선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 실험 장치의 압축기로는 개방형 왕복동식 압축기를 전기모터와 인버터에 연결하여 사용하였다. 비록 인버터로 속도를 변화시킬 수 있지만 앞서 말했듯이 본 실험의 목적은 동일한 시스템에서 R410A와 R410A의 조성을 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능을 비교하는 것이기 때문에 회전수(rpm)는 변화 없이 같은 조건에서 모든 실험을 수행하였다.
- 이렇게 냉동/공조 설비업체들이 직접 혼합냉매를 만들어 사용하는 경우에는 냉매 충전 시 정확한 비율로 R32와 R125가 충전되지 않아 시스템 성능이 R410A와 다르게 되거나 내부에 냉매가 완전히 제거되지 않은 상태에서 냉매를 재충전할 때 혼합 비율에 문제가 생길 수가 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 R410A 냉매를 중심으로 R32의 조성을 상하로 5% 간격으로 10%까지 변화시켜 가면서 동일한 시스템에서 성능을 측정하여 조성 변화에 따른 냉난방 특성을 여름철 냉방조건과 겨울철 난방조건 하에서 비교하려 한다.
제안 방법
- Kang et al.(12)은 R410A를 작동유체로 하는 동시냉난방 열펌프 시스템으로 냉방전용/냉방주체/난방전용/난방주체/전열회 수의 5가지 운전 모드 조건에서 각각의 COP와 용량을 구했다. 이를 통해 냉방주체 모드에서의 냉방 용량과 COP는 냉방전용 모드와 비슷했지만 난방용량은 냉방용량에 비해 40.
- 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입·출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉 되었는지 여부를 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치(Slight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다. 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비 30% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다.
- 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.
- 대체냉매의 특성을 실험적으로 연구하기 전에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 예측하고 분석, 검토하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 미국 표준 연구소(NIST)에서 개발한 증기 압축식 냉동 사이클 분석 프로그램인 Cycle-D(15)를 이용해 실험을 수행할 냉매의 성능계수(COP)와 토출 온도 및 소요 동력을 수치적으로 예측하였다. 분석 조건은 냉동 용량을 두 가지 온도조건에서 1냉동 톤(3.
- 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를 연결하여 Thermopile을 제작하였고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입·출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 또한 압축기의 안정성과 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보기 위해 압축기의 흡입온도와 토출 온도도 측정하였다. 증발기와 응축기의 입·출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고 정도가 ±3.
- 그리고 열교환기의 물 측 입구에는 필터를 설치하여 물속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다. 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열 교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3 mm 두께의 스펀지 테이프를 두겹으로 감고, 그 위에 25 mm 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두 의 유리섬유로 덮었다.
- 또한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에서 나오는 차가운 물을 서로 열 교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을 최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3 mm 두께의 스펀지 테이프를 두겹으로 감고, 그 위에 25 mm 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50mm 두 의 유리섬유로 덮었다.
- 본 연구에서는 3.5 kW급 열펌프를 제작하여 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방 조건 하에서 R32/R125 혼합냉매의 조성 변화에 따른 시스템 성능을 측정하였다. 모든 실험에서 냉매 측 및 2차 유체 측의 에너지 균형이 3～4% 이내에서 일치할 수 있도록 시스템을 보완한 상태에서 모든 데이터를 취했다.
- 본 연구에서는 각각의 실험조건에 대하여 응축기 끝부분의 과냉도와 증발기 끝부분의 과열도가 각각 5℃로 될 때의 충전량을 적정 충전량으로 결정하였으며 Table 4은 이 값들을 보여 준다. Table 4에서 볼 수 있듯이 여름철, 겨울철조건에서 HFC32/HFC125 혼합냉매의 충전량은 R410A와 비교했을 때 1.
- 본 연구에서는 먼저 기준 냉매로서 R32가 50% 함유된 R410A의 성능을 측정하고 HFC32와 HFC125를 혼합한 네 가지 근공비 혼합냉매의 성능을 측정하였다. Table 3은 본 연구에서 실험을 수행한 냉매들의 조성과 온도 구배(Gliding Temperature Difference, GTD)를 나타낸다.
