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문제 정의
- 1은 탑차용 냉동시스템의 개략도를 보여주고 있다. 본 연구는 현재 사용되고 있는 냉동탑차의 냉동시스템을 기초로 EES(Engineering Equation Solver)18)를 이용하여 R744와 R404A 냉동시스템의 모델을 개발하였다. 본 연구에 설계된 탑차용 냉방시스템은 압축기, 핀-관 열교환기 형태의 응축기(가스쿨러)와 증발기, 팽창장치(EEV)로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 R404A와 R744를 적용한 탑차용 냉장시스템의 성능을 해석할 수 있는 모델을 개발하였고, 운전조건 변화에 따른 성능을 비교, 관찰하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- R404A의 냉동시스템의 응축기는 Fig. 2의 (a)와 같이 설계하였고 냉매의 유동은 냉매가 세 번째 열과 네 번째 열로 들어가 첫 번째 열과 두 번째 열로 토출되는 형식으로 2개의 관이 4개의 열로 이루어진 핀-관 열교환기를 사용하였다. R404A의 단상 영역 열전달계수 상관식은 Wang9)의 식을 사용하였고 압력강하는 Blasius10)의 식을 사용하였다.
- 3은 본 연구에서 설계한 냉동탑차의 냉장사이클 해석을 위한 순서도를 보여주고 있다. 냉동탑차 냉장사이클의 성능특성을 파악하기 위해 공회전 상태인 1000 RPM에서 냉장 실험조건(ISO 15502)을 기본조건으로 하여 해석을 수행하였다. 운전조건 변화에 따른 성능해석을 위하여 탑차의 엔진 RPM, 실내측과 실외측 공기온도, 실외기로 유입되는 공기속도를 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였으며 본 연구에서 탑차용 냉장시스템의 성능 해석을 위해 설정된 해석조건을 Table 3에 나타내었다.
- 본 연구에서 설계된 압축기는 R404A를 적용한 시스템모델의 경우 내구성이 비교적 우수하여 자동차 공조시스템 압축기로써 가장 널리 사용되고 있는 사판식 압축기를 사용하였다. 또한 R744의 경우 R404A에 비해 열용량율이 크기 때문에 두 시스템에서 동일한 냉방용량을 얻기 위해 압축기의 행정 체적을 조절하여 공회전(Idle) 상태에서 동일한 냉방용량을 가지는 압축기 행정체적을 결정한 후 시뮬레이션을 수행하였다. 즉, 시스템에 흐르는 냉매의 질량유량은 기본 운전조건에서 2.
- 여름철 높은 외기온도는 냉동탑차의 냉장시스템의 성능에 큰 영향을 미치므로 실외측 온도를 25°C~35°C까지 2.5°C씩 증가시켜 두 시스템의 성능변화를 고찰하였고 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
- 냉동탑차 냉장사이클의 성능특성을 파악하기 위해 공회전 상태인 1000 RPM에서 냉장 실험조건(ISO 15502)을 기본조건으로 하여 해석을 수행하였다. 운전조건 변화에 따른 성능해석을 위하여 탑차의 엔진 RPM, 실내측과 실외측 공기온도, 실외기로 유입되는 공기속도를 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였으며 본 연구에서 탑차용 냉장시스템의 성능 해석을 위해 설정된 해석조건을 Table 3에 나타내었다.
- 이러한 변화가 냉장시스템의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 실내측 온도를 1°C~9°C까지 2°C씩 증가시켜 R404A와 R744 냉장시스템의 성능 변화를 고찰하였다.
- 주행속도에 따른 RPM변화에 대한 성능변화를 알아보기 위해 1000~3000 RPM까지 500 RPM씩 증가시켜 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 압축기 회전수 증가에 따라 압축기에서 토출되는 냉매의 질량유량 증가로 R404A와 R744 시스템의 압축기 소비동력은 각각 2.
