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 연구는 현재 시판되어 산업현장에서 사용 중인 산업용냉각기의 대표적인 타입인 온오프 제어기가 채용된 냉각기와 토출가스 바이패스 제어기가 채용된 냉각기의 성능을 비교분석하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 또한 실제로 공작기계를 직접 부착시켜 가동하는 실험은 현실적으로 어려운 점과 공작기계의 가동조건 변화에 따른 변수가 너무 많아 공작기계에서 발생되는 열을 대신하기 위해 부하조절이 가능한 히터를 설치하여 1 kW, 2 kW, 3 kW로 부하 당 1시간씩 히터의 발열량을 변화시켜 실험하였다. 장치를 가동한 후 장치에 부착된 온도센서에서 측정되는 데이터를 모니터링 하면서 30분 이상 평형상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터의 평균을 산정 측정하였으나, 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 온도 25℃에 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정하였다.
- 장치를 가동한 후 장치에 부착된 온도센서에서 측정되는 데이터를 모니터링 하면서 30분 이상 평형상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터의 평균을 산정 측정하였으나, 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 온도 25℃에 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정하였다. 또한 온도, 유량 및 전력량 등은 MX-100(Yokogawa) 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였고 이렇게 수집한 데이터는 PC에 저장하여 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 온오프 제어 냉각기와 토출가스 바이패스 제어 냉각기 운전특성 비교 실험 조건을 Table 1에 나타내었다. 산업용 공작기기에 사용되는 외기온도의 변화에 따른 시스템의 특성을 살펴보기 위하여 항온조 내부 외기 온도를 25, 30, 35℃로 변화시켜 실험하였다.
- 산업용냉각기의 대표적인 타입인 온오프 제어기가 채용된 냉각기와 토출가스 바이패스 제어기가 채용된 냉각기의 온도 제어 시스템의 운전 특성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 항온실 상단에는 팬을 설치 하여 설정온도 이상 및 이하가 되면 자동적으로 팬 이 가동 및 정지가 되도록 하여 설정한 온도가 일 정하게 유지 될 수 있도록 하였다. 열손실이 발생 되는 곳은 단열재를 사용하여 단열하여 열손실이 최소화 될 수 있도록 하였다.
- 또한 실제로 공작기계를 직접 부착시켜 가동하는 실험은 현실적으로 어려운 점과 공작기계의 가동조건 변화에 따른 변수가 너무 많아 공작기계에서 발생되는 열을 대신하기 위해 부하조절이 가능한 히터를 설치하여 1 kW, 2 kW, 3 kW로 부하 당 1시간씩 히터의 발열량을 변화시켜 실험하였다. 장치를 가동한 후 장치에 부착된 온도센서에서 측정되는 데이터를 모니터링 하면서 30분 이상 평형상태로 유지되는 정상 상태가 되었을 때 필요한 데이터의 평균을 산정 측정하였으나, 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 온도 25℃에 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정하였다. 또한 온도, 유량 및 전력량 등은 MX-100(Yokogawa) 모델을 사용하여 PC에 저장하는 동시에 모니터에서 각 측정값을 실시간 확인할 수 있도록 하였고 이렇게 수집한 데이터는 PC에 저장하여 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 증발기와 응축기, 압축기, 팽창기 등 주요 장치 입구와 출구에는 오차범위 ±0.1℃인 T형 온도센서 를 설치하여 실시간으로 온도가 측정될 수 있도록 하였으며, 냉각기 출구 냉수 유량은 디지털 수유량 계로 측정하였다.
대상 데이터
- 실험 장치는 크게 산업용 냉각기와 이를 보완해주는 보조 열원기기로 구성되어 있다. 실제로 현장에서 산업용 냉각기를 공작기계를 부착시켜 가동하는 실험은 부하변동을 일정하게 유지하기 어려운 점과 공작기계의 가동조건 변화에 따른 변수가 너무 많아 냉각기를 외부공기온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 항온실을 설치하였으며, 냉각기를 항온실로 옮겨 실험 장치를 설치하였다.
- 실제로 현장에서 산업용 냉각기를 공작기계를 부착시켜 가동하는 실험은 부하변동을 일정하게 유지하기 어려운 점과 공작기계의 가동조건 변화에 따른 변수가 너무 많아 냉각기를 외부공기온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 항온실을 설치하였으며, 냉각기를 항온실로 옮겨 실험 장치를 설치하였다. 테스트에 사용된 온오프 타입 냉각기는 3.0 kW급 로터리 타입 밀폐형 압축기가 사용되었으며 응축기는 냉각기에 많이 사용되고 있는 핀튜브형 공랭식 응축기가 장착 되었다. 토출가스 바이패스 타입 냉각기는 온오프 타입 냉각기의 주요 장치와 동일한 부품이 사용되었으며, 압축기의 고온고압의 가스를 증발기 입구 쪽으로 바이패스를 시켜 팽창기에서 나오는 냉매와 열교환량 조절을 위하여 작동범위 0~480 step, 12V입력, 한계 압력 3.
