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문제 정의
- 본 연구에서는 자동차 공조기의 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방 조건을 모사하기 위해 다음과 같은 두 조건에서 데이터를 취하였다.
- 본 연구에서는 지금까지 대부분의 자동차 공조기의 냉매로 사용되어 온 R134a를 대체하기 위해 새로 개발된 R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 냉방 및 난방 성능을 측정하였다. 연구 목표를 달성하기 위해 실제 자동차 공조기용 압축기를 장착한 벤치 테스터를 제작하고 여름철 냉방 및 겨울철 난방 조건에서 R134a 및 R1234yf/R134a 대체 혼합냉매의 성능을 측정하였고 이를 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 지금까지 자동차 공조기의 냉매로 사용되어 온 R134a를 대체할 수 있는 새로운 대체냉매인 R1234yf와 R1234yf에 소량의 R134a를 혼합한 R1234yf/R134a 혼합냉매의 성능을 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방 조건에서 측정하고 그 결과를 기존의 R134a의 성능과 비교하여 분석하려 한다.
제안 방법
- 증발기 및 응축기의 용량을 결정하기 위해서는 각 열교환기로 흐르는 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정해야 한다. 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 또한 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보기 위해 압축기의 흡입온도와 토출온도도 측정하였다.
- R1234yf의 문제 중 하나로 떠오르는 가연성을 낮추기 위해서는 비가연성 냉매를 혼합해야 하며 본 연구에서는 이를 위해 R134a를 소량 혼합한 R1234yf/R134a 혼합냉매의 성능을 측정하였다. Table 3에서 볼 수 있듯이 R134a의 양이 10% 미만인 경우 R1234yf/R134a 혼합냉매의 지구 온난화 지수는 150이하가 되어 2011년부터 적용되는 유럽 연합의 환경 기준을 만족시킬 수 있다.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 응축기 출구에 유리로 된 가시화 장치(Sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다. 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 데이터 로깅 시스템(HP3852A)을 상호 연결하여 수집하였으며, 이렇게 수집한 데이터는 PC의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 또한 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보기 위해 압축기의 흡입온도와 토출온도도 측정하였다.
- 그리고 열교환기의 물 측 입구에는 필터를 설치하여 물 속에 섞여 있을 지도 모르는 불순물을 제거하였다. 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3 mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고, 그 위에 25 mm 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50 mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 본 연구에서는 개방형 왕복동식 압축기(HCC/FORD의 FS10)를 사용하는 히트펌프 벤치 테스터에서 R134a와 R1234yf 그리고 R1234yf에 R134a를 질량 기준 성분비로 5, 10, 15%로 혼합한 R1234yf/R134a 혼합냉매의 냉방 및 난방 성능을 여름과 겨울의 일반적인 자동차 운행 조건에서 측정하였다. 본 결과에서는 모든 냉매에 대해 최소한 두 번씩 반복 실험을 수행해서 편차가 1% 미만이 되는 것만을 데이터로 제시했다. Table 4는 본 연구에서 실험한 냉매들의 몇몇 주요 성능 변수를 보여 준다.
- 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3 mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고, 그 위에 25 mm 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50 mm 두께의 유리섬유로 덮었다.
- 이러한 장점과 더불어 가장 중요한 것은 R1234yf/R134a의 가연성이 R1234yf보다 낮다는 점이다. 본 연구에서는 ASHRAE 규정에 따라 R1234yf와 10% R134a를 첨가한 혼합냉매의 희박 가연 한계(Lower flammability limit, LFL)를 측정하였다. 가연성 측정 장치 및 방법 등에 대해서는 Park et al.
- 본 연구에서는 각각의 실험 조건에 대하여 응축기 출구의 과냉도가 5℃가 되었을 경우의 냉매 충전량을 적정 충전량으로 결정하였다. Table 4에서 볼 수 있듯이 R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 충전량은 R134a에 비해 최대 11%까지 감소하였다.
- 본 연구에서는 개방형 왕복동식 압축기(HCC/FORD의 FS10)를 사용하는 히트펌프 벤치 테스터에서 R134a와 R1234yf 그리고 R1234yf에 R134a를 질량 기준 성분비로 5, 10, 15%로 혼합한 R1234yf/R134a 혼합냉매의 냉방 및 난방 성능을 여름과 겨울의 일반적인 자동차 운행 조건에서 측정하였다. 본 결과에서는 모든 냉매에 대해 최소한 두 번씩 반복 실험을 수행해서 편차가 1% 미만이 되는 것만을 데이터로 제시했다.