- 본 연구에서는 현재 히트펌프에 사용되는 R410A (50%R32/50%R125)와 R410A에서 R32의 조성을 상하로 5% 간격으로 10%까지 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능계수, 용량, 토출 온도 등을 측정하였다. 이런 목표를 달성하기 위해 왕복동식 압축기가 장착된 수냉식 히트펌프 벤치테스터를 제작하였으며, 여름철과 겨울철의 히트펌프 실험 조건에서 두 냉매의 성능을 측정하고 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 연구에서는 미국 표준 연구소(NIST)에서 개발한 증기 압축식 냉동 사이클 분석 프로그램인 Cycle-D(15)를 이용해 실험을 수행할 냉매의 성능계수(COP)와 토출 온도 및 소요 동력을 수치적으로 예측하였다. 분석 조건은 냉동 용량을 두 가지 온도조건에서 1냉동 톤(3.5 kW)으로 고정하고 압축기 효율을 70%로 하여 실제 실증 실험에서의 조건과 유사하게 설정하였다. 열역학적 사이클 시뮬레이션은 실험을 수행하기 전에 실험 결과를 상대적으로 예측하기 위한 작업이므로 절대적인 수치는 큰 의미가 없고 변수에 따른 상대적인 변화량과 다양한 실험 결과의 경향성에 초점을 맞추어 분석하여야 한다.
- 3536 m2이다. 사용된 이중관 열교환기의 내관으로 2차 유체가 흐르도록 하였으며, 냉매는 내관과 외관 사이의 환상공간으로 흐르게 하였고, 열 교환을 극대화 시키기 위해 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 은 납을 사용하여 용접하였다.
- 위의 연구 목표를 달성하기 위해 본 연구에서는 냉매와 물이 대향류를 이루며 흐르며 외부 조건을 균일하게 맞추어 줄 수 있는 히트펌프 벤치 테스터 장비를 설계/제작하여 기준 냉매 및 대체냉매의 냉동 용량, 성능 계수, 압축기 토출 온도 등을 측정하고 비교, 분석하였다.
- 응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉 되었는지 여부를 확인하기 위해 유리로 된 가시화 장치(Slight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다.
- 본 연구에서는 현재 히트펌프에 사용되는 R410A (50%R32/50%R125)와 R410A에서 R32의 조성을 상하로 5% 간격으로 10%까지 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능계수, 용량, 토출 온도 등을 측정하였다. 이런 목표를 달성하기 위해 왕복동식 압축기가 장착된 수냉식 히트펌프 벤치테스터를 제작하였으며, 여름철과 겨울철의 히트펌프 실험 조건에서 두 냉매의 성능을 측정하고 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이를 위해 본 연구에서는 점도나 밀도 등 유체의 물성 값에 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 20개 이상의 T-type 열전대를 열교환기 연결부위의 냉매 및 물이 흐르는 관속에 삽입하였고, 모든 열전대들은 사용에 앞서 정도 ±0.01℃의 정밀 온도계로 보정하였다.
- 증발기와 응축기의 입·출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고 정도가 ±3.4 kPa 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매 측의 압력을 측정하였다.
- 한편 압축기 소요 동력은 정도가 ±0.5% 미만인 정밀 와트미터를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비 30% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다.
- (13)이 사용한 것과 비슷한 구조로 만들어졌다. 본 실험에서 증발기와 응축기로 사용한 열교환기는 내경 19.01 mm, 외경 25.4 mm, 길이 740 mm의 이중관 형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다.
- 압축기에 들어가는 윤활유는 냉매와 혼합되어 시스템 내부에서 순환하기 때문에 대체냉매의 성능평가 시 올바른 윤활유를 선정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 동일한 시스템에서 혼합냉매의 혼합 비율이 다르게 충전될 때의 성능을 알아보고자 하는 것이므로 압축기를 바꾸지 않고 윤활유도 기존에 사용되어 온 POE 오일을 그대로 사용하였다.
- 그리고 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다. 증발기의 2차 유체로는 에틸렌글리콜이 질량비 30% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을 사용하였고 응축기에는 물을 사용하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축기에는 칠러를 사용하였으며 증발기에는 히터를 사용하였다.
이론/모형
- Table 3은 본 연구에서 실험을 수행한 냉매들의 조성과 온도 구배(Gliding Temperature Difference, GTD)를 나타낸다. 실험을 수행한 혼합냉매의 물성치는 미국의 표준 연구소에서 개발한 REFP ROP 9.0(14)을 이용하여 구하였다.
성능/효과
- (1) 기준 냉매인 R410A에서 R32을 조성을 ±10% 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능계수는 R410A와 비교해 최대 1.9%의 차이를 보이므로 에너지 효율 측면에서 R410A의 조성 변화에 따른 차이는 거의 없을 것으로 보인다.
