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문제 정의
- 냉매 과충전으로 인한 성능저하를 보완하고자 냉동실 풍량 증가에 따른 성능특성을 고찰하였다. Fig.
- 단일유로 멀티사이클에서 냉동실 풍량 증가에 따른 성능특성을 고찰하기 위해 냉동실측 브라인 유량을 증가시키는 실험을 진행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 단일유로 멀티사이클의 냉장실 고내온도 변화, 냉동실 풍량 변화 및 냉장실 팬 정지 운전에서의 냉동실 풍량 변화에 따른 성능특성을 실험적으로 고찰하였다. 또한 냉동시스템의 성능개선을 위하여 바이패스 멀티유로 사이클을 적용하고 냉 동 단독운전 모드에서의 냉동실 풍량 변화에 따른 성능특성을 실험적으로 고찰하였다.
- 단일유로 멀티사이클에서 냉장실 부하가 모두 충족된 후 냉동실 부하를 충족시킬 때까지 냉장실이 운전될 경우 냉장실의 고내온도 감소가 나타난다. 이러한 고내온도 감소에 따른 냉동시스템의 성능특성을 알아보기 위해 냉장실 증발기로 들어가는 브라인 온도를 감소시키는 실험을 실시하였다.
제안 방법
- (1)은 유럽표준에 의거하여 R600a를 적용한 소형 냉동시스템의 안정성에 관한 연구결과를 발표하였으며, Lee et al.(2)은 프로판과 이소부탄 혼합냉매를 가정용 소형 멀티 냉동 시스템에 적용하여 안정성을 입증하였다.
- 실험장치는 연결배관에서 미소 열손실을 방지하기 위해 모든 냉매배관을 단열하였다. 각각의 증발기는 이중관식 열교환기를 사용하여 용량조절이 쉽도록 하였으며, 실제 작동환경 및 상용 가정용냉장고의 사양을 고려하여 냉동실 증발기의 전열면적이 냉장실에 비해 2배가 되게 설계하였다. 열부하는 2차유체인 브라인(물/에틸렌글리콜 혼합액)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하였다.
- 냉동시스템의 성능특성을 측정하기 위해 주요부분 의 온도, 압력 및 유량을 측정하였다. 온도측정은 T형 열전대를 사용하였으며 정밀도는 ±0.
- 냉동실 고내온도 변경 실험에서는 냉장실과 냉동실 동시 운전 시 냉장실 부하를 모두 충족한 후에도 냉동실 부하가 충족될 때까지 냉장실을 운전할 때 나타나는 냉장실 고내온도 감소에 따른 성능변화를 측정하였다.
- 따라서 최적충전량인 48 g의 냉매를 충전한 상태에서 냉장실측 브라인의 온도를 5℃부터 -1℃까지 1℃씩 감소시키면서 실험을 수행하였다. 냉동실 풍량 변경 실험은 최적충전량의 냉매로, 냉동실의 풍량 증가를 위하여 냉동실측 브라인의 유량을 10 kg/h 부터 30 kg/h까지 5 kg/h씩 증가시키면서 냉동실 풍량 증가에 대한 성능특성을 고찰하였다. 냉장실 부하가 모두 충족되면 냉장실 고내온도 감소 방지를 위해 냉장실 팬을 정지한 상태로 운전하여 냉동실 부하만 충족시킬 수 있다.
- 냉장-냉동 동시운전에서 나타난 냉장실 고내온도 감소를 방지하고자 냉장고 팬 정지운전에 대한 성능특성을 고찰하였다. 냉장실 증발기로 브라인이 흐르지 않는 상태에서 냉동실측 브라인 유량 증가에 따른 소비전력, 냉동용량 및 COP의 변화를 Fig.
- 냉동실 고내온도 변경 실험에서는 냉장실과 냉동실 동시 운전 시 냉장실 부하를 모두 충족한 후에도 냉동실 부하가 충족될 때까지 냉장실을 운전할 때 나타나는 냉장실 고내온도 감소에 따른 성능변화를 측정하였다. 따라서 최적충전량인 48 g의 냉매를 충전한 상태에서 냉장실측 브라인의 온도를 5℃부터 -1℃까지 1℃씩 감소시키면서 실험을 수행하였다. 냉동실 풍량 변경 실험은 최적충전량의 냉매로, 냉동실의 풍량 증가를 위하여 냉동실측 브라인의 유량을 10 kg/h 부터 30 kg/h까지 5 kg/h씩 증가시키면서 냉동실 풍량 증가에 대한 성능특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 단일유로 멀티사이클의 냉장실 고내온도 변화, 냉동실 풍량 변화 및 냉장실 팬 정지 운전에서의 냉동실 풍량 변화에 따른 성능특성을 실험적으로 고찰하였다. 또한 냉동시스템의 성능개선을 위하여 바이패스 멀티유로 사이클을 적용하고 냉 동 단독운전 모드에서의 냉동실 풍량 변화에 따른 성능특성을 실험적으로 고찰하였다.