성능/효과
- (1) 토출가스 바이패스 제어 냉각기에는 온오프 제어 냉각기에 비해 용량이 더 큰 액분리기가 장착이 되어야 할 필요성이 있음을 확인할 수 있었다.
- (2) 온오프 제어 냉각기의 COP 범위는 1.19∼3.84, 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 COP범위는 1.38∼3.84 사이로 나타났으며, 온오프 제어냉각기에 비하여 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 부하가 적은 부하 1kW에서 16%정도 COP가 높음을 알 수 있었다.
- (3) 온오프 제어 냉각기는 정밀온도 제어가 필요한 곳에는 적합하지 않음을 알 수 있었으며, 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 정밀온도 제어가 가능함을 확인할 수 있었다. 하지만 이 제어방식은 시스템을 연속적으로 가동해야 하는 단점을 안고 있어 인버터 압축기 등의 새로운 방법의 접근이 필요하리라 생각된다.
- 8 kW 사이로 나타났다. 그리고 1 kW 부하를 주었을 경우 토출가스 바이패스 제어 냉각기가 온오프 제어 냉각기에 비해 소요 동력이 적게 나타났다. 이는 토출가스 바이패스 제어냉각기는 1 kW의 적은 부하에서 압축기 꺼짐이 없이 적은 소요 동력을 지속적으로 기동하며 온도조절을 하지만 온오프 제어 냉각기는 초기 소요 동력을 사용하여 온도조절을 하며 단순히 설정온도 이하게 되면 작동을 멈추는 것으로 온도 조절을 대신하게 되므로 그에 따른 소요 동력이 상대적으로 크게 되는데 이로 인한 것으로 판단된다.
- 84 사이로 나타났다. 그리고 온오프 제어 냉각기에 비하여 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 부하가 적은 부하 1 kW에서 16%정도 COP가 높게 나타났다.
- 그리고 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 최저 온도와 최고 온도의 편차가 약 ±0.25℃로 유지가 가능함을 보였다.
- 냉각기에 장착된 압축기의 토출 냉매온도 임계값은 115℃인데 온오프 제어 냉각기 부하변동에 따른 압축기 토출 냉매온도는 54∼76℃ 사이의 온도로 나타났으며, 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 부하변동에 따른 압축기 토출 냉매온도는 44∼72℃사이의 온도로 나타났다.
- 4℃를 나타났으며, 부하 3 kW에서는 온도 편차가 ±4℃를 나타내어 최저 온도와 최고 온도차가 약 8℃를 나타냈다. 또한 1 kW 부하를 주었을 경우 온오프 횟수는 10회, 2 kW 부하를 주었을 경우 6회였으며, 3 kW 부하를 주었을 경우는 2회로 부하가 커질수록 온오프 횟수 즉 시간당 주기가 길어짐을 보였는데, 이는 부하가 클수록 3분 정지 기간 동안 유체의 온도는 상승하고 이것을 목표 온도까지 냉각 시키는데 많은 시간이 소요 되므로 부하의 크기가 커질수록 온오프 주기는 길어지는 특성을 보이는 것으로 판단된다. 그리고 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 최저 온도와 최고 온도의 편차가 약 ±0.
- 부하 적은 경우 온오프 제어 냉각기에 비해 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 COP가 높게 나타난 것은 온오프 제어 냉각기의 기동이 멈췄을 때의 값을 제외한 것으로 인함으로 판단되며 향후 기동 때만의 값과 기동이 멈췄을 때의 값을 포함한 경우에 대한 비교 분석을 할 예정이다. 또한 전체적으로 부하가 클수록 COP값이 크게 나타났다. COP는 압축기소비동력과 냉각능력의 비로 산정이 되는데, Figure 2의 결과에서 알 수 있듯이 압축기 소요동력의 경우, 온오프 및 바이패스 제어 모두 큰 차이가 나지 않는다.
- 냉각기에 장착된 압축기의 토출 냉매온도 임계값은 115℃인데 온오프 제어 냉각기 부하변동에 따른 압축기 토출 냉매온도는 54∼76℃ 사이의 온도로 나타났으며, 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 부하변동에 따른 압축기 토출 냉매온도는 44∼72℃사이의 온도로 나타났다. 모두 압축기 한계토출온도 이하로 측정되었는데, 온오프 제어 냉각기의 토출 냉매온도가 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비하여 최소 5.5%에서 최대 22% 높게 나타남을 보였다. 이는 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 압축기에서 발생되는 토출가스를 증발기 입구로 바이패스 시켜 증발기의 열교환량을 조절하게 되는데 이때 바이패스되는 고온 고압의 냉매가 증발기를 거치는 동안 일부 냉매가 응축되는데, 액상태의 냉매를 압축기가 흡입하게 되어 습압축을 하게 된다.