- (2) 실험에 사용된 HFC32/HFC125 혼합냉매의 소요 동력 역시 R410A와 비교하여 최대 1.7% 정도의 차이를 보였고 증기압이 높은 HFC32의 비율이 높을수록 소요 동력이 증가하였다.
- (3) 실험에 사용된 HFC32/HFC125 혼합냉매의 압축기 토출 온도는 R410A와 비교하여 최대 6.7℃의 차이를 보였으나 이 정도의 토출 온도 차이는 시스템의 수명이나 신뢰성에 영향을 미치지 않을 것으로 보인다.
- (4) HFC32/HFC125 혼합냉매의 냉매 충전량은 액체밀도가 작은 HFC32의 비율이 커질수록 소폭 감소하였다.
- (5) R410A와 R407C는 오존층 붕괴 지수(Ozone Depletion Potential, ODP)가 0으로 환경적인 측면에서 우수하다.
- 뿐만 아니라 동일 성능을 내기 위한 압축기 행정 체적이 30% 정도 줄어들어 장비의 소형화에 대한 잠재성과 시스템 효율이 향상될 가능성을 지니고 있어 매우 매력적이다.(6) R410A의 등엔트로피 효율은 HCFC22에 비해 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있지만 마찰의 감소 및 밀도의 증가로 인한 압력 손실의 감소가 등엔트로피 효율의 감소를 상쇄시킬 수 있으므로, 이 냉매를 사용하는 시스템의 효율은 HCFC22보다 클 것으로 전문가들은 추측하고 있다.(5, 7) 그러나 이 냉매의 증기압은 HCFC22의 증기압보다 60% 정도 높기 때문에 설비 제조업체들은 압축기의 재설계(소형화)와 관 벽의 두께 강화, 강인한 용접을 위한 고압 용기의 사용 등으로 인한 제조비용의 증가와 체적용량의 증대로 인한 제조비용의 감소가 어떻게 경제적으로 서로 상쇄될 수 있는가를 연구하여 이 대체냉매의 사용을 결정해야만 한다.
- 4은 Cycle-D(15)를 이용해 분석한 결과를 보여준다. 결과에서 확인할 수 있듯이 R410A의 조성을 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능계수는 R410A와 거의 동일한 값을 보였다. 한편 압축기 토출 온도는 HFC32의 비율이 높아질수록 소폭 증가하는 경향을 보였다.
- 7% 차이를 보였다. 또한 HFC32의 비율이 증가할수록 소요 동력이 증가하는 경향을 보였다. 이는 HFC32의 비율이 높아질수록 혼합냉매의 증기압이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 5 kW급 열펌프를 제작하여 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방 조건 하에서 R32/R125 혼합냉매의 조성 변화에 따른 시스템 성능을 측정하였다. 모든 실험에서 냉매 측 및 2차 유체 측의 에너지 균형이 3～4% 이내에서 일치할 수 있도록 시스템을 보완한 상태에서 모든 데이터를 취했다. 또한 각 실험조건에 대해서 최소한 2번씩 반복해서 동일한 실험을 수행하였으며 편차가 1% 미만일 때만 적합한 데이터로 간주하였다.
- 7℃의 변화를 보였다. 열역학 모사 결과와 마찬가지로 실험에서도 HFC32의 비율이 높아질수록 토출 온도가 증가하는 경향을 보였다. 하지만 이 정도의 토출 온도 차이는 시스템의 수명이나 신뢰성에 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 사료된다.
- 결과에서 확인할 수 있듯이 R410A의 조성을 변화시킨 HFC32/HFC125 혼합냉매의 성능계수는 R410A와 거의 동일한 값을 보였다. 한편 압축기 토출 온도는 HFC32의 비율이 높아질수록 소폭 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- (6) R410A의 등엔트로피 효율은 HCFC22에 비해 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있지만 마찰의 감소 및 밀도의 증가로 인한 압력 손실의 감소가 등엔트로피 효율의 감소를 상쇄시킬 수 있으므로, 이 냉매를 사용하는 시스템의 효율은 HCFC22보다 클 것으로 전문가들은 추측하고 있다.(5, 7) 그러나 이 냉매의 증기압은 HCFC22의 증기압보다 60% 정도 높기 때문에 설비 제조업체들은 압축기의 재설계(소형화)와 관 벽의 두께 강화, 강인한 용접을 위한 고압 용기의 사용 등으로 인한 제조비용의 증가와 체적용량의 증대로 인한 제조비용의 감소가 어떻게 경제적으로 서로 상쇄될 수 있는가를 연구하여 이 대체냉매의 사용을 결정해야만 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.