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[국내논문] CO2 지열 히트펌프 사이클 모사에 관한 연구
Studies on the Cycle Simulation for a Geothermal Heat Pump System using CO2 as Refrigerant 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.6, 2011년, pp.2888 - 2897  

김영재 (선문대학교 생명화학공학과) ,  장근선 (선문대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서 개발된 정상상태 사이클 모사 프로그램을 통해 이산화탄소를 사용하는 지열 히트펌프 시스템의 성능을 고찰하였다. 내부열교환기를 포함하지 않는 기본 히트펌프 사이클의 성능에 대한 다양한 운전변수들의 영향을 조사하기 위해 매개변수 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 프로그램은 실내기, 실외기, 압축기, 팽창밸브를 모사하는 포트란 서브루틴과 비주얼 베이식을 사용해 프로그램된 입력을 위한 전처리, 출력을 위한 후처리 프로세서를 포함하는 그래픽 인터페이스로 구성되어 있다. Refprop V6.01을 사용하여 이산화탄소의 열역학적 물성치와 상평형 거동을 계산하였다. 모사결과들의 신뢰성은 사례연구를 통한 실험데이터와의 비교를 통해 검증하였다. 본 연구에서 개발된 사이클 모사 프로그램은 이산화탄소 지열 히트펌프 시스템의 경제적이면서도 효율적인 운전조건들을 결정하고 최적화하는 데 있어 유용한 도구가 될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The performance of a geothermal heat pump system using carbon dioxide was investigated by the steady-state cycle simulation program developed in this study. A parametric study was carried out in order to investigate the effect of various operating conditions on the performance of the basic cycle wit...

주제어

#Carbon dioxide   #Geothermal heat pump system   #Cycle simulation program  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그림 2는 내부열교환기를 갖고 있는 이산화탄소 냉방시스템에 대한 개략도이다. 본 연구에서는 1차적으로 내부열교환기가 없는 단순 이산화탄소 히트펌프 사이클 모사 프로그램 개발을 완료하고 그에 대한 성능해석을 통해 여러 가지 운전변수가 사이클을 구성하고 있는 각 요소기기의 성능 및 전체 사이클 성능에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 단순 이산화탄소 히트펌프 사이클은 내부열교환기 없이 압축기, 실외기, 팽창밸브.
  • 본 연구에서는 내부열교환기를 포함하지 않는 이산화탄소 지열 히트펌프 시스템의 주요 구성요소들인 실내기, 실외기, 압축기, 팽창밸브에 관한 열역학적 모델링과 모델에 대한 질량 및 에너지수지식 등을 통하여 전체 사이클을 모사할 수 있는 정상상태 사이클 모사 프로그램을 개발하였고, 이를 이용하여 운전조건 변화에 따른 사이클 성능(성능계수, 히트펌프 용량, 소비전력 등) 변화에 대해 고찰하였다. 사이클 모사를 통해 얻은 결과 값들은 실험결과와 비교하여 사이클 모사 프로그램의 신뢰성을 검증하였다.
  • 이산화탄소 히트펌프 사이클의 경우 이산화탄소 임계온도가 가스냉각기에서의 열방출 온도보다 낮으므로 필연적으로 초월임계 사이클을 겪게 된다. 본 연구에서는 초월임계 사이클을 갖는 이산화탄소 지열 히트펌프 시스템을 모사하는 프로그램을 개발하고, 모사 프로그램을 이용하여 여러 가지 운전변수가 사이클을 구성하고 있는 각 요소기기의 성능 및 전체 사이클 성능에 미치는 영향을 해석하고 그 결과를 평가하고자 한다. 사이클 성능해석을 위해 필요한 이산화탄소 물성치는 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 Refprop V.

