본 논문은 R290, R600a, R1270과 같은 탄화수소계 냉매를 사용하는 냉동사이클의 효율에 대한 흡입관 열교환기의 영향을 고려하였다. 이러한 흡입관 열교환기는 냉동시스템의 성능을 향상시킬 수도 있지만, 성능을 저하시킬 수도 있다. 본 논문에서는 흡입관 열교환기를 가진 냉동사이클의 성능 특성을 파악하기 위해서 정상상태의 수학적 모델을 사용하였다. 그리고 탄화수소계 냉매유량, 흡입관 열교환기의 내관 직경, 길이, 유용도 등과 같은 운전조건의 영향을 분석하였다. 연구결과는 흡입관 열교환기의 내관 직경, 길이, 유용도, 탄화수소계 냉매의 질량유량은 냉동사이클의 상대냉동능력지수, 냉동능력, 압축일량에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 따라서 이러한 영향을 상세히 파악하여, 흡입관 열교환기를 설치한 탄화수소계 냉매용 증기압축식 냉동사이클을 설계할 필요가 있다.
본 논문은 R290, R600a, R1270과 같은 탄화수소계 냉매를 사용하는 냉동사이클의 효율에 대한 흡입관 열교환기의 영향을 고려하였다. 이러한 흡입관 열교환기는 냉동시스템의 성능을 향상시킬 수도 있지만, 성능을 저하시킬 수도 있다. 본 논문에서는 흡입관 열교환기를 가진 냉동사이클의 성능 특성을 파악하기 위해서 정상상태의 수학적 모델을 사용하였다. 그리고 탄화수소계 냉매유량, 흡입관 열교환기의 내관 직경, 길이, 유용도 등과 같은 운전조건의 영향을 분석하였다. 연구결과는 흡입관 열교환기의 내관 직경, 길이, 유용도, 탄화수소계 냉매의 질량유량은 냉동사이클의 상대냉동능력지수, 냉동능력, 압축일량에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 따라서 이러한 영향을 상세히 파악하여, 흡입관 열교환기를 설치한 탄화수소계 냉매용 증기압축식 냉동사이클을 설계할 필요가 있다.
This paper considers the influence of suction-line heat exchangers on the efficiency of a refrigeration cycle using hydrocarbon refrigerants such as R290, R600a and R1270. These suction-line heat exchangers can, in some cases, yield improved system performance while in other cases they degrade syste...
This paper considers the influence of suction-line heat exchangers on the efficiency of a refrigeration cycle using hydrocarbon refrigerants such as R290, R600a and R1270. These 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 analyze the performance characteristics of refrigeration cycle with suction-line heat exchanger. The influence of operating conditions, such as the mass flowrate of hydrocarbon
refrigerants, inner diameter tube and length of suction-line heat exchanger, to the performance of the cycle is also analyzed in the paper. Results showed that the mass flowrate of hydrocarbon refrigerants, inner diameter tube and length of suction-line 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 compression refrigeration cycle of hydrocarbon refrigerants using suction-line heat
exchanger.
This paper considers the influence of suction-line heat exchangers on the efficiency of a refrigeration cycle using hydrocarbon refrigerants such as R290, R600a and R1270. These 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 analyze the performance characteristics of refrigeration cycle with suction-line heat exchanger. The influence of operating conditions, such as the mass flowrate of hydrocarbon
refrigerants, inner diameter tube and length of suction-line heat exchanger, to the performance of the cycle is also analyzed in the paper. Results showed that the mass flowrate of hydrocarbon refrigerants, inner diameter tube and length of suction-line 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 compression refrigeration cycle of hydrocarbon refrigerants using suction-line heat
exchanger.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 흡입관 열교환기를 적용한 탄화수소계 냉매용 냉동공조장치에서 흡입관 열교환기의 용량에 영향을 미치는 냉매유량, 관경, 관길이, 유용도를 변화시켰을 경우 냉동장치의 성능에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 흡입관 열교환기를 적용한 탄화수소계 냉매용 냉동장치의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
표 2는 흡입관 열교환기에 대한 상세한 사양을 나타낸 것으로 내관으로 응축기 출구에서 나온 고온의 냉매액이 흐르고 외관으로 증발기 출구에서 나온 저온의 냉매가스가 흐르는 이중관식 열교환기이다. 표 1의 분석조건과 가정으로부터 EES 소프트웨어를 이용하여 열물성치값을 계산하고 위의 수식들을 이용하여 흡입관 열교환기를 가진 탄화수소계 냉매용 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 냉매유량, 흡입관 열교환기 관경, 길이, 유용도 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 하였다.
