본 논문은 시스템의 운전조건하에서 R717-R747용 이원냉동 사이클의 성능 분석에 대한 기초 설계자료를 제공하는 것이다. 본 논문에서 고려한 운전변수는 암모니아 고온사이클과 이산화탄소 저온사이클의 과냉각도, 과열도, 응축과 증발온도이다. 이원 냉동사이클의 성적계수는 과열도가 증가할수록 증가하는 반면, 과냉각도가 증가할수록 감소한다. 그리고, 이원 냉동사이클의 성적계수는 응축온도와 함께 증가하지만, 증발온도와는 반대로 감소한다. 따라서, 과열도, 과냉도, 응축과 증발온도는 본 시스템의 성적계수에 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 최대 성능계수와 최적의 증발온도에 대한 수학 방정식을 개발하기 위해 이러한 변수들을 포함시켜 다중 회귀분석을 통해 제안하였다.
본 논문은 시스템의 운전조건하에서 R717-R747용 이원냉동 사이클의 성능 분석에 대한 기초 설계자료를 제공하는 것이다. 본 논문에서 고려한 운전변수는 암모니아 고온사이클과 이산화탄소 저온사이클의 과냉각도, 과열도, 응축과 증발온도이다. 이원 냉동사이클의 성적계수는 과열도가 증가할수록 증가하는 반면, 과냉각도가 증가할수록 감소한다. 그리고, 이원 냉동사이클의 성적계수는 응축온도와 함께 증가하지만, 증발온도와는 반대로 감소한다. 따라서, 과열도, 과냉도, 응축과 증발온도는 본 시스템의 성적계수에 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 최대 성능계수와 최적의 증발온도에 대한 수학 방정식을 개발하기 위해 이러한 변수들을 포함시켜 다중 회귀분석을 통해 제안하였다.
In this paper, cycle performance analysis of cascade refrigeration system using $NH_3-CO_2$(R717-R744) is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree and c...
In this paper, cycle performance analysis of cascade refrigeration system using $NH_3-CO_2$(R717-R744) is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree and condensing and evaporating temperature in the ammonia(R717) high temperature cycle and the carbon dioxide low temperature cycle. The COP of cascade refrigeration system increases with the increasing superheating degree, but decreases with the increasing subcooling degree. The COP of cascade refrigeration system increases with the increasing condensing temperature, but decreases with the increasing evaporating temperature. Therefore, superheating and subcoolng degree, evaporating and condensing temperature of cascade refrigeration system using $NH_3-CO_2$ have an effect on the COP of this system. A multilinear regression analysis was employed in terms of subcooling, superheating, evaporating, condensing, and cascade heat exchanger temperature difference in order to develop mathematical expressions for maximum COP and an optimum evaporating temperature.
In this paper, cycle performance analysis of cascade refrigeration system using $NH_3-CO_2$(R717-R744) is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree and condensing and evaporating temperature in the ammonia(R717) high temperature cycle and the carbon dioxide low temperature cycle. The COP of cascade refrigeration system increases with the increasing superheating degree, but decreases with the increasing subcooling degree. The COP of cascade refrigeration system increases with the increasing condensing temperature, but decreases with the increasing evaporating temperature. Therefore, superheating and subcoolng degree, evaporating and condensing temperature of cascade refrigeration system using $NH_3-CO_2$ have an effect on the COP of this system. A multilinear regression analysis was employed in terms of subcooling, superheating, evaporating, condensing, and cascade heat exchanger temperature difference in order to develop mathematical expressions for maximum COP and an optimum evaporating temperature.
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문제 정의
지금까지 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 살펴본 보았고, 그 결과 이들 각각의 인자들에 대해 이원 냉동사이클의 성적계수를 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 본 절에서는 다중 회귀분석을 통해 R717과 R744용 이원 냉동시스템의 최대 성적계수(COPMAX)와 최적의 증발온도(Tcas,e,opt)에 대한 수학적 방정식을 개발하였다. COPMAX와 Tcas,e,opt는 앞에서 살펴본 결과, 과열도(△Tsuh), 과냉도(△Tsuc), 증발온도(Te), 응축온도(Tc), 캐스 케이드 온도차(△Tcas)에 영향을 받음을 알 수 있었기 때문에 이에 대한 함수로서 나타낼 수 있고, 이들 함수에 대해 다중 회귀분석을 실시하였다.
따라서, 본 연구에서는 고온부에는 R717 냉매를, 저온 부에는 R744 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 미치는 인자들을 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 자연냉매를 적용한 이원 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
R717과 R744용 이원 냉동사이클의 개략도와 상태점을 나타낸 그림 1과 운전조건을 나타낸 표 3을 이용하여 T-s선도를 그림 2에 나타내 보았다. 표 1의 분석조건으로부터 표 2~3의 수식과 열물성치값을 계산하고 이렇게 나온 결과값을 이용하여 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉도, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
가설 설정
· 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[8] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R717 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
과열도, 과냉각도, 증발온도, 응축온도 등의 인자들이 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 COP에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었고, 이들 각각의 인자들은 이원 냉동사이클의 성능을 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 다중 회귀분석을 통해 최대 성적계수와 최적의 캐스케이드 증발온도에 대한 수학적 방정식을 제안하였다.
