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문제 정의
- 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 기본적인 냉동사이클과 이젝터를 적용한 이젝터 사이클의 성능을 여러 가지 운전조건 변화에 따라 비교 및 고찰하였다. 본 연구를 통하여 얻는 결과는 다음과 같다.
- 일반적으로 이젝터를 사용하여 시스템의 소요동력을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 이젝터를 적용한 이산화탄소 단단압축 사이클의 성능을 해석적으로 분석하였다.
가설 설정
- 본 연구에서 설계된 기본 사이클과 이젝터 사이클에 적용된 팽창장치는 오리피스 직경이 각각 2.6 mm, 3.8 mm인 EEV를 사용하였으며 팽창과정은 등엔탈피 과정으로 가정하였다. EEV를 통과하는 냉매의 질량유량은 Buckingham-π 정리를 사용한 식(3)으로 계산하였으며 이에 사용된 상수값들은 Table 2에 나타냈다.
제안 방법
- 0 m/s로 설정하여 성능해석을 수행하였다. 기본 사이클에서 EEV 개도는 40%～80% 범위에서 10%씩 변화시켜 가면서 최적의 EEV 개도를 선정하였으며 이젝터 사이클의 EEV 개도는 최대 성능계수를 가지는 기본 사이클의 증발압력과 유사한 증발압력을 나타내는 EEV 개도를 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이산화탄소 냉동시스템은 운전조건에 따라 시스템 성능의 민감도가 크기 때문에 실외 및 실내온도를 각각 35℃, 27℃를 기준으로 ±2℃ 간격으로 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행하였다.
- 이산화탄소 냉동시스템은 운전조건에 따라 시스템 성능의 민감도가 크기 때문에 실외 및 실내온도를 각각 35℃, 27℃를 기준으로 ±2℃ 간격으로 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 실외 및 실내열교환기의 전면 공기속도를 각각 2.0 m/s, 1.0 m/s를 기준으로 실외측은 0.5 m/s, 실내측은 0.25 m/s씩 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 진행하였다. 본 연구에서 성능해석 시 변수를 제외한 다른 요소들은 기본조건으로 고정하여 해석을 수행하였으며 두가지 형태의 이산화탄소 냉동사이클의 성능을 비교하기 위해 선정된 이산화탄소 열펌프의 운전조건을 Table 3에 나타내었다.
- 01을 나타냈다. 반면 이젝터 사이클의 경우 성능이 EEV 개도의 증가에 따라 지속적으로 향상됨으로 기본 사이클과 성능비교를 위하여 기본 사이클에서 최적 EEV 개도의 증발압력과 유사한 증발압력을 나타내는 EEV 개도인 60%을 비교 기준으로 선정하였다. 이 때 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 20.
- 본 연구에서 설계된 두 가지 시스템에 대한 기본운전조건은 ASHRAE Standard 116(9)의 냉방운전시험조건을 참조하여 실외조건(35/24℃)과 실내조건(27/19.5℃)을 설정하였으며 실외온도와 실내온도변화에 따른 성능 해석 시 실외 및 실내의 상대습도는 기본 운전조건의 상대습도인 40%와 50%로 일정하게 설정하였다. 이 때 가스쿨러와 증발기의 전면 공기속도는 각각 2.
- 5℃)을 설정하였으며 실외온도와 실내온도변화에 따른 성능 해석 시 실외 및 실내의 상대습도는 기본 운전조건의 상대습도인 40%와 50%로 일정하게 설정하였다. 이 때 가스쿨러와 증발기의 전면 공기속도는 각각 2.0 m/s, 1.0 m/s로 설정하여 성능해석을 수행하였다. 기본 사이클에서 EEV 개도는 40%～80% 범위에서 10%씩 변화시켜 가면서 최적의 EEV 개도를 선정하였으며 이젝터 사이클의 EEV 개도는 최대 성능계수를 가지는 기본 사이클의 증발압력과 유사한 증발압력을 나타내는 EEV 개도를 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 이산화탄소 냉동시스템은 운전조건에 따라 시스템 성능의 민감도가 크기 때문에 실외 및 실내온도를 각각 35℃, 27℃를 기준으로 ±2℃ 간격으로 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행하였다.
- 이산화탄소 사이클의 압축기 모델링을 위하여 왕복동식 압축기를 해석적 모델(4)로 선정하였으며, 압축기의 질량유량과 체적효율은 실험에 의하여 얻어진 결과를 이용한 해석적 모델을 적용하여 구하였다. 본 연구에서 설계된 압축기의 토출질량과 체적효율은 식(1)과 식(2)와 같이 표현된다.