가설 설정

  • (4) 상변화에 따른 증발잠열이 클 것
  • (5) 열적, 화학적으로 안정하여 누설되어도 냉동 및 냉장품에 손상을 주지 않을 것
  • 사이클 모사는 각 구성요소에 대한 모델링을 통하여 수행하였다. 각 구성요소의 출구조건은 다음 구성요소의 입구조건으로 이용되며, 모사하는 과정은 먼저 압축기 입구압력과 출구압력을 가정한다. 압축기 모듈을 이용하여 압축기 출구 상태 및 냉매 유량 등을 계산한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
오존층 파괴 및 지구온난화에 미치는 영향이 거의 없어 환경친화적인 대체냉매로 주목 받고 있는것은 무엇인가? CFC계열 냉매로 인한 지구온난화와 오존층 파괴에 대한 문제가 대두되면서 환경친화적인 대체냉매에 관한 연구가 활발해 지고 있다. 이 과정에서 자연냉매인 이산화탄소도 오존층 파괴 및 지구온난화에 미치는 영향이 거의 없어 CFC 및 HCFC 계열의 냉매를 대체할 수 있는 환경친화적인 냉매로 주목 받고 있다. 이산화탄소는 1800년대 후반부터 대형 선박이나 극장 등의 냉방에 사용되었으나, 1930년대 효율 및 안정성 측면에서 우수한 CFC및 HCFC와 같은 프레온 냉매의 등장으로 그 자리를 잃었다[1].
환경친화적인 대체냉매에 관한 연구가 활발해지고 있는 이유는 무엇인가? CFC계열 냉매로 인한 지구온난화와 오존층 파괴에 대한 문제가 대두되면서 환경친화적인 대체냉매에 관한 연구가 활발해 지고 있다. 이 과정에서 자연냉매인 이산화탄소도 오존층 파괴 및 지구온난화에 미치는 영향이 거의 없어 CFC 및 HCFC 계열의 냉매를 대체할 수 있는 환경친화적인 냉매로 주목 받고 있다.
본 연구에서는 무엇을 통해 이산화탄소를 사용하는 지열 히트펌프 시스템의 성능을 고찰하였는가? 본 연구에서 개발된 정상상태 사이클 모사 프로그램을 통해 이산화탄소를 사용하는 지열 히트펌프 시스템의 성능을 고찰하였다. 내부열교환기를 포함하지 않는 기본 히트펌프 사이클의 성능에 대한 다양한 운전변수들의 영향을 조사하기 위해 매개변수 연구를 수행하였다.
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참고문헌 (13)

  1. Kim Y. L. et al., "Cycle analysis of $CO_2$ heat pump system", 2001 report on development of next generation new technology, Ministry of knowledge economy, 2001. 

  2. Lorentzen, G. and Pettersen, J., "A new, efficient and environmentally benign system for car air-conditioning", Int. J. Refrig., Vol. 16, pp. 4-12, 1993. 

    상세보기 crossref

  3. Aarlien. R. and Frivik, P. E., "Comparison of practical performance between $CO_2$ and R-22 reversible heat pumps for residential use". IIF-IIR commisions B and E. Oslo, Norway, pp. 388-398, 1998. 

  4. Neska et al., " $CO_2-heat$ pump wate heater: characteristics, system design and experimental results", Int. J. Refrig., Vol. 21, pp. 172-179, 1998. 

    상세보기 crossref

  5. Hwang, Y. and Radermacher, R., "Options for a two-stage transcritical carbon dioxide cycle", 5th IIR-Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference at Guangzhou, pp. 143-149, 2002. 

  6. Saikawa, M. et al., "Development of prototype of $CO_2$ heat pump for residential use", IIF-IIR commissions B and E. Purdue univ., USA, pp.51-57, 2000. 

  7. Robinson, D. M. and Groll, E. A.. "Theoretical performance comparison of CO2 transcritical cycle technology versus HCFC-22 technology for a military packaged air conditioner application", HVAC&R Research, Vol. 6, No. 4, pp.325-348, 2000. 

    상세보기 crossref

  8. Boewe, D. E. et al., "The role of suction line heat exchanger in transcritical R744 mobile A/C system", SAETP 01-0583, 1999. 

  9. Chen, Y., Gu, J., "The optimum high pressure for $CO_2$ transcritical refrigeration system with internal heat exchanger", Int. J. of Refrig., Vol.28, No. 8, pp. 1238-1249, 2005. 

    상세보기 crossref

  10. Kim J. D., Lee H. S. and Chang K. S., "An experimental study on the operating characteristics of natural refrigerant geothermal heat pump system", Proceedings of the SAREK, 2009 winter annual conference, pp. 682-687, 2009 

  11. Lee H. S., "An experimental investigation of heat pump efficiency characteristic using carbon dioxide as refrigerant", Master dissertation, 2009. 

  12. Development of the heat exchangers for a heat pump for simultaneous refrigeration and water heating", Second-stage report on project for the next generation new technology, Ministry of knowledge economy, 2003. 

  13. Fisher S. K. and Rice C. K., "The oak ridge heat pump models: I. a steady-state computer design model for air-to-air heat pumps", Department of energy, 1983. 

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