[논문]R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템 개발에 관한 연구(2) - 최대 성능계수에 관한 예측과 비교 -

오후규; 손창효

doi:10.5916/jkosme.2011.35.2.189

문제 정의

이러한 자연냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템에 대한 종래의 연구들을 살펴보면, 우선 [1]은 저온사이클내 R744의 응축온도를 최적화하기 위해 캐스케이드 냉동사이클의 성능을 이론적으로 분석하였다. [2]는 고온사이클내 R744의 증발온도를 최적화하기 위해 캐스케이드 냉동사이클의 성능을 연구하였다. 그리고, [3]은 저온부에 R744 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동사이클에 대한 성능을 열역학적으로 분석하였다.
[7]은 고온과 저온사이클에 R717과 R744를 각각 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 성능을 이론적으로 평가하기 위해서 과열도, 과냉도, 증발온도, 응축온도, 캐스케이드 온도차 등에 대한 영향을 살펴보았다. 과냉각도는 증가할수록 사이클 전체의 COP는 증가하고, 고온과 저온사이클 모두에 과냉각도를 적용했을 경우 COP가 가장 높게 나타났다.
따라서, 본 연구에서는“R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템 개발에 관한 연구”의 일환으로 제 1보[4]에서 발표한 성능 특성에 대한 예측결과를 바탕으로, R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 최대 성능계수(COP) 예측식을 제안하고 타 상관식과 비교함으로써 R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서 제안한 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 최대 COP와 최적의 캐스케이드 증발온도에 대한 상관식의 신뢰성 확보를 위해[6], [1], [7]이 제안된 종래의 예측식과 비교․검토하였다.
R404A와 R744의 캐스케이드 냉동사이클의 각 상태점에서의 열물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 COP는 EES를 이용하여 계산하였다. 이렇게 해서 나온 결과값을 이용하여 R404A와 R744용 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 등의 변수들에 대해서 살펴보고자 하였다.

가설 설정

· 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[5] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R404A 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

제안 방법

R404A와 R744의 캐스케이드 냉동사이클의 각 상태점에서의 열물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 COP는 EES를 이용하여 계산하였다. 이렇게 해서 나온 결과값을 이용하여 R404A와 R744용 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 등의 변수들에 대해서 살펴보고자 하였다.
R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 최대 COP와 최적의 캐스케이드 증발온도를 예측할 수 있는 상관식을 제안하였고, 그 결과를 종래의 예측식과 비교하였다. 이에 대한 결과들을 요약하면 다음과 같다.
[1]은 R744-R717용 캐스케이드 냉동시스템에 대한 몇몇 가정과 평형식(질량, 에너지, 엔트로피, 엑서지)을 이용하여 열역학적 모델링을 수행하고, 이를 통해 최적의 R744 응축온도(Tmc,opt)와 최대 COP(COPmax)에 영향을 미치는 응축온도(Tc), 증발온도(Te), 캐스케이드 온도차(ΔTcas)에 대해서 알아보았다.
과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 등의 인자들이 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 COP에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었고, 이들 각각의 인자들은 캐스케이드 냉동 사이클의 성능을 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 다중 회귀분석을 통해 최대 성적계수와 최적의 캐스케이드 증발 온도에 대한 수학적 방정식을 제안하였다.
제 1보에서는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 살펴보았고, 그 결과 이들 각각의 인자들에 대해 캐스케이드 냉동사이클의 COP를 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서, 본 절에서는 다중 회귀분석을 통해 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 최대 성적 계수(COP_max)와 최적 증발온도(T_cas,e,opt)에 대한 수학적 방정식을 개발하였다. COP_max와 T_cas,e,opt는 제 1보에서 살펴본 결과, 과열도(ΔT_suh ), 과냉도(ΔT_suc), 증발온도(T_e), 응축온도(T_c), 캐스케이드 온도차(ΔT_cas)에 영향을 받음을 알 수 있었기 때문에 이에 대한 함수로서 나타낼 수 있고, 이들 함수에 대해 다중 회귀분석을 실시하였다.
그 결과, R744의 증발온도가 증가할수록 COP는 증가하고, R717의 응축온도와 캐스케이드 온도차(DT : R744의 응축온도와 R717의 증발 온도차)가 증가할수록 COP는 감소하였으며, R744의 응축온도가 증가할수록 COP는 증가하다가 감소한다고 하였다. 또한, R717-R744용 캐스케이드 냉동장치의 최적운전에 필요한 최적의 R744 응축온도와 최대 COP를 구하기 위한 예측 식을 다중 회귀법 분석을 통해 다음과 같이 제안하였다.
본 연구의 실험결과로부터 R717과 R744용 캐스케이드 캐스케이드 냉동시스템의 최적 캐스케이드 증발온도와 냉매유량비, 최대 COP를 예측할 수 있는 식을 과열도, 과냉도, 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 응축온도의 함수로서 제안하였다.
그 결과 R717 응축온도가 증가할수록 T_mc,opt는 증가하는 반면 COP_max는 감소하고, 증발 온도가 증가할수록 T_mc,opt와 COP_max는 증가하며, ΔTcas가 증가할수록 T_mc,opt는 감소하나 COP_max는 증가하였다. 이러한 결과로부터 COP를 극대화하고 엑서지 파괴율을 최소화하는 조건에서 최적의 R744 응축온도(T_mc,opt)를 다음과 같이 결정하였다.
이러한 자연냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템에 대한 종래의 연구들을 살펴보면, 우선 [1]은 저온사이클내 R744의 응축온도를 최적화하기 위해 캐스케이드 냉동사이클의 성능을 이론적으로 분석하였다. [2]는 고온사이클내 R744의 증발온도를 최적화하기 위해 캐스케이드 냉동사이클의 성능을 연구하였다.

