본 논문은 압축기 인버터 주파수 제어에 따른 CO2용 수냉식열펌프의 성능 특성에 대해서 실험적으로 조사하였다. 실험장치는 압축기, 가스냉각기, 팽창밸브, 증발기, 내부 열교환기, 수액기로 구성된다. 실험장치에 사용된 모든 열교환기는 동관으로 제작된 이중관식 대향류형이다. 가스냉각기와 증발기는 2.4 m인 소시험부 6개와 4개로 각각 구성된다. 실험결과를 요약하면, 우선 증발기와 가스냉각기의 입구온도와 냉매유량이 일정한 조건하에서 압축기 인버터 주파수가 증가할수록 압축비와 토출압력이 증가한다. 또한 인버터 주파수가 증가할수록 난방능력과 압축일량은 증가하는 반면 성능계수는 감소한다. 그리고 증발기 입구 2차유체의 온도가 $15^{\circ}C$에서 $25^{\circ}C$로 증가함에 따라 압축비와 압축일량은 감소하지만 질량유량, 난방능력, 성능계수는 증가한다. 위의 이러한 경향은 종래의 프레온계 냉매 시스템의 성능 변화와 유사하다.
본 논문은 압축기 인버터 주파수 제어에 따른 CO2용 수냉식 열펌프의 성능 특성에 대해서 실험적으로 조사하였다. 실험장치는 압축기, 가스냉각기, 팽창밸브, 증발기, 내부 열교환기, 수액기로 구성된다. 실험장치에 사용된 모든 열교환기는 동관으로 제작된 이중관식 대향류형이다. 가스냉각기와 증발기는 2.4 m인 소시험부 6개와 4개로 각각 구성된다. 실험결과를 요약하면, 우선 증발기와 가스냉각기의 입구온도와 냉매유량이 일정한 조건하에서 압축기 인버터 주파수가 증가할수록 압축비와 토출압력이 증가한다. 또한 인버터 주파수가 증가할수록 난방능력과 압축일량은 증가하는 반면 성능계수는 감소한다. 그리고 증발기 입구 2차유체의 온도가 $15^{\circ}C$에서 $25^{\circ}C$로 증가함에 따라 압축비와 압축일량은 감소하지만 질량유량, 난방능력, 성능계수는 증가한다. 위의 이러한 경향은 종래의 프레온계 냉매 시스템의 성능 변화와 유사하다.
The performance characteristics of water-chilling heat pump using CO2 for the control of inverter frequency was investigated experimentally. An experimental apparatus is consisted of a compressor, a gas cooler, an expansion valve, an evaporator and a liquid receiver. All heat exchangers used in the ...
The performance characteristics of water-chilling heat pump using CO2 for the control of inverter frequency was investigated experimentally. An experimental apparatus is consisted of a compressor, a gas cooler, an expansion valve, an evaporator and a liquid receiver. All heat exchangers used in the test rig are counter flow type heat exchangers with concentric dual tubes, which are made of copper. The gas cooler and the evaporator consist of 6 and 4 straight sections respectively arranged in parallel, each has 2.4m length. The experimental results summarize as the following: for constant inlet temperature of evaporator and gas cooler, as mass flow rate, compression ratio and discharge pressure increases with the inverter frequency. And heating capacity and compressor work increases, but coefficient of performance(COP) decreases with the inverter frequency of compressor. As inlet temperature of secondary fluid in the evaporator increases from $15^{\circ}C$ to $25^{\circ}C$, compression ratio and compressor work decreases, but mass flow rate, heating capacity and COP increases with the inverter frequency of compressor. The above tendency is similar with performance variation with respect to the variation of inverter frequency in the conventional vapor compression refrigeration cycle.