- 특히, 이산화탄소 시스템은 EEV 개도 변화에 따라 성능이 크게 변화하는 특성을 가진다. 이에 본 연구에서는 기본 사이클과 이젝터 사이클에서 EEV 개도변화에 따른 성능특성을 비교하였으며 이를 Fig. 4에 나타내었다. 일반적으로 EEV 개도가 감소함에 따라 압축비가 증가하고 이에 압축기 소요동력은 증가한다.
- 그러나 대부분의 이젝터에 관한 연구는 이젝터 내부의 유동을 분석하는데 중점을 둔 해석적 연구나 사이클의 운전조건을 고정시킨 후 일부분의 성능을 해석하는데 한정되어 있다. 이에 본 연구에서는 이산화탄소를 냉매로 하는 기본 사이클과 이젝터를 적용한 이젝터 사이클을 모델링하였으며 가스쿨러 및 증발기의 공기측 입구온도와 속도에 따른 사이클의 성능특성을 비교 및 분석하였다. 이를 통하여 이젝터를 적용한 사이클의 성능 특성과 고효율 이산화탄소 시스템 개발에 필요한 기초적인 성능데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
대상 데이터
- 가스쿨러와 증발기는 오프셋 스트립(offset strip)핀을 적용한 핀-관 열교환기를 사용하였으며 관의 내경은 4 mm, 외경은 5 mm, 관의 두께는 0.5 mm로 설계하였다. 가스쿨러와 증발기의 관의 개수는 각각 80개, 50개로 가스쿨러는 4개, 증발기는 5개의 분지관을 사용하여 냉매를 분배하였다.
- 5 mm로 설계하였다. 가스쿨러와 증발기의 관의 개수는 각각 80개, 50개로 가스쿨러는 4개, 증발기는 5개의 분지관을 사용하여 냉매를 분배하였다. 본 연구에서 설계된 가스쿨러와 증발기의 크기는 각각 90×780×22mm, 564×485×22 mm이다.
- 본 연구에서 설계된 가스쿨러와 증발기의 크기는 각각 90×780×22mm, 564×485×22 mm이다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 두 개의 이산화탄소 냉동시스템을 해석적 모델로 선정하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 기본 사이클의 최적의 EEV 개도는 50%로 확인되었으며 이 때 냉방용량과 성능계수는 각각 11.8kW와 2.01을 나타냈으며 EEV 개도가 60%인 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 20.1 kW와 3.72로 냉방용량과 성능계수 모두 크게 향상됨을 확인하였다.
- (2) 실외온도가 31℃에서 39℃로 증가하였을 때 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능계수는 약 5.6%, 23.3% 감소하였으며 공기속도가 2 m/s에서 3 m/s로 증가함에 따라 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능계수는 약 0.5%, 8.4% 증가하는 것으로 나타나 실외조건 변화에 따른 성능변화는 기본 사이클이 더 큰 것으로 나타났다.
- Deng et al.(2)은 시뮬레이션을 통해 이젝터를 적용한 사이클의 성능계수가 이젝터를 적용하지 않은 사이클보다 성능이 약 18.6% 향상됨을 보였으며, Groll et al.(3)은 유인비와 압력강하에 따른 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능을 비교하여 이젝터 사이클이 기본 사이클보다 성능이 대략 16% 향상됨을 보였다.
- (3) 실내온도가 31℃에서 23℃로 감소함에 따라 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능계수는 약 7.8%, 2.9% 감소하였으며 증발기 전면 공기속도가 1 m/s에서 2 m/s로 증가함에 따라 이젝터 사이클과 기본사이클의 성능계수는 각각 10.1% 3.1% 증가하는 것으로 나타나 실내조건 변화에는 이젝터 사이클의 성능 민감도가 더 큰 것으로 확인되었다.
- 6% 향상됨을 보였으며, Groll et al.(3)은 유인비와 압력강하에 따른 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능을 비교하여 이젝터 사이클이 기본 사이클보다 성능이 대략 16% 향상됨을 보였다.
- 또한 압축기 입구의 온도감소로 압축기 소요동력 또한 감소하게 된다. 가스쿨러 전면 공기속도가 1 m/s에서 2 m/s로 증가하였을 때 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 거의 변화가 없는 반면 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 13%, 16% 정도 증가하였다. 또한 공기속도가 2 m/s에서 3 m/s로 증가함에 따라 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 약 7.