데이터처리

COPmax와 Tcas,e,opt는 제 1보에서 살펴본 결과, 과열도(ΔTsuh ), 과냉도(ΔTsuc), 증발온도(Te), 응축온도(Tc), 캐스케이드 온도차(ΔTcas)에 영향을 받음을 알 수 있었기 때문에 이에 대한 함수로서 나타낼 수 있고, 이들 함수에 대해 다중 회귀분석을 실시하였다.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)[5] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 고온사이클에는 R404A 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

성능/효과

1. 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축 온도 등의 인자들이 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 COP에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었고, 이들 각각의 인자들은 캐스케이드 냉동 사이클의 성능을 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서 다중 회귀분석을 통해 최대 성적계수와 최적의 캐스케이드 증발 온도에 대한 수학적 방정식을 제안하였다.
2. 종래의 예측식과 비교한 결과, T_cas,e,opt와 COP_max 모두 비슷한 경향을 보이나, 기존의 예측 식과 큰 차이를 보였다. 이는 타 연구자들의 사용 냉매와 운전조건이 다르기 때문인 것으로 판단됩니다.
3. 전체 시스템의 COP는 압축효율식에 따라 다름을 알 수 있었다. 따라서 캐스케이드 냉동시스템의 최대 COP를 예측할 경우 압축기의 압축효율을 정확하게 평가하여 고려할 필요가 있다.
[7]은 고온과 저온사이클에 R717과 R744를 각각 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 성능을 이론적으로 평가하기 위해서 과열도, 과냉도, 증발온도, 응축온도, 캐스케이드 온도차 등에 대한 영향을 살펴보았다. 과냉각도는 증가할수록 사이클 전체의 COP는 증가하고, 고온과 저온사이클 모두에 과냉각도를 적용했을 경우 COP가 가장 높게 나타났다. 과열도는 증가할수록 캐스케이드 사이클의 전체 COP는 감소하고, R717용 고온사이클에만 과열도를 적용했을 경우에 가장 높은 COP를 나타났다.
과냉각도는 증가할수록 사이클 전체의 COP는 증가하고, 고온과 저온사이클 모두에 과냉각도를 적용했을 경우 COP가 가장 높게 나타났다. 과열도는 증가할수록 캐스케이드 사이클의 전체 COP는 감소하고, R717용 고온사이클에만 과열도를 적용했을 경우에 가장 높은 COP를 나타났다. 캐스케이드 증발온도(R717용 사이클)는 증가할수록 COP는 감소하고, 압축효율은 증가할수록 전체 시스템의 COP는 증가하는 경향을 보였다.
그 결과 R717 응축온도가 증가할수록 Tmc,opt는 증가하는 반면 COPmax는 감소하고, 증발 온도가 증가할수록 Tmc,opt와 COPmax는 증가하며, ΔTcas가 증가할수록 Tmc,opt는 감소하나 COPmax는 증가하였다.
[6]은 R717과 R744를 고온과 저온사이클에 각각 적용한 캐스케이드 냉동장치의 성능특성을 파악하였다. 그 결과, R744의 증발온도가 증가할수록 COP는 증가하고, R717의 응축온도와 캐스케이드 온도차(DT : R744의 응축온도와 R717의 증발 온도차)가 증가할수록 COP는 감소하였으며, R744의 응축온도가 증가할수록 COP는 증가하다가 감소한다고 하였다. 또한, R717-R744용 캐스케이드 냉동장치의 최적운전에 필요한 최적의 R744 응축온도와 최대 COP를 구하기 위한 예측 식을 다중 회귀법 분석을 통해 다음과 같이 제안하였다.
시뮬레이션을 통해 얻은 예측식과 종래의 예측식 모두 증발온도가 증가할수록 COP_max가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 시뮬레이션을 얻어진 예측식과 기존의 예측식과는 큰 차이를 보였고, 기존 예측식의 COP_max값이 낮게 나타났다. 이는 고온사이클에 적용되는 냉매가 다르기 때문이라고 판단된다.
시뮬레이션을 통해 얻은 예측식과 종래의 예측식 모두 증발온도가 증가할수록 T_cas,e,opt가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 시뮬레이션을 얻어진 예측식과 기존의 예측식과는 큰 차이를 보였고, 기존의 예측식의 값이 낮게 나타났다. 이는 타 연구자들이 제안한 상관식의 적용조건이 본 연구와 다르기 때문이다.
를 비교한 것이다. 시뮬레이션을 통해 얻은 예측식과 종래의 예측식 모두 증발온도가 증가할수록 COP_max가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 시뮬레이션을 얻어진 예측식과 기존의 예측식과는 큰 차이를 보였고, 기존 예측식의 COP_max값이 낮게 나타났다.
를 비교한 것이다. 시뮬레이션을 통해 얻은 예측식과 종래의 예측식 모두 증발온도가 증가할수록 T_cas,e,opt가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 시뮬레이션을 얻어진 예측식과 기존의 예측식과는 큰 차이를 보였고, 기존의 예측식의 값이 낮게 나타났다.
제 1보에서는 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 과열도, 과냉각도, 압축효율, 증발온도, 응축온도 등의 인자들에 대해서 살펴보았고, 그 결과 이들 각각의 인자들에 대해 캐스케이드 냉동사이클의 COP를 최대로 하는 캐스케이드 증발온도가 존재함을 알 수 있었다. 따라서, 본 절에서는 다중 회귀분석을 통해 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 최대 성적 계수(COP_max)와 최적 증발온도(T_cas,e,opt)에 대한 수학적 방정식을 개발하였다.
과열도는 증가할수록 캐스케이드 사이클의 전체 COP는 감소하고, R717용 고온사이클에만 과열도를 적용했을 경우에 가장 높은 COP를 나타났다. 캐스케이드 증발온도(R717용 사이클)는 증가할수록 COP는 감소하고, 압축효율은 증가할수록 전체 시스템의 COP는 증가하는 경향을 보였다.
이는 압축기 효율이 전체 시스템의 COP에 미치는 영향이 극히 작기 때문이라고 판단할 수 있다. 하지만, 제 1보에서도 제시한 것처럼 압축기의 압축효율이 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 COP에 상당한 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 따라서 압축기의 압축효율이 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동장치의 COP에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다.