가설 설정
· 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
· 흡입관 열교환기내 냉매가스(증발기 출구)와 냉매 액(응축기 출구)의 냉매순환량은 동일한 것으로 가정한다.
본 논문에서 사용되는 탄화수소계 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[8] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 흡입관 열교환기를 가진 탄화수소계 냉매용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
응축온도(Tgc=50℃), 증발온도(Te=0℃), 과냉각도(△ Tsub=5℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 냉매유량(mre=0.01kg/s), 흡입관 열교환기 길이(LIHX=2m), 내관 직경(di=4.57mm), 기계효율(ηm=0.8), 압축효율(ηc=0.8)인 조건에서 흡입관 열교환기의 유용도 변화에 따른 탄화수소계 냉매용 증기 압축식 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량 변화를 살펴보았다.
흡입관 열교환기를 부착한 탄화수소계 냉매용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동장치에서 흡입관 열교환기의 냉매유량, 내관 직경, 길이, 유용도의 변화에 냉동장치의 성능 특성을 파악하고자 하였으며, 이들 변화에 따른 냉동사이클의 상대냉동능력지수(RCI), 냉동능력(Qe,IHX), 압축일량(WIHX)에 미치는 영향을 표 1의 운전조건에서 살펴보았다.
이론/모형
본 논문에서 사용되는 탄화수소계 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[8] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 흡입관 열교환기를 가진 탄화수소계 냉매용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
증발기 출구의 저온 냉매가스와 응축기 출구의 고온 냉매액의 열전달계수를 예측하는 식으로는 탄화수소계 냉매의 열전달에 비교적 잘 일치하는 상관식인 Dittus-Boelter 식을 이용하여 구한다.
성능/효과
1) 흡입관 열교환기내의 냉매유량 변화에 따른 RCI, 냉동능력, 압축일량의 특성을 살펴보면, 냉매유량이 증가할수록 RCI, 냉동능력, 압축일량은 증가하였다. 그리고 냉매유량 변화에 따른 냉매별 RCI는 R290〉R600a〉R1270 순으로 나타났다
2) 흡입관 열교환기의 내관 직경에 대한 영향을 살펴보면, 액관의 직경이 증가할수록 냉동능력과 압축 일량은 약간 감소하였고, RCI도 감소하였다. 그리고 내관 직경 변화에 따른 냉매별 RCI는 R600a〉 R290〉R1270 순으로 나타났다.
3) 흡입관 열교환기의 길이에 대해서는 흡입관 열교환기 길이가 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 약간 증가하였고, 또한 RCI는 증가하는 것을 알 수있었다. 그리고 흡입관 열교환기 길이 변화에 따른 냉매별 RCI는 R290=R600a〉R1270 순으로 나타났다.
4) 유용도에 대해서는 유용도가 증가할수록 냉동능력은 증가하였고, 압축일량은 거의 일정한 것으로 나타나며, RCI는 유용도와 함께 증가하는 경향을 보인다. 그리고 흡입관 열교환기 유용도 변화에 따른 냉매별 RCI는 R290〉R600a=R1270 순으로 나타났다.
5) 위의 결과로부터 탄화수소계 냉매를 사용하는 증기 압축식 냉동사이클에서 흡입관 열교환기내의 냉매 유량, 내관 직경, 길이, 유용도 등에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 그리고 냉매별 RCI 측면에서 살펴보면 R290≥R600a〉R1270 순서인 것을 알수 있다.
