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대체 프레온 및 자연 냉매를 이용하는 이원 냉동시스템의 성능 예측

Prediction on Performance of Cascade Refrigeration System using Alternative Freon and Natural Refrigerants

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.4, 2012년, pp.1427 - 1433  

김종열 (동명대학교 냉동공조공학과) ,  노건상 (동명대학교 냉동공조공학과)

초록
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본 연구에서는 이원냉동시스템에서 사용되던 저온용 규제프레온냉매 R13 및 고온용 규제프레온냉매 R503의 대체냉매로서 프레온혼합냉매 및 친환경적 자연냉매를 사용하는 이원냉동시스템의 성능특성을 규명하고자 하였다. 이를 위해 일반적인 이원냉동시스템의 운전범위에서 과냉각도, 과열도, 응축온도, 증발온도, 캐스케이드 열교환기에서의 온도변화를 고려하였다. 고온시스템 및 저온시스템의 작동유체의 종류에 상관없이 이원냉동시스템의 COP는 캐스케이드의 온도영향을 받고 있으며, 또한 과냉각도가 증가할수록 COP는 높아지지만, 과열도의 영향은 크게 받지 않았다. 따라서 본 연구에서 고온용 시스템 및 저온용 시스템의 작동유체로 대체 프레온혼합냉매 및 자연냉매의 냉매조합 중에서 (R23/R290), (R23/R600), (R23/R600a), (R23/R717), (R744/R404A) 냉매를 사용하는 이원냉동시스템의 COP는 저온측에 R23, 고온측에 R22를 사용하는 시스템에 비해 20 ~ 36% 높게 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, cycle performance analysis of cascade refrigeration system using alternative FREON refrigerants and natural refrigerants are presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include subcooled and sup...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 이원 냉동시스템의 저온측 시스템 및 고온측 시스템의 작동유체로서 대체프레온계 냉매 및 자연냉매를 적용한 시스템에서의 과냉각도, 과열도, 캐스케이드 열교환기에서의 온도차에 의한 성능계수(cop) 에 미치는 인자들을 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 대체 프레온계 냉매와 자연냉매를 사용하는 이원냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
  • 이상과 같은 조건에서 저온측 시스템 및 고온측 시스템에 각각 대체 프레온냉매 / 자연냉매 혹은 자연냉매 / 대체 프레온냉매를 사용하는 이원 냉동시스템의 성능에 대한 과열도, 과냉각도, 캐스케이드 열교환기에서의 증발 온도, 응축온도 및 온도차 변화 등의 영향을 규명하고자 하였다.

가설 설정

  • · 저온과 고온 시스템의 냉매 압축과정은 단열압축과정이고, 압축기의 압축효율(ηc)과 기계효율(ηm)은 각각 0.8로 가정하였다.
  • · 저온과 고온 시스템의 팽창과정은 등엔탈피 과정으로 가정하였다.
  • · 저온과 고온 시스템의 운동에너지와 위치에너지 변화는 없는 것으로 가정하였다.
  • 본 논문에서 사용되는 대체 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES[7](Engineering Equation Solver) 소프트웨어를 이용하여 계산하였고, 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위한 EES 계산 과정에서 다음과 같은 조건을 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
냉동시스템의 기술 혁신에 많은 변화가 이루어지는 이유는? 생활양식 및 산업환경 변화에 따른 초저온 영역 등의 극한분야에 대한 요구가 증가되면서 냉동시스템의 기술 혁신에 많은 변화가 이루어지고 있다.
다단압축 냉동시스템에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방법은? 이러한 문제점을 해결하기 위한 이원 냉동시스템은 저온용 냉매를 사용하는 저온부 냉동시스템과 고온용 냉매를 사용하는 고온부 냉동시스템을 조합하고 있다. 즉, 이원 냉동시스템에서는 온도측면에서 고온부와 저온부로 구분하여 저온측 냉동시스템의 응축기와 고온측 냉동시스템의 증발기를 조합시켜 임계점이 낮은 저온용 냉매를 냉각시키고 있다.
프레온계 냉매가 생산 및 사용 규제가 이루어진 이유는? 기계적인 측면에서는 왕복동식 압축기보다 고효율 스크류 압축기의 사용이 증가하고 있으며, 또한 1930년대 개발되어 냉매뿐만 아니라 발포제 등으로 폭넓게 사용되던 프레온계 냉매는 오존층파괴 및 지구온난화의 원일물질로 규명됨에 따라 생산 및 사용 규제[1]가 이루어지고 있다. 특히 급속동결 냉동식품 보관, 반도체 웨이퍼(wafer) 소자의 불량여부 판단을 위한 환경온도[2]는 일반적으로 -40 ℃ ~ -70 ℃ 온도가 유지되어야 한다.
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참고문헌 (7)

  1. UNEP, Copenhagen, Decision, The Fourth Meeting of the Parties to the Montreal protocol, 1992. 

  2. Jonghoon Park, Keumnam Cho, "Study on the Performance of the Cascade System Using Alternative Refrigerants", SAREK, Vol. 13, No. 7, pp. 564-571, 2001. 

  3. Lee, T. S., Liu, C. H. and Chen, T. W., "Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade condenser in $CO_{2}/NH_{3} $ cascade refrigeration systems". Int. J. Refrigeration 29, 1100-1108, 2006. 

  4. Sawalha, S., "Using $CO_{2}$ in supermarket refrigeration". ASHRAE J. 47 (8), 26-30, 2005. 

  5. Wilson, I. and Maier, D., "Carbon dioxide for use as a refrigerant. In: Refrigeration Science and Technology, Proceedings", IIR-IRHACE Conference, Innovative Equipment and Systems for Comfort and Food Preservation. The University of Auckland, pp. 305-311, 2006. 

  6. Bhattacharyya, S., Mukhopadhyay, S., Kumar, A. and Khurana, R. K., Sarkar, J., "Optimization of a $CO_{2}$ - $C_{3}H_{8}$ cascade system for refrigeration and heating", Int. J. Refrigeration 28, 1284-1292, 2005. 

  7. fChart Software Inc. "Engineering Equation Solver", 2006. 

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