본 논문은 암모니아-이산화탄소용 이원 냉동시스템의 작동변수에 대한 최적의 설계자료를 제공하고자 이원 냉동시스템의 사이클 성능을 분석하였다. 작동변수로는 암모니아용 고온사이클과 이산화탄소용 저온사이클내의 과냉각도와 과열도, 압축기효율, 응축과 증발온도이다. 이에 대한 주요결과를 요약하면 다음과 같다. 이원 냉동사이클의 과냉도가 증가할수록 COP는 증가하는 반면 과열도가 증가할수록 COP는 감소하는 것을 알 수 있다. 이원 냉동사이클의 응축온도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하는 반면 증발온도가 증가할수록 COP가 감소함을 알 수 있다. 또한, 이원 냉동사이클의 압축효율이 증가할수록 COP가 증가한다. 따라서, 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들이 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 COP에 영향을 미친다.
본 논문은 암모니아-이산화탄소용 이원 냉동시스템의 작동변수에 대한 최적의 설계자료를 제공하고자 이원 냉동시스템의 사이클 성능을 분석하였다. 작동변수로는 암모니아용 고온사이클과 이산화탄소용 저온사이클내의 과냉각도와 과열도, 압축기효율, 응축과 증발온도이다. 이에 대한 주요결과를 요약하면 다음과 같다. 이원 냉동사이클의 과냉도가 증가할수록 COP는 증가하는 반면 과열도가 증가할수록 COP는 감소하는 것을 알 수 있다. 이원 냉동사이클의 응축온도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하는 반면 증발온도가 증가할수록 COP가 감소함을 알 수 있다. 또한, 이원 냉동사이클의 압축효율이 증가할수록 COP가 증가한다. 따라서, 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들이 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 COP에 영향을 미친다.
In this paper, cycle performance analysis of $NH_3-CO_2$(R717-R744) two-stage cascade refrigeration system 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, ...
In this paper, cycle performance analysis of $NH_3-CO_2$(R717-R744) two-stage cascade refrigeration system 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, compressor efficiency, and condensing and evaporating temperature in the ammonia(R717) high temperature cycle and the carbon dioxide low temperature cycle. The main results were summarized as follows : The COP of two-stage cascade refrigeration system increases with the increasing subcooling degree, but decreases with the increasing superheating degree. The COP of two-stage cascade refrigeration system decreases with the increasing condensing temperature, but increases with the increasing evaporating temperature. And the COP of two-stage cascade refrigeration system increases with increasing the compressor efficiency. Therefore, superheating and subcoolng degree, compressor efficiency, and evaporating and condensing temperature of $NH_3-CO_2$(R717-R744) two-stage cascade refrigeration system have an effect on the COP of this system.
In this paper, cycle performance analysis of $NH_3-CO_2$(R717-R744) two-stage cascade refrigeration system 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, compressor efficiency, and condensing and evaporating temperature in the ammonia(R717) high temperature cycle and the carbon dioxide low temperature cycle. The main results were summarized as follows : The COP of two-stage cascade refrigeration system increases with the increasing subcooling degree, but decreases with the increasing superheating degree. The COP of two-stage cascade refrigeration system decreases with the increasing condensing temperature, but increases with the increasing evaporating temperature. And the COP of two-stage cascade refrigeration system increases with increasing the compressor efficiency. Therefore, superheating and subcoolng degree, compressor efficiency, and evaporating and condensing temperature of $NH_3-CO_2$(R717-R744) two-stage cascade refrigeration system have an effect on the COP of this system.
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문제 정의
하지만, 지금까지 R7 17과 R744를 적용한 이원 냉동사이 클에 대한 성능 분석에 대한 자료가 부족할 뿐만 아니라 정확한 이론이 확립되어 있지 않은 실정이 다. 따라서, 본 연구에서는 고온부에는 R717 냉매를, 저온부에는 R744 냉매를 적용한 이원 냉동사이 클의 성능에 미치는 인자들을 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 자연냉매를 적용한 이원 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver) 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R717 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
-50℃정도의 저온을 얻는데 사용되는 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 Table 3의 운전조건에서 살펴보았다.
