본 논문은 내부 열교환기를 가지는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 운전변수에 대한 최적의 설계를 위해서 냉동장치의 성능과 엑서지를 이론적으로 분석하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 과열도와 과냉각도, 내부 열교환기와 압축기 효율, 증발 및 응축온도 등이다. 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 캐스케이드 증발온도가 증가할수록 R404A용 고온사이클의 COP는 증가하는 반면에, R744용 저온사이클의 COP는 감소한다. 따라서 이러한 이유로 전체 캐스케이드 냉동사이클의 COP는 거의 일정하다. 또한 캐스케이드 증발온도가 증가할수록 R404A용 응축기와 압축기의 엑서지 손실이 가장 큰 것을 알 수 있다. 따라서 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 COP 향상을 위해서는 R404용 응축기와 압축이의 엑서지 손실을 줄여야만 한다.
본 논문은 내부 열교환기를 가지는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 운전변수에 대한 최적의 설계를 위해서 냉동장치의 성능과 엑서지를 이론적으로 분석하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 과열도와 과냉각도, 내부 열교환기와 압축기 효율, 증발 및 응축온도 등이다. 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 캐스케이드 증발온도가 증가할수록 R404A용 고온사이클의 COP는 증가하는 반면에, R744용 저온사이클의 COP는 감소한다. 따라서 이러한 이유로 전체 캐스케이드 냉동사이클의 COP는 거의 일정하다. 또한 캐스케이드 증발온도가 증가할수록 R404A용 응축기와 압축기의 엑서지 손실이 가장 큰 것을 알 수 있다. 따라서 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 COP 향상을 위해서는 R404용 응축기와 압축이의 엑서지 손실을 줄여야만 한다.
This paper describes an analysis on performance and exergy of R744-R404A cascade refrigeration system with internal heat exchanger to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, interna...
This paper describes an analysis on performance and exergy of R744-R404A cascade refrigeration system with internal heat exchanger to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, internal heat exchanger and compression efficiency, evaporation and condensation temperature in the R744 low- and R404A high- temperature cycle, respectively. The main results are summarized as follows : As the evaporation temperature of cascade heat exchanger increases, the COP of R404A high-temperature cycle increases. But the COP of R744 low-temperature cycle decreases, and the COP of total cascade cycle is almost constant. As cascade evaporation temperature increase, the exergy loss in the R404A condenser and the R744 internal heat exchanger is the largest and the lowest among all components, respectively. Therefore, the exergy loss in the condenser and compressor of R404A must be decreased to enhance the COP of R744-R404A cascade refrigeration system.
This paper describes an analysis on performance and exergy of R744-R404A cascade refrigeration system with internal heat exchanger to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, internal heat exchanger and compression efficiency, evaporation and condensation temperature in the R744 low- and R404A high- temperature cycle, respectively. The main results are summarized as follows : As the evaporation temperature of cascade heat exchanger increases, the COP of R404A high-temperature cycle increases. But the COP of R744 low-temperature cycle decreases, and the COP of total cascade cycle is almost constant. As cascade evaporation temperature increase, the exergy loss in the R404A condenser and the R744 internal heat exchanger is the largest and the lowest among all components, respectively. Therefore, the exergy loss in the condenser and compressor of R404A must be decreased to enhance the COP of R744-R404A cascade refrigeration system.
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문제 정의
R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 개략도와 상태점을 나타낸 Figure 1과 운전조건을 나타낸 Table 1과 2를 이용하여 T-s 선도와 P-h선도를 Figure 2와 Figure 3에 각각 나타내었다. Table 3의 분석범위로부터 Table 1과 2의 수식을 계산하고 이렇게 나온 결과값을 이용하여 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능과 엑서지에 영향을 미치는 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
따라서 본 연구에서는 저온냉동냉장설비용 시스템인 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 미치는 인자들을 파악 및 분석하고, 엑서지 손실의 분석을 통해 저온용 캐스케이드 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
지금까지 냉동냉장설비용 냉동시스템인 R744와 R404A 캐스케이드 냉동사이클의 성능특성과 각 구성기기에 대한 엑서지 분석에 대해서 살펴보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
· 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 엑서지 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[7] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온 사이클에는 R404A 냉매를, 저온 사이클에는 R744 냉매를 적용하고, 고온과 저온 사이클에 내부 열교환기를 부착한 캐스케이드 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 엑서지 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[7] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온 사이클에는 R404A 냉매를, 저온 사이클에는 R744 냉매를 적용하고, 고온과 저온 사이클에 내부 열교환기를 부착한 캐스케이드 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
위에서 언급한 가정을 토대로 각 사이클의 질량 유량, 압축 일량, 응축기와 케스캐이드 열교환기의 전열량, 엔트로피 발생율과 엑서지 손실율은 다음의 4가지 평형식으로부터 계산하였다.
즉, 과열도(내부열교환기 입구온도-증발기 혹은 캐스케이드 증발기 출구온도, △Tsuh·△Tsuh ,L·△Tsuh ,H)와 과냉도(응축기 혹은 캐스케이드 응축기 출구온도-내부열교환기 입구온도, △Tsuh·△Tsuh ,L·△Tsuh ,H)를 5℃로 하였다.
이론/모형
엑서지 손실은 대표적인 Guoy-Stodola 관계식[8]으로부터 다음과 같이 계산할 수 있다.
성능/효과
1. 캐스케이드 증발온도(Tcas,e)가 증가할수록 고온사이클의 성능계수가 증가하는 반면, 저온사이클의 성능계수는 감소하며, 전체 사이클의 성능계수는 거의 일정한 것으로 나타났다.
