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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 R134a 냉매 시스템에 R1234yf 냉매를 Drop-in 성능 평가를 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 기존의 R134a 에어컨시스템에 R1234yf 냉매를 Drop-in 성능 평가를 실시하여 두 냉매의 냉동 사이클 특성을 분석하였다. 이를 통하여 향후 R1234yf 적용 자동차용 공조시스템의 사이클 최적화를 위한 설계 변수에 참고하고자 하였다.
제안 방법
- (3)은 R1234yf와 R1234yf에 R134a를 혼합하여 난방성능과 냉방성능을 평가하고 그 결과를 R134a 성능과 비교하였다. 냉방의 경우 4.
- Han et al.(4)은 가정용 냉장고에 R1234yf를 적용하여 성능 최적화에 대한 실험적 연구를 수행하였다. R134a 시스템과 비교하여 냉매충전량은 비슷한 수준을 나타내었고 냉각속도 개선을 위하여 모세관경을 변경하여 최적화된 시스템을 구성하였다.
- Zilio et al.(9)은 자동차용 공조시스템에 R1234yf 냉매를 적용하여 기존의 R134a 냉매의 사이클 특성을 비교하고, 성능 개선을 위하여 팽창장치인 TXV와 가변용량 압축기의 내부조절밸브를 변경하여 압축기 토출온도와 성능을 개선하였다. Lee et al.
- (4)은 가정용 냉장고에 R1234yf를 적용하여 성능 최적화에 대한 실험적 연구를 수행하였다. R134a 시스템과 비교하여 냉매충전량은 비슷한 수준을 나타내었고 냉각속도 개선을 위하여 모세관경을 변경하여 최적화된 시스템을 구성하였다. Lee et al.
- 냉동사이클의 분석을 위하여 주요 구성기기 전후의 온도, 압력 및 유량을 측정하였다. 시스템의 온도는 T-타입의 열전대를 사용하여 측정하였으며, 정밀도는 ±0.
- 기존 R134a 냉매에 대한 성능평가가 완료되면 시스템 내부를 진공으로 만들고 냉매 R1234yf를 다시 주입하면서 동일한 실험을 반복하였다. 냉매의 충전은 증발기 출구와 압축기 입구사이에 충천포트를 설치하고 메니폴드 게이지를 이용하여 냉매저장 용기과 연결하여 밸브를 열어 충전하였다. 이때 냉매저장 용기의 무게를 전자저울로 무게를 측정하여 주입된 냉매의 양을 알 수 있도록 하였다.
- 대체냉매 R1234yf는 기존 R134a 냉매 적용 에어컨 시스템과 작동 압력범위도 비슷하고 동일한 냉매오일(POE Oil)의 적용이 가능하므로 현재 양산중인 기존 공조시스템에 Drop-in 평가를 수행하였다.
- 본 실험에서는 먼저 R134a 냉매에 대하여 충전량 실험을 통하여 냉매를 최적으로 충전하고 실험을 수행한 후, 동일한 방법으로 R1234yf 냉매를 충전하여 실험을 수행하였다. 최적 충전량은 시스템 성능계수가 최대인 곳에서 선정하였다.
- 본 연구에서는 기존의 R134a 에어컨시스템에 R1234yf 냉매를 Drop-in 성능 평가를 실시하여 두 냉매의 냉동 사이클 특성을 분석하였다. 이를 통하여 향후 R1234yf 적용 자동차용 공조시스템의 사이클 최적화를 위한 설계 변수에 참고하고자 하였다.
- 1은 기본 성능 평가를 위한 실험장치 개략도를 나타낸다. 사이클의 성능 측정을 위하여 실내측과 실외측의 두 개의 챔버로 나누어 벤치용 실험장치를 구성하였다. 실내측에는 증발기를 밀폐형 덕트에 삽입하여 설치하고 실외측에는 응축기와 압축기를 설치하였다.