- 본 연구에서는 기준 냉매인 R134a와 새 냉매인 R1234yf 그리고 R1234yf에 질량 기준 5, 10, 15%의 R134a를 혼합한 R1234yf/R134a 혼합냉매의 성능을 실험으로 측정하였다.
- 3536 m2이다. 사용된 이중관 열교환기의 내관으로 2차 유체가 흐르도록 하였으며, 냉매는 내관과 외관 사이의 환상공간으로 흐르게 하였고, 열교환을 극대화시키기 위하여 대향류가 되도록 제작하였다. 냉동 사이클의 특성상 응축기 압력은 20～25기압까지 올라갈 수 있기 때문에 이 같은 고압에서도 시스템이 견딜 수 있도록 하기 위해 모든 접합부는 은납 용접봉을 사용하여 용접하였다.
- 본 연구에서는 지금까지 대부분의 자동차 공조기의 냉매로 사용되어 온 R134a를 대체하기 위해 새로 개발된 R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 냉방 및 난방 성능을 측정하였다. 연구 목표를 달성하기 위해 실제 자동차 공조기용 압축기를 장착한 벤치 테스터를 제작하고 여름철 냉방 및 겨울철 난방 조건에서 R134a 및 R1234yf/R134a 대체 혼합냉매의 성능을 측정하였고 이를 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 위의 연구 목표를 달성하기 위해 본 연구에서는 냉매와 물이 대향류를 이루며 이동하면서 외부 조건을 균일하게 맞추어 줄 수 있는 히트펌프 벤치 테스터 장비를 설계/제작하여 기준 냉매 및 대체냉매의 냉동용량, 성능계수, 압축기 토출온도 등을 측정하고 비교, 분석하였다. Fig.
- 본 실험 장치의 압축기로는 실제 자동차 공조기용 압축기로 개발된 개방형 왕복동식 압축기(HCC/FORD의 FS10)를 전기 모터와 인버터에 연결하여 사용하였다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 응축기 출구에 유리로 된 가시화 장치(Sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 점도나 밀도 등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 ±0.2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다.
- 증발기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 40개 이상의 T-type 열전대를 열교환기 연결 부위의 냉매와 물이 흐르는 관 속에 삽입하였고 모든 열전대는 사용에 앞서 정도 ±0.01℃의 정밀 온도계로 보정하였다.
- 증발기와 응축기의 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고 정도가 ±0.1% 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매 측 압력을 측정하였다.
- 한편 압축기 소요 동력은 정도가 ±0.5% 미만인 정밀 전력적산계(Wattmeter)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비로 40% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다. 그리고 열교환기의 물 측 입구에는 필터를 설치하여 물 속에 섞여 있을 지도 모르는 불순물을 제거하였다.
- 본 실험 장치의 압축기로는 실제 자동차 공조기용 압축기로 개발된 개방형 왕복동식 압축기(HCC/FORD의 FS10)를 전기 모터와 인버터에 연결하여 사용하였다. 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉되었는지 여부를 확인하기 위해 응축기 출구에 유리로 된 가시화 장치(Sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어(Filter dryer)를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다.
- 본 실험에서 증발기 및 응축기로 사용한 열교환기는 내경 19.0 mm, 외경 25.4 mm, 길이 740 mm의 이중관형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. Fig.
- 본 연구에서는 가능한 한 기존의 압축기나 윤활유를 바꾸지 않아도 되는 ‘Drop-in’ 냉매를 선정하는데 초점을 맞추었으므로 기존의 R134a 공조기 시스템에 사용되어 온 PAG 오일을 그대로 사용했다.
- 증발기와 응축기의 총 길이는 각각 5.92 m이며 내 벽면을 기준으로 한 열교환기의 면적은 각각 0.3536 m2이다.
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비로 40% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다.
데이터처리
- 7% 정도로 나타났다. 또한 동일 조건에서 5회 이상 실험을 수행하여 데이터의 평균값을 사용하여 실험 결과를 분석하였다.
이론/모형
- REFPROP에 들어가는 유체 정보는 Zilio et al.(6)이 개발한 것을 사용하였다.
- 혼합냉매의 종류와 조성에 따라 변하는 GTD는 혼합냉매의 비등이 시작되는 점과 끝나는 점간의 온도 차를 뜻한다. 본 연구에서는 미국 표준연구소의 REFPROP(9)을 이용하여 R1234yf/R134a 혼합냉매의 GTD를 계산하였다. REFPROP에 들어가는 유체 정보는 Zilio et al.