- 또한 R744의 경우 R404A에 비해 열용량율이 크기 때문에 두 시스템에서 동일한 냉방용량을 얻기 위해 압축기의 행정 체적을 조절하여 공회전(Idle) 상태에서 동일한 냉방용량을 가지는 압축기 행정체적을 결정한 후 시뮬레이션을 수행하였다. 즉, 시스템에 흐르는 냉매의 질량유량은 기본 운전조건에서 2.4 kW로 동일한 냉방용량을 가지도록 설계하였다. 두 시스템의 압축기에서 토출되는 냉매의 질량유량은 식 (1)을 이용하여 계산하였으며, R404A의 경우 다음과 같은 식 (2)와 식 (3)7)을 활용하여 체적효율과 등엔트로피 효율을 계산하였다.
대상 데이터
- 전자팽창밸브는 크게 오리피스(orifice), 니들(needle), 구동 스테핑모터(stepping motor) 3가지로 구성되어 있다. R404A 시스템의 모델링에 사용된 오리피스 직경은 1.6 mm이고, R744의 경우 질량유량을 고려하여 0.8 mm로 수정하여 모델링 하였다. EEV를 통과하는 냉매의 질량유량은 6개의 물리적 변수와 4개의 기하학적인 변수로 표현되며 Buckingham π정리를 바탕으로 식 (6)17)을 이용해 계산하였으며 이에 사용된 상수 값들은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구는 현재 사용되고 있는 냉동탑차의 냉동시스템을 기초로 EES(Engineering Equation Solver)18)를 이용하여 R744와 R404A 냉동시스템의 모델을 개발하였다. 본 연구에 설계된 탑차용 냉방시스템은 압축기, 핀-관 열교환기 형태의 응축기(가스쿨러)와 증발기, 팽창장치(EEV)로 구성되어 있다.
- 본 연구에서 설계된 압축기는 R404A를 적용한 시스템모델의 경우 내구성이 비교적 우수하여 자동차 공조시스템 압축기로써 가장 널리 사용되고 있는 사판식 압축기를 사용하였다. 또한 R744의 경우 R404A에 비해 열용량율이 크기 때문에 두 시스템에서 동일한 냉방용량을 얻기 위해 압축기의 행정 체적을 조절하여 공회전(Idle) 상태에서 동일한 냉방용량을 가지는 압축기 행정체적을 결정한 후 시뮬레이션을 수행하였다.
이론/모형
- 2의 (a)와 같이 설계하였고 냉매의 유동은 냉매가 세 번째 열과 네 번째 열로 들어가 첫 번째 열과 두 번째 열로 토출되는 형식으로 2개의 관이 4개의 열로 이루어진 핀-관 열교환기를 사용하였다. R404A의 단상 영역 열전달계수 상관식은 Wang9)의 식을 사용하였고 압력강하는 Blasius10)의 식을 사용하였다. 그리고 2상 영역의 열전달계수 상관식은 Traviss11)가 제안한 식을 사용하였고 압력강하는 Friedel12)의 식을 적용하였다.
- 증발기의 경우 6개의 관으로 총 8열을 구성하였으며 열전달계수와 압력강하 식은 응축기와 동일한 식을 사용하였다. R744냉동시스템의 경우 열교환기의 사양이 R404A와 동일하게 모델링하였으며 R744의 열전달계수는 가스쿨러(Gascooler)와 증발기에서 각각 Gnielinski13)과 Yun et al.14)의 식을 사용하였고, 압력강하는 가스쿨러와 증발기에서 각각 Churchill15)의 식과 Yun et al.14)의 식을 사용하였다.
- R404A의 단상 영역 열전달계수 상관식은 Wang9)의 식을 사용하였고 압력강하는 Blasius10)의 식을 사용하였다. 그리고 2상 영역의 열전달계수 상관식은 Traviss11)가 제안한 식을 사용하였고 압력강하는 Friedel12)의 식을 적용하였다. Fig.
- 또한 R404A와 R744 시스템에 사용된 공기측 열전달계수와 압력강하는 Wang16)의 식을 사용하였다. 본 연구에서 설계된 응축기와 증발기에 대한 자세한 사양을 Table 1에 나타내었으며 기본조건에서의 응축기(가스쿨러)의 용량은 R744의 경우 운전조건 변화에 따른 가스쿨러의 용량은 R744의 경우 3.