- 성능평가는 먼저 R134a 냉매를 실험장치의 시스템에 충전하여 냉매 최적충전량 실험과 압축기 회전속도에 따른 기본 성능 평가를 수행하였다. 기존 R134a 냉매에 대한 성능평가가 완료되면 시스템 내부를 진공으로 만들고 냉매 R1234yf를 다시 주입하면서 동일한 실험을 반복하였다.
- 시스템 운전조건은 압축기의 회전수를 800～2500 rpm까지 변화시키고, 증발기와 응축기측에 유입되는 공기는 각각 27℃와 35℃로 유지하면서 시스템의 성능변화를 고찰하였다. Table 2는 본 실험에 적용한 운전조건을 나타낸다.
- 실내측에는 증발기를 밀폐형 덕트에 삽입하여 설치하고 실외측에는 응축기와 압축기를 설치하였다. 압축기는 벨트로 전동모터와 연결하여 구동하도록 하였고 압축기의 회전수를 가변 시키기 위하여 인버터를 사용하여 전동모터를 제어하였다. 압축기를 구동하기 위한 소비전력은 파워 미터(power meter)를 이용하였으며 측정값의 정확도는 ±0.
- 운전결과에 따른 증발기측의 냉방용량을 구하기 위하여 공기측 열량과 냉매측 열량을 비교하였다. 공기측과 냉매측의 에너지 평형 오차율은 식(1)을 이용하여 평가하였다.
- 냉매의 충전은 증발기 출구와 압축기 입구사이에 충천포트를 설치하고 메니폴드 게이지를 이용하여 냉매저장 용기과 연결하여 밸브를 열어 충전하였다. 이때 냉매저장 용기의 무게를 전자저울로 무게를 측정하여 주입된 냉매의 양을 알 수 있도록 하였다.
- 1%이다. 팽창장치는 블록식(block type) 온도감응 팽창밸브(TXV)를 적용하였다. 실험에 구성된 주요 부품은 국내 완성차 K사의 공조시스템을 사용하여 조립하였다.
대상 데이터
- 팽창장치는 블록식(block type) 온도감응 팽창밸브(TXV)를 적용하였다. 실험에 구성된 주요 부품은 국내 완성차 K사의 공조시스템을 사용하여 조립하였다. 압축기는 벨트로 전동모터와 연결하여 구동하도록 하였다.
성능/효과
- (1) R1234yf 냉매가 R134a 냉매와 비교하여 시스템의 냉매 충전량이 10% 낮게 나타났다.
- (2) R1234yf 냉매를 적용한 경우에 시스템을 흐르는 냉매의 질량유량이 14～17% 높게 나타났다.
- (3) 압축기에서 냉매의 토출온도는 R1234yf 냉매가 R134a 냉매에 비해 5～8℃정도 낮게 나타났다.
- (4) R1234yf 시스템이 R134a 시스템과 비교하여 압축기 소비동력은 최대 4%, 냉방용량은 4～7% 낮게 나타났으며, 이에 따른 시스템 성능계수가 3～4% 정도 낮게 나타났다.
- (5) 기존의 R134a 시스템에 냉매 R1234yf를 적용한 경우 증발기와 응축기에서 냉매유량이 증가하여 압력강하가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 최적 충전량은 시스템 성능계수가 최대인 곳에서 선정하였다. 냉매 R134a의 최적 충전량은 750 g으로 나타났고, R1234yf의 최적 충전량은 R134a보다 10%로 낮은 675 g에서 최적 충전량을 나타내었다. 이는 R1234yf 냉매의 열역학적 물성치인 포화액체 상태의 밀도가 R134a보다 작기 때문인 것으로 판단된다.
- 공기측과 냉매측의 에너지 평형 오차율은 식(1)을 이용하여 평가하였다. 실험 결과에 의하면 에너지 평형 오차율은 5% 이내로 분포하였다. Fig.