- 바이패스유로 멀티사이클의 적용 시 냉동 단독운전모드에서 성능특성을 고찰하기 위해 냉장-냉동 동시운전모드에서의 최적충전량과 냉동 단독운전모드에서의 최적충전량을 비교하는 실험을 수행하였다. 또한, 냉동 단독운전모드에서도 냉장-냉동 동시 운전모드의 최적충전량으로 운전되므로 냉매 과충전에 의한 성능저하를 해결하기 위해 냉동실측 브라인의 유량을 10 kg/h부터 50 kg/h까지 10 kg/h씩 증가시키면서 냉동실 풍량 변경에 따른 성능특성을 측정하였다.
- 바이패스유로 멀티사이클의 적용 시 냉동 단독운전모드에서 성능특성을 고찰하기 위해 냉장-냉동 동시운전모드에서의 최적충전량과 냉동 단독운전모드에서의 최적충전량을 비교하는 실험을 수행하였다. 또한, 냉동 단독운전모드에서도 냉장-냉동 동시 운전모드의 최적충전량으로 운전되므로 냉매 과충전에 의한 성능저하를 해결하기 위해 냉동실측 브라인의 유량을 10 kg/h부터 50 kg/h까지 10 kg/h씩 증가시키면서 냉동실 풍량 변경에 따른 성능특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 단일유로 멀티사이클의 냉장실 고내온도 변화, 냉동실 풍량변화, 냉장실 팬 정지운전 시 냉동실 풍량변화와 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전모드에서의 냉동실 풍량 변화에 따른 성능특성을 고찰하였으며 결과는 다음과 같다.
- 열부하는 2차유체인 브라인(물/에틸렌글리콜 혼합액)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하였다. 브라인의 온도조절을 위해 냉동기(chiller)를 설치하였고, 전력 측정기(power meter)를 이용해 소요동력을 측정하였다. Table 1은 주요부품의 사양을 나타낸다.
- 실험장치는 연결배관에서 미소 열손실을 방지하기 위해 모든 냉매배관을 단열하였다. 각각의 증발기는 이중관식 열교환기를 사용하여 용량조절이 쉽도록 하였으며, 실제 작동환경 및 상용 가정용냉장고의 사양을 고려하여 냉동실 증발기의 전열면적이 냉장실에 비해 2배가 되게 설계하였다.
- 각각의 증발기는 이중관식 열교환기를 사용하여 용량조절이 쉽도록 하였으며, 실제 작동환경 및 상용 가정용냉장고의 사양을 고려하여 냉동실 증발기의 전열면적이 냉장실에 비해 2배가 되게 설계하였다. 열부하는 2차유체인 브라인(물/에틸렌글리콜 혼합액)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하였다. 브라인의 온도조절을 위해 냉동기(chiller)를 설치하였고, 전력 측정기(power meter)를 이용해 소요동력을 측정하였다.
- 냉장실 부하가 모두 충족되면 냉장실 고내온도 감소 방지를 위해 냉장실 팬을 정지한 상태로 운전하여 냉동실 부하만 충족시킬 수 있다. 이 때의 성능특성을 알아보기 위해 냉장실 증발기로 브라인이 흐르지 않는 상태에서 냉동실측 브라인 유량을 10 kg/h부터 50 kg/h 까지 10 kg/h씩 증가시키는 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제시한 단일유로 멀티사이클 및 바이패스유로 멀티사이클은 Fig. 1과 같이 크게 압축기, 응축기, 3방향 밸브, 2개의 모세관, 2개의 증발기 및 SLHX로 구성되어 있다
- 온도측정은 T형 열전대를 사용하였으며 정밀도는 ±0.4℃이다.
데이터처리
- 01%이다. 모든 데이터는 안정 상태에서 2초 간격으로 10분 동안 수집한 데이터의 평균값을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 단일유로 멀티사이클에서 냉장실측 브라인 온도를 5℃에서 -1℃까지 감소시킨 결과 COP는 1.38에서 1.28로 7.14% 감소하였다.