- 측정에 따른 실험 데이터의 불확실성은 Kline and McClintock(8)이 제안한 오차 파급 방법을 이용하여 예측하였으며 결과를 Table 1에 나타내었다. 성능계수와 냉동용량의 측정에 따른 실험 데이터의 불확실성은 각각 1.
성능/효과
- (1) R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 성능계수는 냉방의 경우 R134a에 비해 3.9% 정도까지 낮은 것으로 나타났고 난방의 경우에는 거의 비슷한 것으로 나타났다.
- (2) R1234yf의 용량은 냉방 및 난방 두 조건에서 R134a에 비해 4.0% 정도까지 낮은 것으로 나타났다. 한편 R1234yf/R134a 혼합냉매의 용량은 R134a와 비슷하거나 3.
- (3) R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 압축기 토출온도는 R134a에 비해 4.1~6.7℃ 정도 낮으므로 시스템의 안정성과 신뢰성에 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.
- (3) 팽창밸브를 조절하여 과열도를 5℃로 맞추고 과 냉도는 냉매를 충전량을 증가시켜서 5℃를 유지하게 한다.
- (4) R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 충전량은 R134a에 비해 최대 11%까지 감소하였다.
- 이는 R1234yf의 밀도가 R134a보다 작기 때문으로 사료된다.(5) 또한 R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매의 지구 온난화 지수는 R134a와 비교해 매우 작은 편이므로 시스템에서 누출이 생겨도 냉매 자체의 직접적인 지구 온난화 효과는 크지 않을 것으로 판단된다.
- (5) 본 연구에서 실험한 90%R1234yf/10%R134a 혼합냉매는 순수 R1234yf에 비해 가연성도 낮고 기존의 R134a 시스템과의 호환성도 좋으며 환경 지수도 유럽 연합의 강제 규정을 맞출 수 있으므로 장기적으로 R134a를 대체하는 데 좋을 것으로 사료된다.
- (5) 시스템이 60분 이상 정상 상태를 유지할 때 30초 간격으로 30분 이상 데이터를 취한다.
- 2009년에 Zilio et al.(6)은 자동차 공조기 조건에서 R1234yf와 R134a에 대한 열역학 사이클 시뮬레이션 분석을 수행하여 성능계수와 냉동용량을 계산하고 R1234yf의 성능이 R134a에 비해 2～4% 정도 낮다는 것을 발표하였다. 그러나 R1234yf를 실제 히트펌프 벤치 테스터에 충전하여 여름과 겨울 조건에서 냉방 및 난방 성능을 살펴본 연구는 부족한 상태이며 또한 R1234yf의 가연성을 줄이기 위한 연구도 필요하다.
- 5%로 나타났다. 따라서 90%R1234yf/10%R134a 혼합냉매의 가연성은 순수 R1234yf보다 낮아서 시스템 내에서의 위험성이 줄어들 것으로 예상된다. 이런 점들을 고려할 때 90%R1234yf/10%R134a 혼합냉매는 여러 면에서 순수 R1234yf에 비해 좋은 냉매라 할 수 있다.
- LFL은 가연성을 나타내는 지표로 이 값이 낮을수록 가연성이 크다. 본 연구에서 측정한 순수 R1234yf와 90%R1234yf/10%R134a 혼합냉매의 LFL은 각각 6.8%와 7.5%로 나타났다. 따라서 90%R1234yf/10%R134a 혼합냉매의 가연성은 순수 R1234yf보다 낮아서 시스템 내에서의 위험성이 줄어들 것으로 예상된다.
- 이 제안한 오차 파급 방법을 이용하여 예측하였으며 결과를 Table 1에 나타내었다. 성능계수와 냉동용량의 측정에 따른 실험 데이터의 불확실성은 각각 1.8~2.7%, 1.9~2.7% 정도로 나타났다. 또한 동일 조건에서 5회 이상 실험을 수행하여 데이터의 평균값을 사용하여 실험 결과를 분석하였다.
- (6)의 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 일치한다. 이 결과로 미루어 볼 때 R1234yf와 R1234yf/R134a 혼합냉매는 시스템의 장기 안정성과 내구성에 큰 문제를 일으키지 않을 것으로 사료된다.
후속연구
- R1234yf의 오존층 파괴지수는 0이며 지구 온난화 지수는 4로 R134a의 지구 온난화 지수인 1430과 비교해 매우 낮다.(4) 비록 R1234yf의 환경 지수는 좋지만 냉매 자체가 약한 가연성을 띄고 있어서 앞으로 이에 대한 대책이 마련되어야 한다.
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