성능/효과
- 1) R404A 및 R744 시스템 모두 냉장실 온도가 증가함에 따라 냉방용량 증가 및 압축기 소비동력 감소로 시스템의 성능이 향상되었으며, R404A 시스템에 비해 R744 시스템의 질량유량이 60% 적어 R744 시스템이 평균 0.35 높은 성능계수를 보였다.
- 2) 실외측 온도가 상승함에 따라 냉방용량 감소 및 소비동력이 증가함에 따라 시스템의 성능은 저하되는 결과를 나타냈으며, R744와 R404A 시스템의 성능계수는 각각 30%, 66% 감소해 시스템 용량의 민감도가 R404A 시스템이 상대적으로 큰 것을 확인하였다.
- 3) 응축기 입구로 유입되는 풍속이 증가함에 따라 R404A와 R744 시스템의 성능계수는 각각 38.2%, 21.7% 증가하는 것으로 나타났으며 3 m/s 이상의 풍속에서는 열교환이 충분히 이루어져 시스템 성능은 더 이상 증가하지 않는 것으로 확인되었다.
- 4) 압축기 회전수가 상승함에 따라 냉방용량 증가율에 비해 압축기 소비동력 증가폭이 커 시스템의 성능계수는 각각 41.3%, 21.6% 감소하였고 R404A 시스템에 비해 R744 성능계수의 성능저하가 더 큰 것을 확인하였다.
- 응축기입구 풍속이 증가함에 따라 유입되는 공기의 체적유량이 증가하여 냉매와 공기의 열전달량이 증가하므로 두 시스템 모두 냉방용량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 응축기입구 풍속이 3 m/s 이상에서는 공기와 냉매와의 열교환이 충분히 이루어져 시스템의 성능은 더 이상 증가하지 않고 일정해지는 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서 설계된 것과 같이 기존의 상용탑차용 냉장시스템은 탑차가 운행 중에는 실외 열교환기의 용량을 충분히 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 4와 같이 두 시스템 모두 냉장실의 온도가 증가함에 따라 냉방용량은 점차 증가하고 압축기의 소비동력은 감소하여 시스템의 성능계수는 증가하는 경향을 보인다. 냉장실 온도 증가에 따른 압축기 소비동력의 감소정도는 R744 시스템이 R404A 시스템보다 약 6% 크게 나타났다. 또한 두 시스템의 냉방용량은 유사하게 나타나므로 압축기 소비동력의 차로 인해 성능계수는 R404A 시스템에 비해 R744 시스템이 평균 0.
- 그러나 응축기입구 풍속이 3 m/s 이상에서는 공기와 냉매와의 열교환이 충분히 이루어져 시스템의 성능은 더 이상 증가하지 않고 일정해지는 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서 설계된 것과 같이 기존의 상용탑차용 냉장시스템은 탑차가 운행 중에는 실외 열교환기의 용량을 충분히 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 8% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 시스템의 성능계수는 각각 38.2%, 21.7% 증가하는 결과를 보였다. 응축기입구 풍속이 증가함에 따라 유입되는 공기의 체적유량이 증가하여 냉매와 공기의 열전달량이 증가하므로 두 시스템 모두 냉방용량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 냉장실 온도 증가에 따른 압축기 소비동력의 감소정도는 R744 시스템이 R404A 시스템보다 약 6% 크게 나타났다. 또한 두 시스템의 냉방용량은 유사하게 나타나므로 압축기 소비동력의 차로 인해 성능계수는 R404A 시스템에 비해 R744 시스템이 평균 0.35 높은 값을 보였다. 냉장실 온도가 상승함에 따라 증발기를 지나는 냉매의 엔탈피가 증가하여 압축기로 유입되는 냉매의 비체적이 증가하게 되고 이로 인해 압축기에서 토출되는 질량유량 감소로 소비동력은 감소한다.