Table 3에서 성능 분석 범위는 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 운전조건이다. Table 1 의 분석조건으로부터 Table 2~3의 수식과 열물성치 값을 계산하고 이렇게 나온 결과값을 이용하여 R717과 R744용 이원 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
이론/모형
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver) 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R717 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
성능/효과
1) 과열도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 감소하는 반면 과냉도는 COP가 증가함을 알 수 있었다.
2) 응축온도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하지만, 증발온도는 COP가 감소함을 확인할 수 있었다. 그리고, 압축기 압축효율은 증가할수록 냉동사이클의 COP는 증가하였다.
3) 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 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.
2) 응축온도가 증가할수록 이원 냉동사이클의 COP는 증가하지만, 증발온도는 COP가 감소함을 확인할 수 있었다. 그리고, 압축기 압축효율은 증가할수록 냉동사이클의 COP는 증가하였다.
2에서 저온과 고온사이클의 과열도가 증가할수록 성능계수는 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 2에서 알 수 있듯이, 일정한 과열도에서 고온사이클의 증발온도(Tcas,e)가 감소할수록 성능계수는 증가하다가 최대값을 가진 후 다시 감소하는 경향을 보인다. ΔTsuh =0, 10, 20℃ 인 경우, Tcas,e가 -21.
이는 Te가 증가할수록 Qe 와 WH이 거의 일정한 반면 WL가 감소하기 때문이다. 또한, Fig. 6에서 Te가 일정한 경우, Tcas,e가 감소할수록 COP는 거의 일정한 것으로 보이나 실제로는 COP가 증가하다가 최대값을 가진 후 다시 감소하고 증가하는 경향을 보인다. 그리고 Te=-30, -40, -50℃인 경우, Tcas,e가 -6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저온용 냉동시스템으로 어떤 것이 있는가?
냉동창고나 슈퍼마켓의 저온저장 식품인 어류 나 육류를 보관하기 위한 온도는 일반적으로 -30∼-50℃로, 이 저온까지 온도를 낮추고 유지하기 위해 서는 저온용 냉동시스템이 필요하다[1~2]. 일반적 으로 저온용 냉동장치에는 2단 또는 3단의 다단 압축 사이클이나 2개의 사이클을 이용한 이원 냉동 사이클이 있다[3]. 그러나 단일 냉매를 사용하는 다 단 왕복동식 증기 압축 냉동장치로 저온을 얻는데 한계가 있다.
프 레온계 냉매의 사용이 제한된 이유는?
그러므로 이런 경우 -30∼-50℃의 저온 을 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 열교환하 는 이원 냉동 사이클을 이용한다. 지금까지 이원냉 동사이클의 고온부와 저온부에 사용되어 왔던 프 레온계 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(Na- tural refrigerant)들이 거론되고 있다. 즉, 고온사이 클내에는 ethanol, R717, R1270, R290 등이, 저온사 이클내에는 R744 등이 고려되고 있다[4].
저온사이클에서 사용하는 고압냉매의 예로 어떤 것들이 있는가?
즉, 상당히 낮은 증발온도를 얻으려면 압축비가 너무 커지고 압축효율과 성능계수 등이 저하된다. 그러므로 이런 경우 -30∼-50℃의 저온 을 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 열교환하 는 이원 냉동 사이클을 이용한다. 지금까지 이원냉 동사이클의 고온부와 저온부에 사용되어 왔던 프 레온계 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(Na- tural refrigerant)들이 거론되고 있다.
참고문헌 (8)
Sawalha, S., 2005. Using $CO_{2}$ in supermarket refrigeration. ASHRAE J. 47 (8), 26-30, 2005.
Wilson, I. and Maier, D., 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.
Park, S. N. and Kim, M. S., 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.
Chaichana, C., Aye, L., Charters, W. W. S., Natural working fluids for solar-boosted heat pumps. Int. J. Refrigeration 26, 637-643, 2003.
Lee, T. S., Liu, C. H. and Chen, T. W., Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade condenser in $CO_{2}$ / $NH_{3}$ cascade refrigeration systems. Int. J. Refrigeration 29, 1100-1108, 2006.
Bhattacharyya, S., Mukhopadhyay, S., Kumar, A. and Khurana, R. K., Sarkar, J., Optimization of a $CO_{2}$ - $C_{3}H_{8}$ cascade system for refrigeration and heating. Int. J. Refrigeration 28, 1284-1292, 2005.
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