- 여러 가지 운전조건에 따라 기본 사이클과 이젝터 사이클의 성능특성을 비교해 본 결과 외기운전 조건의 변화에 대한 시스템 성능의 민감도는 기본 사이클이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며 실내운전 조건 변화에 따른 시스템 성능의 민감도는 이젝터 사이클이 더 큰 것으로 확인되었다. 그러나 이젝터 사이클은 여러 운전조건 변화에 따른 성능의 향상도가 기본 사이클에 비하여 크게 나타났으며 시스템 신뢰성 또한 크게 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 이러한 특성은 기본 사이클에서도 잘 나타나고 있다. 그러나 이젝터 사이클의 경우 EEV 개도가 10%씩 증가함에 따라 이젝터 사이클의 성능은 지속적으로 10%～12%씩 향상됨을 보였다. 이는 이젝터 사이클에서 EEV 개도가 증가함에 따라 증발기를 흐르는 냉매의 유량이 증가하여 냉방능력이 지속적으로 증가하고 이젝터에서 압력회복이 증가하여 압축기의 소요동력이 감소하기 때문이다.
- 5% 증가하는 것으로 나타났다. 기본 사이클의 경우 가스쿨러 공기속도가 증가함에 따라 냉방용량은 지속적으로 증가하다 점차 그 증가율이 감소하는 경향을 나타냈다. 반면 이젝터 사이클의 경우 상대적으로 냉방용량의 증가율이 크지 않음을 확인할 수 있다.
- 가스쿨러 전면 공기속도가 1 m/s에서 2 m/s로 증가하였을 때 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 거의 변화가 없는 반면 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 13%, 16% 정도 증가하였다. 또한 공기속도가 2 m/s에서 3 m/s로 증가함에 따라 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 약 7.2%, 8.4% 증가하였으며 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 0.1%, 0.5% 증가하는 것으로 나타났다. 기본 사이클의 경우 가스쿨러 공기속도가 증가함에 따라 냉방용량은 지속적으로 증가하다 점차 그 증가율이 감소하는 경향을 나타냈다.
- 14으로 증가하는 것으로 나타났다. 반면 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 11.8 kW에서 12.1 kW로, 2.01에서 2.07로 증가하는 것으로 확인되었다. 증발기의 공기의 풍속이 증가하는 경우 증발기에서 큰 엔탈피 변화를 가지는 이젝터 사이클의 냉방용량 향상 정도가 기본 사이클에 비하여 크게 나타나고 이에 시스템의 성능 변화가 크게 나타났다.
- 이는 이젝터 사이클에서 EEV 개도가 증가함에 따라 증발기를 흐르는 냉매의 유량이 증가하여 냉방능력이 지속적으로 증가하고 이젝터에서 압력회복이 증가하여 압축기의 소요동력이 감소하기 때문이다. 본 연구에서 기본 사이클은 EEV 개도 50%에서 최적의 성능을 보였으며 이 때 냉방용량과 성능계수는 각각 11.8 kW와 2.01을 나타냈다. 반면 이젝터 사이클의 경우 성능이 EEV 개도의 증가에 따라 지속적으로 향상됨으로 기본 사이클과 성능비교를 위하여 기본 사이클에서 최적 EEV 개도의 증발압력과 유사한 증발압력을 나타내는 EEV 개도인 60%을 비교 기준으로 선정하였다.
- 이는 실내온도가 낮아짐에 따라 냉매의 증발온도와 실내온도와의 온도차가 작아져 열교환기의 열교환량이 감소하고 이에 냉방용량이 크게 줄어들기 때문이다. 본 연구에서 실내온도가 31℃에서 23℃로 감소함에 따라 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 11.8%, 7.8% 감소하였으며 반면 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 0.8%, 2.9% 감소하는 것으로 확인되었다. 해석결과 실내온도 감소에 따른 이젝터 사이클의 냉방용량의 감소율이 기본 사이클의 냉방용량 감소율보다 크게 나타났다.
- 따라서 시스템 성능계수는 감소하게 된다. 본 연구에서 외기온도가 31℃에서 39℃로 증가하였을 때 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 4.9%, 5.6% 감소하였으며 기본 사이클의 경우 각각 20%, 23% 감소하는 것으로 나타났다. 외기온도 변화에 따른 시스템 성능의 감소폭은 기본 사이클이 이젝터 사이클 보다 크게 나타났으며 이는 기본 사이클에서 외기온도가 증가함에 증발기 입구의 온도가 크게 증가하여 증발기에서 잠열에 의한 열교환량보다 현열에 의한 열교환량의 비율이 증가하고 이에 열교환기의 효율이 감소하였기 때문이다.
- 증발기의 공기속도가 증가함에 따라 냉매와 열교환하는 공기 풍량의 증가로 인해 증발기의 냉방용량이 증가하고 시스템의 압축비가 감소하여 압축기 소요동력이 줄어들게 된다. 본 연구에서는 증발기 전면 공기속도가 1 m/s에서 2 m/s로 증가함에 따라 이젝터 사이클의 냉방용량은 각각 20.1 kW에서 22.1 kW로, 성능계수는 3.72에서 4.14으로 증가하는 것으로 나타났다. 반면 기본 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 11.