6) 흡입관 열교환기를 부착하는 경우 압축기 흡입측의 상승과 응축기 출구의 과냉각도 증가로 인해 압축 일량과 냉동능력은 증가하나 압축일량에 비해 냉동 능력의 상승폭이 크기 때문에 전체 시스템에서 성능계수가 증가함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
냉동공조장치에 흡입관 열교환기를 채용하면 어떠한 장점을 얻을 수 있는가?
특히 탄화수소계 냉매용 냉동공조장치의 성능을 향상시키기 위해 흡입관 열교환기(또는 액-가스 열교환기, 이하 흡입관 열교환기라 칭함)를 채용하고 있으며 이에 대한 연구도 진행 중에 있다. 흡입관 열교환기는 그림 1에서 알 수 있듯이, 증발기 출구의 저온 냉매가스와 응축기 출구의 고온 냉매액을 서로 대향류로 열교환시키는 장치로서, 흡입관 열교환기를 채용할 경우 냉동 장치의 증발기 냉동능력을 향상시키고, 압축기의 액압축을 방지하며, 팽창밸브 통과시 플래쉬가스(Flash gas)의 발생을 줄일 수 있다.
흡입관 열교환기를 가진 탄화수소계 냉매용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 본 연구에서 한 가정은 무엇인가?
․ 압축기내 냉매는 단열압축과정이고, 기계효율과 압축효율은 0.8이다.
․ 열교환기(증발기, 응축기, 흡입관 열교환기)내의 냉매 압력강하와 열손실은 무시한다.
․ 팽창밸브 밸브내의 열출입은 무시한다.
사이클내 배관의 압력강하와 열손실은 무시한다.
․ 팽창밸브내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피과정이다.
․ 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
․ 흡입관 열교환기내 냉매가스(증발기 출구)와 냉매 액 (응축기 출구)의 냉매순환량은 동일한 것으로 가정 한다.
지구온난화와 오존층 파괴의 주요 물질인 프레온계 냉매를 대체하기 위해 냉동공조장치에 사용하는 냉매로 무엇이 연구되고 있는가?
지구온난화와 오존층 파괴의 주요 물질인 프레온계 냉매의 대체물질인 R290(프로판), R600a(이소부탄), R1270(프로필렌)과 같은 탄화수소계 (Hydrocarbon) 냉매를 냉동공조장치에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다[1-3]. 특히 탄화수소계 냉매용 냉동공조장치의 성능을 향상시키기 위해 흡입관 열교환기(또는 액-가스 열교환기, 이하 흡입관 열교환기라 칭함)를 채용하고 있으며 이에 대한 연구도 진행 중에 있다.
참고문헌 (10)
M. Y. Wen and C. Y. Ho, Evaporation heat transfer and pressure drop characteristics of R-290(propane), R-600(butane), and a mixture of R-290/R-600 in the three-lines serpentine small-tube bank, Applied Thermal Engineering, Vol. 25, pp. 921-936, 2005.
R. N. Richardson and J. S. Butterworth, The performance of propane/isobutane mixtures in a vapour-compression refrigeration system, Int. J. Refrigeration, 18(1), pp. 58-62, 1995.
J. H. Hwang, I. C. Baek, D. S. Jung, Performance of HCFC22 alternatives R1270, R290, R1270/R290, R290/HFC152a, R1270/R290/RE170 refrigerants for air-conditioning and heat pump applications, SAREK, 18(4), pp. 312-319, 2006.
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. In 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.
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. 487-493, 1994.
S. A. Klein and F. L. Alvarado, EES-Engineering Equation Solver. 4406 Fox Bluff Rd, Middleton(WI 53562):F-Chart Software, 1998.
H. S. Lee, Performance characteristics of refrigeration system using hydrocarbon refrigerants, Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, 2006.
S. T. Oh, H. S. Lee, S. M. Baek and J. I. Yoon, Performance analysis of refrigeration system using liquid-gas heat exchanger, KSME Annual Autumn Conference, pp. 189-194, 2008
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