- 온오프 제어 냉각기는 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비하여 외기온도 25℃에서는 17%, 외기온도 30℃에서는 12%, 외기온도 35℃에서는 8%의 소요 동력이 큼을 보였다. 본 실험에 사용된 데이터 값은 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정으로 인해 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비해 상대적으로 소요 동력이 큰 것으로 판단되며, 또한 온오프 제어 냉각기는 압축기와 냉각 시스템의 회로를 보호하기 위해서 일반적으로 압축기의 작동이 멈춘 후에 3분 동안작동을 강제적으로 멈추는 보호 회로를 가진 후 기동을 하게 되어 많은 전력을 소모하게 되는데 이로 인한 것으로 판단된다. 차후 온오프 제어 냉각기의 기동중일 때와 기동이 멈췄을 때의 값을 포함한 전체 데이터를 비교 분석 할 예정이다.
- 이로 인하여 온오프 제어 냉각기에 비해 상대적으로 토출가스의 온도가 낮음으로 판단된다. 압축기의 습압축을 방지 방지하기 위하여 토출가스 바이패스 제어 냉각기에는 온오프 제어 냉각기에 비해 용량이 더 큰액분리기가 장착이 되어야 할 필요성이 있음을 확인 할 수 있었다.
- Figure 3은 온오프 제어 냉각기와 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 외기온도 변화에 따른 평균압축기 소요 동력을 나타낸 그래프이다. 온오프 제어 냉각기는 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비하여 외기온도 25℃에서는 17%, 외기온도 30℃에서는 12%, 외기온도 35℃에서는 8%의 소요 동력이 큼을 보였다. 본 실험에 사용된 데이터 값은 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정으로 인해 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비해 상대적으로 소요 동력이 큰 것으로 판단되며, 또한 온오프 제어 냉각기는 압축기와 냉각 시스템의 회로를 보호하기 위해서 일반적으로 압축기의 작동이 멈춘 후에 3분 동안작동을 강제적으로 멈추는 보호 회로를 가진 후 기동을 하게 되어 많은 전력을 소모하게 되는데 이로 인한 것으로 판단된다.
- 이는 토출가스 바이패스 제어냉각기는 1 kW의 적은 부하에서 압축기 꺼짐이 없이 적은 소요 동력을 지속적으로 기동하며 온도조절을 하지만 온오프 제어 냉각기는 초기 소요 동력을 사용하여 온도조절을 하며 단순히 설정온도 이하게 되면 작동을 멈추는 것으로 온도 조절을 대신하게 되므로 그에 따른 소요 동력이 상대적으로 크게 되는데 이로 인한 것으로 판단된다. 온오프 제어 냉각기의 기동시의 외기온도와 부하변동에 따른 압축기 소요 동력의 부하에 따른 편차는 외기온도 모두 약 6%이내로 거의 변화가 없음을 보였으나, 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 부하변동에 따른 압축기 소요 동력의 편차는 외기온도 25℃에서 35%, 외기온도 30, 35℃에서는 20%로 온오프 제어 냉각기에 비해 편차가 큼을 보였다. 토출가스 바이패스 제어 냉각기는 부하가 클수록 바이패스 밸브를 통해 증발기로 유입되는 냉매량이 작아짐을 보였는데 이는 그만큼 압축기가 더 많이 일을 했다는 것으로 해석 가능하다.
후속연구
- 부하 적은 경우 온오프 제어 냉각기에 비해 토출가스 바이패스 제어 냉각기의 COP가 높게 나타난 것은 온오프 제어 냉각기의 기동이 멈췄을 때의 값을 제외한 것으로 인함으로 판단되며 향후 기동 때만의 값과 기동이 멈췄을 때의 값을 포함한 경우에 대한 비교 분석을 할 예정이다. 또한 전체적으로 부하가 클수록 COP값이 크게 나타났다.
- 본 실험에 사용된 데이터 값은 온오프 제어 냉각기의 경우는 설정한 도달하면 압축기의 기동이 멈추게 되므로 압축기 기동이 Off 일 때의 데이터 값을 제외한 압축기가 기동중인 경우의 데이터의 평균을 산정으로 인해 토출가스 바이패스 제어 냉각기에 비해 상대적으로 소요 동력이 큰 것으로 판단되며, 또한 온오프 제어 냉각기는 압축기와 냉각 시스템의 회로를 보호하기 위해서 일반적으로 압축기의 작동이 멈춘 후에 3분 동안작동을 강제적으로 멈추는 보호 회로를 가진 후 기동을 하게 되어 많은 전력을 소모하게 되는데 이로 인한 것으로 판단된다. 차후 온오프 제어 냉각기의 기동중일 때와 기동이 멈췄을 때의 값을 포함한 전체 데이터를 비교 분석 할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.