- 또한 냉장실 온도가 증가함에 따라 냉장실 온도와 냉매와의 온도차 증가로 인해 냉방용량은 점차 증가하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서 두 시스템의 압축기 소비동력의 차이는 동일한 냉방용량을 얻기 위해 필요한 두 냉매의 질량유량의 차이로 R744 시스템의 질량유량이 R404A 시스템에 비해 약 60% 적기 때문에 이러한 영향이 성능에 반영된 것으로 사료된다.
- 또한 압축기에서 토출되는 냉매의 압력증가로 압축기에서 압축비가 증가하고 이에 압축기의 소비동력이 증가해 시스템의 성능은 감소하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서는 R744 시스템에 비해 R404A 시스템이 실외측 온도변화에 따라 냉방용량의 변화 폭이 크게 나타나 외기온도 증가에 따른 시스템 용량의 민감도가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 실외측 온도가 25°C에서 35°C로 상승함에 따라 R404A와 R744 시스템의 압축기 소비동력은 각각 18.6%, 35.5% 증가하였으며 냉방용량은 59.7%, 13.7% 감소하였다.
- 7에 나타내었다. 압축기 회전수 증가에 따라 압축기에서 토출되는 냉매의 질량유량 증가로 R404A와 R744 시스템의 압축기 소비동력은 각각 2.3배, 2.1배 증가하였고, 냉방용량은 1.6배, 0.8배 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 압축기 소비동력의 증가폭이 냉방용량의 증가폭에 비해 크기 때문에 R404A와 R744 시스템의 성능계수는 각각 21.
- 6은 차량주행 속도변화로 응축기로 유입되는 공기의 풍속변화에 따른 시스템의 성능을 비교하여 보여주고 있다. 응축기입구 풍속이 증가함에 따라 R404A와 R744 시스템의 압축기 소비동력은 각각 16.5%, 3.2% 감소하였고, 냉방용량은 15.3%, 17.8% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 시스템의 성능계수는 각각 38.
- 7% 증가하는 결과를 보였다. 응축기입구 풍속이 증가함에 따라 유입되는 공기의 체적유량이 증가하여 냉매와 공기의 열전달량이 증가하므로 두 시스템 모두 냉방용량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 응축기입구 풍속이 3 m/s 이상에서는 공기와 냉매와의 열교환이 충분히 이루어져 시스템의 성능은 더 이상 증가하지 않고 일정해지는 경향을 보였다.
- 압축기 회전수가 증가함에 따라 R744 시스템에 비해 R404A 시스템의 압축기 소비동력과 냉방용량 증가폭이 크게 나타났으며, 이는 압축기 회전수 증가에 따라 R744 시스템에 비해 R404A 시스템의 질량유량의 증가율이 더 크기 때문이다. 이러한 해석적 결과를 정리해 보았을 때 운전조건에 따른 성능의 민감도는 R404A 냉방시스템이 R744 시스템보다 더 큰 것을 확인할 수 있다.
- 7% 감소하였다. 이에 두 시스템의 성능계수는 각각 66%, 30% 감소하는 것으로 나타났다. 실외측 온도의 상승은 실외기에서 높은 외기온도로 인하여 냉매가 충분히 열교환을 못함에 따라 실외기에서 토출되는 냉매의 엔탈피가 증가한다.
- 8배 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 압축기 소비동력의 증가폭이 냉방용량의 증가폭에 비해 크기 때문에 R404A와 R744 시스템의 성능계수는 각각 21.6%, 41.3% 감소하는 결과를 보였다. 압축기 회전수가 증가함에 따라 R744 시스템에 비해 R404A 시스템의 압축기 소비동력과 냉방용량 증가폭이 크게 나타났으며, 이는 압축기 회전수 증가에 따라 R744 시스템에 비해 R404A 시스템의 질량유량의 증가율이 더 크기 때문이다.
후속연구
- 본 연구에서는 기존의 상용탑차에 적용되고 있는 R404A의 이러한 단점을 보완하고 차량용 공조기기의 대체냉매로 제안되고 있는 R744에 대한 적용 가능성과 성능 비교를 통해 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 획득하여 제공함으로써 보다 친환경적이고 고효율적인 천연냉매 공조 시스템의 개발에 이바지 할 것으로 기대한다.
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