후속연구

지금까지의 캐스케이드 냉동장치는 R22, R134a와 같은 고비점 냉매를 고온사이클에, R23, R170, R115의 저비점 냉매를 저온사이클에 사용해왔다. 그러나 향후 이러한 프레온계 냉매는 오존층 파괴와 지구온난화로 인해 사용이 규제됨에 따라 환경에 무해한 R1270, R290, R717, R744와 같은 자연냉매로 대체될 가능이 높아지고 있다.
그림 4는 위의 압축효율식들을 적용하여 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 COP를 비교한 것이다. 전체 시스템의 COP는 압축효율식에 따라 상당한 차이가 있음을 알 수 있는데, 이는 향후 R744와 R404A용 캐스케이드 냉동시스템의 최대 COP와 최적의 캐스케이드 증발온도를 예측할 수 있는 상관식을 제안할 경우 반드시 압축효율에 대한 것을 고려해야만 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프레온계 냉매가 자연냉매로 대체되는 배경은?	지금까지의 캐스케이드 냉동장치는 R22, R134a와 같은 고비점 냉매를 고온사이클에, R23, R170, R115의 저비점 냉매를 저온사이클에 사용해왔다. 그러나 향후 이러한 프레온계 냉매는 오존층 파괴와 지구온난화로 인해 사용이 규제됨에 따라 환경에 무해한 R1270, R290, R717, R744와 같은 자연냉매로 대체될 가능이 높아지고 있다.
	고온사이클에는 R404A 냉매를, 저온사이클에는 R744 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 성능 분석을 위해 한 가정은?	· 저온과 고온사이클의 압축기내 냉매는 단열압축 과정이고, 압축효율과 기계효율은 각각 0.8과 1이다. · 저온과 고온사이클의 열교환기(증발기, 응축기, 캐스케이드 열교환기)내 냉매 압력강하와 열손실은 무시한다. · 배관내 냉매의 압력강하와 열손실은 무시한다. · 팽창밸브내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피과정이다. · 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
	캐스케이드 냉동장치에는 어떤 냉매를 사용해왔는가?	지금까지의 캐스케이드 냉동장치는 R22, R134a와 같은 고비점 냉매를 고온사이클에, R23, R170, R115의 저비점 냉매를 저온사이클에 사용해왔다. 그러나 향후 이러한 프레온계 냉매는 오존층 파괴와 지구온난화로 인해 사용이 규제됨에 따라 환경에 무해한 R1270, R290, R717, R744와 같은 자연냉매로 대체될 가능이 높아지고 있다.

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