The performance characteristics of water-chilling heat pump using CO2 for the control of inverter frequency was investigated experimentally. An experimental apparatus is consisted of a compressor, a gas cooler, an expansion valve, an evaporator and a liquid receiver. All heat exchangers used in the test rig are counter flow type heat exchangers with concentric dual tubes, which are made of copper. The gas cooler and the evaporator consist of 6 and 4 straight sections respectively arranged in parallel, each has 2.4m length. The experimental results summarize as the following: for constant inlet temperature of evaporator and gas cooler, as mass flow rate, compression ratio and discharge pressure increases with the inverter frequency. And heating capacity and compressor work increases, but coefficient of performance(COP) decreases with the inverter frequency of compressor. As inlet temperature of secondary fluid in the evaporator increases from $15^{\circ}C$ to $25^{\circ}C$, compression ratio and compressor work decreases, but mass flow rate, heating capacity and COP increases with the inverter frequency of compressor. The above tendency is similar with performance variation with respect to the variation of inverter frequency in the conventional vapor compression refrigeration cycle.
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문제 정의
[1,2] 특히, CO2 열펌프은 최적의 운전조건에서 작동할 수 있는 제어시스템의 설계가 필요하다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 시스템을 안정적으로 운전할 수 있도록 팽창밸브의 최적제어 시스템을 장착하는 것이다.
따라서, 본 논문은 CO2용 수냉식 열펌프 시스템의 최적설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 구성된 CO2용 열펌프 장치를 제작하여, 압축기 인버터 주파수 제어에 따른 사이클 특성을 실험적으로 고찰하여 파악하고자 한다.
용 수냉식 열펌프 시스템의 최적설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 구성된 CO2용 열펌프 장치를 제작하여, 압축기 인버터 주파수 제어에 따른 사이클 특성을 실험적으로 고찰하여 파악하고자 한다.
제안 방법
2차 유체는 냉동유닛에서 일정온도로 유지되면, 냉각수 순환펌프를 가동하여 열교환기로 보낸다. 2차 유체의 질량유량 조절을 위해 냉각수 순환펌프를 인버터를 사용하여 제어하였다.
이와 동시에 냉매가 장치내로 원활히 유입될 수 있도록, 진공펌프를 사용하여 장치 내를 진공으로 만든다. 그리고 수액기에 부착된 충전밸브(charging valve)로 냉매를 충전한 후, 압축기를 가동하여 냉매를 유동시켰다. 2차 유체는 냉동유닛에서 일정온도로 유지되면, 냉각수 순환펌프를 가동하여 열교환기로 보낸다.
본 실험에서, 팽창장치의 개도는 내부 열교환기와 증발기 출구 과열도를 맞추어 주기 위해 조절하였고, 2차 유체의 입구조건은 각각의 실험 조건에 맞게 일정하게유지시켰으며, 각 상태의 냉매 온도는 실험조건에 따라변화시켰다. 15분 동안에 온도 측정 변이가 ±0.
실험은 장치 내에 CO2 냉매를 충전하기 전에 장치의 기밀시험을 하기 위해서 공기압축기를 이용하여 고압의 질소를 200 bar까지 장치내로 주입시킨다. 하루 동안 누설검사를 하고, 이상이 없을 경우 진공펌프를 사용하여 장치 내 잔류 불 응축가스를 제거한다.
식 (1)의 난방용량과 전력계로 직접 측정한 압축기 소요동력으로, COPheating는 COPheating= Qgc/W와 같이 계산된다. 실험의 타당성을 검증하기 위해서 가스냉각기의 열평형(EB)을 계산하였다. 열평형은 증발기와 가스냉각기 내 2차 유체 입출구 온도차와 냉매의 엔탈피차를 이용한 식 (1)~(2)로부터 식 (3)과 같이 정의된다.
증발기, 가스냉각기, 내부 열교환기의 입출구 냉매온도는 T형 열전대를 사용하여 측정하였다. 압력을 측정하기 위해 증발기, 가스냉각기, 내부 열교환기의 입구와 출구에 압력 센서와 차압계를 설치하였다.