- 1% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구의 해석결과 가스쿨러 출구온도가 1℃ 증가에 따라 성능계수와 냉방용량은 각각 5%, 6.1% 정도 감소하는 것으로 확인되었으며 이를 실험결과와 비교하였을 때 유사한 경향성이 나타남을 확인할 수 있었다.
- 증발기의 공기의 풍속이 증가하는 경우 증발기에서 큰 엔탈피 변화를 가지는 이젝터 사이클의 냉방용량 향상 정도가 기본 사이클에 비하여 크게 나타나고 이에 시스템의 성능 변화가 크게 나타났다. 여러 가지 운전조건에 따라 기본 사이클과 이젝터 사이클의 성능특성을 비교해 본 결과 외기운전 조건의 변화에 대한 시스템 성능의 민감도는 기본 사이클이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며 실내운전 조건 변화에 따른 시스템 성능의 민감도는 이젝터 사이클이 더 큰 것으로 확인되었다. 그러나 이젝터 사이클은 여러 운전조건 변화에 따른 성능의 향상도가 기본 사이클에 비하여 크게 나타났으며 시스템 신뢰성 또한 크게 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 반면 이젝터 사이클의 경우 성능이 EEV 개도의 증가에 따라 지속적으로 향상됨으로 기본 사이클과 성능비교를 위하여 기본 사이클에서 최적 EEV 개도의 증발압력과 유사한 증발압력을 나타내는 EEV 개도인 60%을 비교 기준으로 선정하였다. 이 때 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 각각 20.1 kW와 3.72이며 이젝터 사이클의 냉방용량과 성능계수는 기본 사이클보다 약 1.7배와 1.9배 향상되는 것으로 나타났다. 이는 이젝터 사이클에서 증발과정의 잠열에 의한 열교환량이 기본 사이클보다 많아 냉동용량이 크게 증가하고 압축기 소요동력의 감소정도가 크기 때문이다.
- 외기온도 변화에 따른 시스템 성능의 감소폭은 기본 사이클이 이젝터 사이클 보다 크게 나타났으며 이는 기본 사이클에서 외기온도가 증가함에 증발기 입구의 온도가 크게 증가하여 증발기에서 잠열에 의한 열교환량보다 현열에 의한 열교환량의 비율이 증가하고 이에 열교환기의 효율이 감소하였기 때문이다. 이러한 요인으로 기본 사이클의 성능은 이젝터 사이클의 성능보다 실외온도 변화에 크게 영향을 받음을 확인할 수 있다. 또한 이젝터 사이클의 외기온도 변화에 따른 성능변화는 Nakagawa et al.
- 8은 각 시스템에서의 압축기 소요동력, 냉방용량, 성능계수를 증발기의 전면 공기속도 변화에 따라 비교하여 보여주고 있다. 증발기 전면 공기속도가 증가함에 따라 냉방용량은 증가하고 압축기 소요동력은 감소하여 성능계수가 증가하는 경향을 보인다. 증발기의 공기속도가 증가함에 따라 냉매와 열교환하는 공기 풍량의 증가로 인해 증발기의 냉방용량이 증가하고 시스템의 압축비가 감소하여 압축기 소요동력이 줄어들게 된다.
- 07로 증가하는 것으로 확인되었다. 증발기의 공기의 풍속이 증가하는 경우 증발기에서 큰 엔탈피 변화를 가지는 이젝터 사이클의 냉방용량 향상 정도가 기본 사이클에 비하여 크게 나타나고 이에 시스템의 성능 변화가 크게 나타났다. 여러 가지 운전조건에 따라 기본 사이클과 이젝터 사이클의 성능특성을 비교해 본 결과 외기운전 조건의 변화에 대한 시스템 성능의 민감도는 기본 사이클이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며 실내운전 조건 변화에 따른 시스템 성능의 민감도는 이젝터 사이클이 더 큰 것으로 확인되었다.
- 9% 감소하는 것으로 확인되었다. 해석결과 실내온도 감소에 따른 이젝터 사이클의 냉방용량의 감소율이 기본 사이클의 냉방용량 감소율보다 크게 나타났다. 이는 이젝터 사이클의 냉방용량이 기본 사이클의 냉방용량보다 상대적으로 크기 때문에 실내온도 변화에 민감하게 변화하는 것으로 사료된다.
후속연구
- 이에 본 연구에서는 이산화탄소를 냉매로 하는 기본 사이클과 이젝터를 적용한 이젝터 사이클을 모델링하였으며 가스쿨러 및 증발기의 공기측 입구온도와 속도에 따른 사이클의 성능특성을 비교 및 분석하였다. 이를 통하여 이젝터를 적용한 사이클의 성능 특성과 고효율 이산화탄소 시스템 개발에 필요한 기초적인 성능데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
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