- (2) 단일유로 멀티사이클에서 냉동실측 브라인 유량을 증가시켰을 때 브라인 유량 20 kg/h에서 성능 계수는 1.53으로 나타났고, 그 이상 유량을 증가시켜도 성능향상이 보이지 않았다. 냉동실/냉장실 냉동 용량 비율은 브라인 유량이 10 kg/h에서 30 kg/h로 증가할 때 0.
- (3) 단일유로 멀티사이클의 냉장실의 팬 정지 운전에서 냉동실측 브라인 유량을 증가시킨 결과 브라인 유량 30 kg/h에서 1.22로 최대의 성능계수를 가졌지만, 냉장-냉동 동시운전에 비해 성능이 낮게 나타났다.
- Lee et al.(3)은 단일유로 멀티사이클이 단일 증발기를 갖는 사이클에 비해 효율이 높고 냉장실 고내 상대습도를 45%로 유지시킬 수 있는 장점이 있다고 발표하였다. 그러나 두 개의 증발기가 단순히 연속적으로 연결되어 있기 때문에 효율과 고내 습도의 상승이 크지 않다는 단점을 가지고 있다.
- (4) 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전모드에서는 냉장-냉동 동시운전모드에 비해 최적충 전량이 25% 감소하였다. 냉동 단독운전 시에도 냉장-냉동 동시운전모드의 최적충전량으로 운전하므로 과충전에 의한 성능저하가 나타나며, 냉동실측 브라인 유량을 50 kg/h까지 증가시킨 결과 성능계수가 1.
- (5) 단일유로 멀티사이클의 냉장실 팬 정지운전에 비해 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전의 성능계수가 10.7% 높게 나타났다. 따라서 바이패스유로 멀티사이클 적용 시 단일유로 멀티사이클에 비해 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
- 이는 브라인 유량 증가에 따라 증발기 출구온도가 상승하여 증발기 출구측에서 냉매가 부하를 흡열하지 못하기 때문이다. COP는 냉동용량과 마찬가지로 브라인 유량이 10 kg/h에서 20 kg/h로 증가하였을 때 1.45에서 1.53으로 5.4% 증가하였고, 20 kg/h 이상에서는 성능향상이 보이지 않았다.
- 소비전력에 비해 냉동용량의 증가 폭이 큰 것은 압축비 감소에 따라 압축기 효율이 증가하였고, 또한 냉매가 냉장실 증발기를 경유하지 않으므로 압력 손실이 작기 때문이다. COP는 냉동용량의 증가로 인해 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전모드에서 10.7% 높게 나타났다.
- 7에 바이패스유로 멀티사이클의 냉장-냉동 동시운전모드와 냉동 단독운전모드에서의 충전량 변화에 따른 COP의 변화를 나타내고 있다. 냉동 단독운전 모드에서 최적충전량은 냉장-냉동 동시운전모드의 최적충전량인 48 g에 비해 25% 감소한 36 g으로 나타났다. 이러한 최적충전량의 차이는 냉동 단독 운전모드에서 냉매가 냉장실 증발기를 지나지 않으므로 냉장-냉동 동시운전모드에 비해 시스템의 내용적이 감소하고, 유로가 단순해서 유로저항이 작기 때문이다.
- (4) 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전모드에서는 냉장-냉동 동시운전모드에 비해 최적충 전량이 25% 감소하였다. 냉동 단독운전 시에도 냉장-냉동 동시운전모드의 최적충전량으로 운전하므로 과충전에 의한 성능저하가 나타나며, 냉동실측 브라인 유량을 50 kg/h까지 증가시킨 결과 성능계수가 1.35로 향상된다. 따라서 냉동실 풍량을 증가시켜 과충전에 의한 성능저하를 상쇄시킬 수 있다고 판단된다.
- 냉동실/냉장실 냉동 용량 비율은 브라인 유량이 10 kg/h에서 30 kg/h로 증가할 때 0.27에서 22.6% 증가한 0.34로 나타났고, 따라서 냉장-냉동 동시운전에서 냉동실 풍량 증가 시 냉동부하를 충족시키는 시간이 줄어들 것으로 판단된다.