- 자동차용 공조 시스템에서 압축기의 소비동력이 크다는 것은 엔진측에 부하를 크게하여 연비가 나빠지는 것을 의미한다. 압축기의 회전수가 증가할수록 R134a 냉매 시스템의 압축기 소비동력이 최대 4% 크게 나타났다. 이것은 R1234yf 냉매의 열역학적 특성상 저단측과 고단측이 압축비가 낮아 R134a 냉매 시스템보다 소비동력 측면에서 유리하기 때문이다.
- 4는 압축기 회전수 변화에 따른 시스템에 흐르는 냉매의 질량유량을 나타낸다. 압축기의 회전수가 증가함에 따라 시스템을 흐르는 냉매의 질량유량은 증가하였고, 냉매 R1234yf 적용 시스템이 냉매 R134a 적용 시스템에 비하여 압축기 회전수의 전영역에 걸쳐서 14～17% 정도 많이 흐르는 것으로 나타났다. 이는 냉매 R1234yf를 적용할 경우 압축기 전후단에서의 압축비가 R134a에 비하여 낮게 나타나고 압축기 입구에서의 동일 포화온도 조건에서 냉매의 비체적이 낮기 때문에 동일용량의 압축기인 경우에 더 많은 냉매유량을 이송할 수 있기 때문이다.
- 9는 운전조건에 따른 두 냉매의 시스템 성능계수를 나타낸다. 전반적으로 압축기 소요동력은 R134a 냉매적용 시스템이 크게 나타났지만 R1234yf 냉매적용 시스템의 냉방용량 감소가 커서 시스템 성능계수는 R1234yf 적용 시스템이 3～4% 정도 작게 나타났다. 이러한 결과는 기존의 연구(9, 10)에서도 유사한 경향을 나타내었다.
- 10은 증발기와 응축기에 냉매가 흐를 때 발생하는 압력손실을 증발기에서 흡수한 열량과 응축기에서 방출한 열량에 대하여 각각 나타내었다. 전체적으로 R1234yf 냉매에서 압력강하가 크게 나타났는데 이는 동일한 열용량을 나타내기 위해서 냉매의 열역학적 특성상 R1234yf의 질량유량이 더 많이 필요하므로 열교환기에서 압력강하가 더 크게 발생함을 알 수 있다. 특히, 증발기에서는 냉매가 증발기를 통과할수록 건도가 증가하면서 R1234yf 냉매의 유속 증가 및 R134a 냉매 대비 이상유동의 마찰 압력강하가 전체 압력강하에 영향을 준 것으로 나타났다.
- 7은 운전조건 변화에 따른 냉방용량을 나타낸다. 전체적으로 냉매 R1234yf 적용 시스템이 냉매 R134a 적용 시스템과 비교하여 최대 4～7% 정도 냉방용량이 낮게 나타났다. 냉매 R1234yf를 적용한 시스템의 냉매질량 유량이 증가하였음에도 냉방용량이 낮게 나타난 것은 냉매 R1234yf의 증발잠열이 작기 때문이다.
- 전체적으로 R1234yf 냉매에서 압력강하가 크게 나타났는데 이는 동일한 열용량을 나타내기 위해서 냉매의 열역학적 특성상 R1234yf의 질량유량이 더 많이 필요하므로 열교환기에서 압력강하가 더 크게 발생함을 알 수 있다. 특히, 증발기에서는 냉매가 증발기를 통과할수록 건도가 증가하면서 R1234yf 냉매의 유속 증가 및 R134a 냉매 대비 이상유동의 마찰 압력강하가 전체 압력강하에 영향을 준 것으로 나타났다. 따라서 기존의 R134a 냉매에서 R1234yf 냉매로 시스템을 변경하여 사이클의 최적화하기 위해서는 열교환기의 압력강하를 최소화하는 방향으로 튜브의 패스와 형상을 설계시에 고려하여야 한다.
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