 증가하고 있다.
- 1℃인 T-type 열전대를 사용하였고, 냉매 유량 측정을 위해 질량 유량계를 응축기 출구측에 설치하였다. 응축기 및 증발기에 공급하는 이차유체의 온도 조절을 위해 항온조와 히터를 설치하였고, 이차유체의 유량 측정을 위해 수유량계를 설치하였다. 장치 배관 및 모든 부분은 고무발포보온재와 보온재 테입을 사용하여 충분히 단열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다.
- 응축기 및 증발기에 공급하는 이차유체의 온도 조절을 위해 항온조와 히터를 설치하였고, 이차유체의 유량 측정을 위해 수유량계를 설치하였다. 장치 배관 및 모든 부분은 고무발포보온재와 보온재 테입을 사용하여 충분히 단열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다.
- 8mm, 길이105cm) 일 때 실험 장치에 주입하여 실험하였고, R-1270은 R-22와 표준조건 일 때 냉매포화온도와 과열도를 기준으로 냉매 충진량을 결정하였다. 장치를 가동한 후 냉매의 포화온도 및 압력을 관찰 하면서 30분 이상 평형 상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터 (온도, 압력, 유량 등)를 계측하였다. 또한 온도, 압력, 유량 및 전력량 등은 Yokogawa사의 MX-100 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였고 이렇게 수집한 데이터는 PC에 저장하여 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 8mm 모세관 표준모델의 기준을 모세관 단품 실험을 통해 결정하였다. 단품 실험을 위한 실험 장치의 구성은 압축기와 압축기로 전원을 공급하기 위한 전원 공급장치, 압축기 토출쪽과 모세관으로 연결되는 부분에 갑작스런 팽창과 압력 불균형을 줄이기 위한 머플러, 그리고 고온에 대비한 냉각장치를 따로 장착하고 온도를 균일하게 유지하였다. 모세관 입· 출구에 압력 게이지와 열전대를 장착하여 압력 및 온도를 측정하였다.
- 모세관 입· 출구에 압력 게이지와 열전대를 장착하여 압력 및 온도를 측정하였다. 모세관 단품 실험에서 사용한 냉매는 편의상 공기로 하였다. 실험 방법은 모세관을 충분히 길게 하고 일정하게 잘라가며 모세관 출구가 충분히 안정화 되는 때까지 기다린 후 압력과 온도를 측정하였다.
- 이렇게 결정된 모세관 표준 관경· 길이를 기준으로 모세관 관경은 각각 (1.6 ∙ 1.8 ∙ 2.0mm), 길이는 각각 (85 ∙ 105 ∙ 125cm)로 총 9종류의 모세관을 제작하여 한 실험이 끝나면 모세관 양쪽에 밸브를 설치하여 교체하며 실험하였다.
성능/효과
- (1) 모세관 길이 및 관경 변화에 따른 두 가지 냉매의 냉매 순환량을 비교한 결과, 모세관 관경이 증가하고, 길이가 감소할수록 증가하였고, R-1270은 R-22에 비해 모세관 길이 및 관경 변화에 따라 평균 약 36~45% 작은 냉매 질량유량을 나타내었다.
- (2) 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 시스템의 고·저압 차는 모세관 관경이 증가할수록 감소하였고, R-1270은 R-22에 비해 평균 약 2~6% 높은 값을 나태내고 있다.
- (3) 모세관 관경이 1.8 mm 일 때 모세관 길이 변화에 따른 두 가지 냉매의 과열도를 비교한 결과 모세관 길이가 증가할수록 냉매 순환량의 감소로 인해 과열도가 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다.
- (4) 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 두 가지 작동유체의 냉동능력은 모세관 관경이 증가할수록 증가하였고, R-1270은 R-22에 비해 우수한 물성치로 인해 평균 약 1 ~9% 높은 값을 나타내었다.
- (5) 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 R-1270의 압축일량은 R-22에 비해 평균 약 0.5~4% 낮은 값을 나타내었다.
- (6) 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 R-1270의 COP는 전 실험범위에서 R-22에 비해 높은 값을 나타내어 성능계수 측면에서 봤을 때 충분히 R-22를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
- 6은 모세관 길이가 105 cm 일 때 모세관 관경 변화에 따른 두 가지 작동유체의 냉동능력의 변화를 나타내고 있다. 그림에서와 같이 두 가지 냉매 모두 모세관 관경이 증가할수록 시스템 내 냉매 순환량의 증가로 냉동능력이 증가함을 알 수 있고, R-1270이 R-22에 비해 평균 약 1.1~9.1% 높은 값을 나타내고 있다. 이는 R-1270이 R-22에 비해 단위 냉매순환량당의 증발 엔탈피가 크고, 높은 열전도도로 인해 냉매 순환량 증가에 따른 열전달 향상치가 크고 그로 인해 높은 냉동능력을 나타낸다고 판단된다.
- 8 mm 일 때 모세관 길이 변화에 따른 두 가지 냉매의 과열도 변화를 나타내고 있다. 두 가지 냉매 모두 모세관 길이가 증가할수록 냉매 순환량의 감소로 인해 과열도가 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. R-1270은 R-22보다 동일 모세관 길이에서 평균 약 1.
- 모세관 관경이 증가할수록 냉매 순환량이 증가하게 되어 냉동능력이 증가하지만 압축 일량 또한 증가하게 된다. 본 연구의 실험조건에서는 모세관 관경이 1.8 mm일 때 압축일량에 대한 냉동능력의 비가 가장 높은 값을 나타내어 그림과 같은 결과를 나타내었다.
- 이는 모세관 관경이 감소하고, 길이가 증가할수록 시스템 내의 저항의 증가로 냉매 질량유량이 감소하는 것으로 판단된다. 탄화수소계 냉매인 R-1270은 R-22에 비해 모세관 길이 및 관경 변화에 따라 평균 약 36~44.5% 작은 냉매 순환량을 나타내고 있으며, 탄화수소게 냉매는 동일 용량의 시스템에서 R-22에 비해 높은 비체적으로 인해 적은 냉매순환량을 나타냄을 알 수 있다.
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