- 소비전력은 브라인 유량 증가에 따라 증가하는 경향을 보인다. 냉동용량은 브라인 유량이 10 kg/h에서 30 kg/h로 증가할 때 76 W에서 106.6 W로 40% 증가하였고, 브라인 유량 30 kg/h 이상에서는 증발기 출구온도의 상승으로 인해 냉동 용량이 감소하였다. COP는 냉동용량이 최대로 나타나는 브라인 유량 30 kg/h에서 1.
- 유로저항의 차이로 인해 압축비는 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전에서 단일유로 멀티사이클의 냉장실 팬 정지운전에 비해 5% 낮게 나타났다. 냉매유량의 증가에 따라 소비전력과 냉동용량은 단일유로 멀티사이클의 냉장실 팬 정지운전에 비해 바이패스유로 멀티사이클의 냉동 단독운전에서 각각 3.3%, 13.5% 증가하였다. 소비전력에 비해 냉동용량의 증가 폭이 큰 것은 압축비 감소에 따라 압축기 효율이 증가하였고, 또한 냉매가 냉장실 증발기를 경유하지 않으므로 압력 손실이 작기 때문이다.
- 34를 보 였다. 따라서 냉장-냉동 동시운전 시 냉동실 팬 풍량을 증가시키는 경우 냉동실 부하 충족시간이 짧아지는 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 7% 높게 나타났다. 따라서 바이패스유로 멀티사이클 적용 시 단일유로 멀티사이클에 비해 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
- 3은 냉장실측 브라인 온도 변화에 따른 소비전력, 냉동용량 및 COP의 변화를 나타낸 것이다. 브라인 온도가 5℃에서 -1℃까지 감소하면 냉매유량이 감소함에 따라 소비전력과 냉동용량 모두 감소하지만, 소비전력이 3.3% 감소한 것에 비해 냉동용량의 경우 냉매와 브라인간의 온도차 감소로 인해서 10.2% 감소하여 COP는 1.38에서 1.28로 7.14% 감소하였다.
- 소비전력과 냉동 용량 모두 브라인 유량이 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타난다. 브라인 유량이 10 kg/h에서 50 kg/h로 증가하면 소비전력은 5.4% 증가하지만, 냉동용량은 53.2% 증가하여 과충전된 상태로 운전하는 냉동 단독운전모드에서는 냉동실의 풍량을 증가시켰을 때 시스템의 냉동용량이 크게 개선되는 것으로 나타났다. 소비전력은 서서히 증가하는데 비해 냉동용량의 증가폭이 크기 때문에 COP는 브라인 유량을 10 kg/h 에서 50 kg/h로 증가시켰을 때 0.
- 5는 브라인 유량 증가에 대한 냉동실/냉장실 냉동용량 비율 변화를 나타낸다. 브라인 유량이 증가하면서 냉동실측 냉동용량이 커짐에 따라 냉동실 /냉장실 냉동용량 비율은 증가하여 10 kg/h에서 30 kg/h로 증가할 때 0.27에서 22.6% 증가한 0.34를 보 였다. 따라서 냉장-냉동 동시운전 시 냉동실 팬 풍량을 증가시키는 경우 냉동실 부하 충족시간이 짧아지는 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 4는 브라인 유량 변화에 따른 소비전력, 냉동용량 및 COP의 변화를 나타낸다. 브라인 유량이 증가함에 따라 소비전력은 큰 변화가 나타나지 않지만 냉동용량은 증가하는 경향을 보였다. 브라인 유량 20 kg/h에서 냉동용량은 브라인 유량 10 kg/h에 비해 6.
- 2% 증가하여 과충전된 상태로 운전하는 냉동 단독운전모드에서는 냉동실의 풍량을 증가시켰을 때 시스템의 냉동용량이 크게 개선되는 것으로 나타났다. 소비전력은 서서히 증가하는데 비해 냉동용량의 증가폭이 크기 때문에 COP는 브라인 유량을 10 kg/h 에서 50 kg/h로 증가시켰을 때 0.93에서 1.35로 45.4% 증가하였다.
후속연구
- 이러한 흐름에 따라 환경 유해물질을 배출하지 않는 친환경 냉매의 사용과, 에너지 소비 절감을 위한 냉동 시스템의 고효율화에 대한 연구의 중요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 이유로 친환경 냉매인 R600a를 적용한 냉동시스템에 대한 연구와, 냉장실, 냉동실 증발기를 각각 사용하는 멀티사이클의 유로 변경을 통한 소형 냉동시스템의 최적 설계에 대한 연구가 필요하다.
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