데이터처리
따라서 본 절에서는 다중 회귀분석을 통해 R717과 R744용 이원 냉동시스템의 최대 성적계수(COPMAX)와 최적의 증발온도(Tcas,e,opt)에 대한 수학적 방정식을 개발하였다. COPMAX와 Tcas,e,opt는 앞에서 살펴본 결과, 과열도(△Tsuh), 과냉도(△Tsuc), 증발온도(Te), 응축온도(Tc), 캐스 케이드 온도차(△Tcas)에 영향을 받음을 알 수 있었기 때문에 이에 대한 함수로서 나타낼 수 있고, 이들 함수에 대해 다중 회귀분석을 실시하였다.
이론/모형
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[8] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R717 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
성능/효과
1. R717용 고온사이클에만 0~20℃까지 과열도를 주었을 때, 이원 냉동사이클의 COP가 가장 높게 나타났다. R717용 고온사이클의 과열도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하는 것을 알 수 있다.
2. R717과 R744용 이원 냉동시스템의 고온과 저온사이클 모두에 대해 0~20℃까지 과냉각도를 주었을때, 이원 냉동사이클의 COP가 가장 높게 나타났다. 고온과 저온사이클의 과냉각도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP가 증가함을 알 수 있었다.
3. R717과 R744용 이원 냉동시스템의 응축온도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하지만, 증발온도는 감소할수록 COP가 감소함을 확인할 수 있었다.
4. 과열도, 과냉각도, 증발온도, 응축온도 등의 인자들이 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 COP에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었고, 이들 각각의 인자들은 이원 냉동사이클의 성능을 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 다중 회귀분석을 통해 최대 성적계수와 최적의 캐스케이드 증발온도에 대한 수학적 방정식을 제안하였다.
R717과 R744용 이원 냉동시스템의 고온과 저온사이클 모두에 대해 0~20℃까지 과냉각도를 주었을때, 이원 냉동사이클의 COP가 가장 높게 나타났다. 고온과 저온사이클의 과냉각도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP가 증가함을 알 수 있었다.
지금까지 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 살펴본 보았고, 그 결과 이들 각각의 인자들에 대해 이원 냉동사이클의 성적계수를 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 본 절에서는 다중 회귀분석을 통해 R717과 R744용 이원 냉동시스템의 최대 성적계수(COPMAX)와 최적의 증발온도(Tcas,e,opt)에 대한 수학적 방정식을 개발하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다단 왕복동식 증기 압축 냉동장치의 단점은?
[1~2] 일반적으로 저온용 냉동장치에는 2단 또는 3단의 다단 압축 사이클이나 2개의 사이클을 이용한 이원 냉동사이클이 있다.[3] 그러나 단일 냉매를 사용하는 다단 왕복동식 증기 압축 냉동장치로 저온을 얻는데 한계가 있다. 즉, 상당히 낮은 증발온도를 얻으려면 압축비가 너무 커지고 압축효율과 성능계수 등이 저하된다.
저온용 냉동장치에는 어떤 사이클이 존재하는가?
냉동창고나 슈퍼마켓의 저온저장 식품인 어류나 육류를 보관하기 위한 온도는 일반적으로 -30~-50℃로, 이 저온까지 온도를 낮추고 유지하기 위해서는 저온용 냉동시스템이 필요하다.[1~2] 일반적으로 저온용 냉동장치에는 2단 또는 3단의 다단 압축 사이클이나 2개의 사이클을 이용한 이원 냉동사이클이 있다.[3] 그러나 단일 냉매를 사용하는 다단 왕복동식 증기 압축 냉동장치로 저온을 얻는데 한계가 있다.
상당히 낮은 증발온도를 얻으려면 압축비가 너무 커지고 압축효율과 성능계수 등이 저하되기 때문에 이 경우 -30~-50℃의 저온을 얻기 위해서 무엇을 사용하는가?
즉, 상당히 낮은 증발온도를 얻으려면 압축비가 너무 커지고 압축효율과 성능계수 등이 저하된다. 그러므로 이런 경우 -30~-50℃의 저온을 얻기 위해서 R23, R170, R1150과 같은 비교적 고압냉매를 사용하는 저온사이클(Low temperature cycle)과 R22, R134a와 같은 저압냉매를 사용하는 고온사이클(High temperature cycle)이 캐스케이드 열교환기(Cascade heat exchanger)를 통해 열교환하는 이원 냉동 사이클을 이용한다. 지금까지 이원냉동사이클의 고온부와 저온부에 사용되어 왔던 프레온계 냉매는 지구온난화와 오존층 파괴로 인해 사용이 제한되어 있기 때문에, 이에 대한 대체 냉매로 ethanol, R717(암모니아), R1270(프로필렌), R290(프로판), R744 (이산화탄소)와 같은 자연냉매(Natural refrigerant)들이 거론되고 있다.
참고문헌 (8)
S. Sawalha, Using CO2 in supermarket refrigeration. ASHRAE J. Vol. 47, No. 8, 26-30, 2005.
I. Wilson and D. Maier, 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, 2006.
S. N. Park and M. S. Kim, Performance of autocascade refrigeration system using carbon dioxide and R134a, Korea J. of Air-Conditioning and Refrigeration Eng., Vol. 11, No. 6, pp. 880-890, 1999.
C. Chaichana, L. Aye and W.W.S. Charters, 2003. Natural working fluids for solar-boosted heat pumps. Int. J. Refrigeration 26, 637-643, 2003.
T. S. Lee, C. H. Liu and T. W. Chen, Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems. Int. J. Refrigeration 29, 1100-1108, 2006.
S. Bhattacharyya, S. Mukhopadhyay, A. Kumar, R. K. Khurana and J. Sarkar, Optimization of a CO2-C3H8 cascade system for refrigeration and heating. Int. J. Refrigeration 28, 1284-1292, 2005.
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