수액기를 나온 냉매액은 질량유량계를 거쳐 팽창밸브를 통과하게 된다. 이때, 질량유량계를 이용하여 냉매의 유량과 밀도를 측정하고 CO2의 상태량을 확인한다. 팽창밸브를 통과한 냉매액은 증발기로 유입되어 냉수와 열교환한 후 내부 열교환기로 들어간다.
열펌프 시스템의 성능 실험조건은 표 1에 나타낸 것처럼, 가스냉각기 내 2차 유체의 입구온도와 질량유량은 각각 20~30℃와 60 g/s, 그리고 증발기 내 2차 유체의 입구 온도와 질량유량은 각각 15~25℃와 110 g/s로 일정하게 유지하였다. 팽창밸브의 개도를 조절하여 내부 열교환기와 증발기 출구의 과열도를 각각 10℃와 5℃로 맞추어서 실험하였다.
대상 데이터
CO2 냉매용 열교환기는 증발기, 가스냉각기, 내부열교환기로 구분되며, 증발기와 가스냉각기 내관의 내경은 7.75 mm와 외경 9.53 mm인 동관을 사용하였으며, 냉각수와 브라인의 외관 내경은 26 mm와 외경 28.5 mm인 동관이다. U-밴드 부분을 제외한 증발기와 가스냉각기의 전체길이는 각각 14,400 mm와 9,600 mm 이다.
5 mm인 동관이다. U-밴드 부분을 제외한 증발기와 가스냉각기의 전체길이는 각각 14,400 mm와 9,600 mm 이다. 본 실험에 사용된 내부열교환기는 내관 내경은 7.
U-밴드 부분을 제외한 증발기와 가스냉각기의 전체길이는 각각 14,400 mm와 9,600 mm 이다. 본 실험에 사용된 내부열교환기는 내관 내경은 7.75 mm, 외관(셀) 내경은 2.6 mm의 동관으로 제작된 이중관식이다. 증발기, 가스냉각기, 내부 열교환기의 입출구 냉매온도는 T형 열전대를 사용하여 측정하였다.
그림 1은 본 연구에서 사용된 실험 장치를 나타낸 것이다. 실험장치는 냉매 순환루프와 열원수 순환루프로 구성되어 있으며, 각각 압축기와 냉각수 펌프에 의하여 순환되는 강제순환루프이다. 냉매 순환루프는 밀폐형 압축기(1.
6 mm의 동관으로 제작된 이중관식이다. 증발기, 가스냉각기, 내부 열교환기의 입출구 냉매온도는 T형 열전대를 사용하여 측정하였다. 압력을 측정하기 위해 증발기, 가스냉각기, 내부 열교환기의 입구와 출구에 압력 센서와 차압계를 설치하였다.
이론/모형
CO2의 열물성치는 NIST에서 개발한 냉매물성계산 프로그램인 REFPROP[8]를 이용하였고, CO2 열펌프 시스템의 성능 특성을 파악하기 위한 실험 데이타 분석에는 다음과 같은 수식을 이용하였다. 열펌프 시스템의 성능을 예측하는데 있어서 가스냉각기와 증발기의 난방용량과 냉방용량, 그리고 압축기 소비전력은 중요한 인자이다.
성능/효과
(1) 압축기 인버터 주파수가 증가할수록 냉매 유량, 압축비, 토출압력은 증가한다. 냉매 유량의 증가 비율은 압축기 회전수가 증가할수록 감소하는데, 이는 압축기 흡입압력 감소에 따른 흡입 냉매 밀도와 압축기 효율이 감소하기 때문이다.
(2) 압축기 주파수가 증가할수록 난방용량과 압축일량이 증가하는 반면 성능계수가 감소한다. 이에 대한 주된 이유는 압력비와 냉매유량 증가에 따른 압축일 증가율에 비해, 냉매유량 증가에 따른 난방용량 증가율이 상대적으로 작기 때문이고, 부차적인 이유를 들자면 증가된 압력비와 냉매유량에 의한 시스템의 압력강하 증가도 원인으로 작용하게 된다.