2. T cas,e의 변화에 상관없이 응축온도와 증발온도가 일정하기 때문에 COPCarnot는 일정하며, COPT도 일정하게 나타나기 때문에 COPratio는 일정하게 나타난다.
3. Tcas,e이 증가할수록 R404A용 고온사이클의 응축기 엑서지 손실이 가장 크며, R744용 저온사이클의 내부 열교환기 엑서지 손실이 가장 적은 것으로 나타났다. 따라서 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 R404A용 응축기내에서 발생하는 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.
R404A용 고온사이클의 각 구성기기 중에 캐스케이드 열교환기를 제외한 압축기, 응축기, 팽창밸브, 내부 열교환기의 엑서지 손실은 감소하였다. 반면에 R744용 저온사이클의 엑서지 변화는 증발기를 제외한 캐스케이드 열교환기, 내부 열교환기, 압축기, 팽창밸브에 대해서 증가하는 경향을 보였다.
)은 감소하는 경향을 보였다. 그리고 전체 사이클의 성능계수(COPT)는 위에서 언급한 고온과 저온사이클 성능계수의 관계로부터 거의 일정한 것으로 나타났다.
Figure 6에서 R404A용 고온사이클의 응축기 엑서지 손실이 가장 큰 반면에, R744용 저온사이클의 내부 열교환기 엑서지 손실이 가장 적은 것으로 나타났다. 대체적으로 고온과 저온사이클에 상관없이 응축기, 압축기, 캐스케이드 열교환기, 팽창밸브 순으로 나타났다. 본 논문에서 연구하고자 하는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 효율을 향상시키기 위해서는 엑서지 손실이 가장 큰 R404A용 응축기나 압축기에 대한 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.
그리고, COPH가 증가하는 이유는 Tcas,e이 증가할수록 고온사이클의 압축비가 감소하여 캐스케이드 증발열량(Qcas,e)은 일정한 반면 고온사이클의 압축일량(WH)이 감소하기 때문이다. 따라서 위에서 언급한 COPL과 COPH의 감소와 증가의 비율이 동일하여 캐스케이드 냉동사이클의 COPT는 거의 변화가 없는 것으로 나타난다.
R404A용 고온사이클의 각 구성기기 중에 캐스케이드 열교환기를 제외한 압축기, 응축기, 팽창밸브, 내부 열교환기의 엑서지 손실은 감소하였다. 반면에 R744용 저온사이클의 엑서지 변화는 증발기를 제외한 캐스케이드 열교환기, 내부 열교환기, 압축기, 팽창밸브에 대해서 증가하는 경향을 보였다. 그리고, 증발기는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
후속연구
대체적으로 고온과 저온사이클에 상관없이 응축기, 압축기, 캐스케이드 열교환기, 팽창밸브 순으로 나타났다. 본 논문에서 연구하고자 하는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 효율을 향상시키기 위해서는 엑서지 손실이 가장 큰 R404A용 응축기나 압축기에 대한 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.
본 시스템의 효율(성능계수)를 향상시키기 위해서는 반드시 각 구성품의 엑서지 손실을 파악해야 하며 이를 통해 엑서지 손실을 최소화하여 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클이 최대 효율(성능계수)을 나타낼 수 있도록 해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캐스케이드 냉동사이클이 저온을 얻는 방법은?
축기에서 소비되는 에너지가 많다. 따라서 이러한 이유로 저온냉동냉장설비용 냉동시스템으로는 독립된 2개의 저온과 고온 사이클이 서로 열교환하여 -50℃의 저온을 얻는 캐스케이드 냉동사이클을 사용하는 것이 유리하다.
다단증기 압축식 냉동사이클이 냉매 압력을 올리는 방법은?
대형냉동창고나 대형할인마트와 같은 냉동냉장설비에는 저온저장 식품을 보관하기 위해 저온용냉동시스템이 필요하다[1-2]. 이러한 냉동시스템에는 여러 대의 압축기를 이용하여 증발압력에서 응축압력까지 냉매 압력을 단계적으로 올리는 다단
저온냉동냉장설비용 냉동시스템에 캐스케이드 냉동사이클을 사용하는 것이 유리한 이유는 무엇인가?
증기 압축식 냉동사이클이 주로 사용되어 왔다[3]. 그러나 다단 증기 압축식 냉동장치는 주로 하나의 단일냉매를 사용하기 때문에 보다 낮은 저온을 얻는데 한계가 있다. 또한, 높은 압축비로 인해 저열원(증발기)에서 고열원(응축기)으로 열을 보내는데 압
축기에서 소비되는 에너지가 많다. 따라서 이러한 이유로 저온냉동냉장설비용 냉동시스템으로는 독립된 2개의 저온과 고온 사이클이 서로 열교환하여 -50℃의 저온을 얻는 캐스케이드 냉동사이클을 사용하는 것이 유리하다.
참고문헌 (8)
S., Sawalha, "Using $CO_{2}$ in supermarket refrigeration", ASHRAE J. vol. 47, no. 8, pp. 26-30, 2005.
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P. K. Bansal and S., Jain, Cascade systems: past, present, and future, ASHRAE Trans. vol. 113, no. 1, pp. 245-252, 2007.
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T. S. Lee, C. H. Liu and T. W. Chen, "Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in $CO_{2}/NH_{3}$ cascade refrigeration systems International", Journal of Refrigeration, vol. 29, pp. 1100-1108, 2006.
Darwin Rio Budi Syaka, Nasruddin, "Thermodynamics analysis of refrigerant selection in Cascade refrigeration system", Proceedings of 1st International Conference of Saving Energy in Refrigeration and Air- Conditioning, pp. 55-62, 2009.
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