(3) 증발기 내 2차 유체 입구온도가 15 ℃에서 25 ℃ 로 증가할수록 증발기 압력이 상승하여 압축비가 감소하고, 압축기 입구 냉매의 밀도가 높아져서 냉매 유량이 증가하게 된다. 그리고 이때 압축기 입구 냉매 밀도의 증가에 의해 압축기 체적효율이 상승하여 냉매유량은 증가하고 압축비가 감소하여 압축기 소요동력은 감소한다.
실험 전반에 걸쳐서 열평형은 ± 5% 이내에서 좋은 일치를 보였고, 허용 가능한 오차범위 내에서 열평형을 이루는 것을 확인할 수 있었다.
팽창밸브 개도 제어에 따른 CO2 열펌프 시스템의 성능 실험조건은 표 1에 나타낸 것처럼, 가스냉각기 내 2차 유체의 입구온도와 질량유량은 각각 20~30℃와 60 g/s, 그리고 증발기 내 2차 유체의 입구 온도와 질량유량은 각각 15~25℃와 110 g/s로 일정하게 유지하였다. 팽창밸브의 개도를 조절하여 내부 열교환기와 증발기 출구의 과열도를 각각 10℃와 5℃로 맞추어서 실험하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2 열펌프 시스템은 어떻게 작동되는가?
CO2 열펌프 시스템은 CO2의 낮은 임계온도(31.1℃)와 높은 임계압력(7.38 MPa)때문에 고압측(가스냉각 압력)이 임계 영역 이상에서 운전되는 초임계 사이클로 작동된다. 이로 인해 기존의 아임계 사이클보다도 열역학적 성능이 낮은 것으로 나타난다.
CO2 열펌프는 어떤 것이 필요한가?
이로 인해 기존의 아임계 사이클보다도 열역학적 성능이 낮은 것으로 나타난다.[1,2] 특히, CO2 열펌프은 최적의 운전조건에서 작동할 수 있는 제어시스템의 설계가 필요하다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 시스템을 안정적으로 운전할 수 있도록 팽창밸브의 최적제어 시스템을 장착하는 것이다.
본 연구에서 CO2를 이용한 수냉식 열펌프 시스템의 최적 설계를 위해서 압축기 주파수 제어에 따른 성능 특성에 대한 실험의 결과는?
(1) 압축기 인버터 주파수가 증가할수록 냉매 유량, 압축비, 토출압력은 증가한다. 냉매 유량의 증가 비율은 압축기 회전수가 증가할수록 감소하는데, 이는 압축기 흡입압력 감소에 따른 흡입 냉매 밀도와 압축기 효율이 감소하기 때문이다.
(2) 압축기 주파수가 증가할수록 난방용량과 압축일량이 증가하는 반면 성능계수가 감소한다. 이에 대한 주된 이유는 압력비와 냉매유량 증가에 따른 압축일 증가율에 비해, 냉매유량 증가에 따른 난방용량 증가율이 상대적으로 작기 때문이고, 부차적인 이유를 들자면 증가된 압력비와 냉매유량에 의한 시스템의 압력강하 증가도 원인으로 작용하게 된다.
(3) 증발기 내 2차 유체 입구온도가 15 ℃에서 25 ℃ 로 증가할수록 증발기 압력이 상승하여 압축비가 감소하고, 압축기 입구 냉매의 밀도가 높아져서 냉매 유량이 증가하게 된다. 그리고 이때 압축기 입구 냉매 밀도의 증가에 의해 압축기 체적효율이 상승하여 냉매유량은 증가하고 압축비가 감소하여 압축기 소요동력은 감소한다. 따라서 난방용량은 증가하는 반면, 압축기 소요동력은 감소하여 성능 계수는 증가한다.
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