[논문]R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동시스템의 성능 분석

오후규; 손창효

doi:10.9726/kspse.2012.16.2.024

R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동시스템의 성능 분석
Performance analysis of R404A refrigeration system using R744 as secondary refrigerant 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.16 no.2, 2012년, pp.24 - 29

오후규 (Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Pukyong National University) , 손창효 (Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an analysis on performance and exergy of R404A refrigeration system using R744 secondary refrigerant was performed numerically to optimize the design for the operating parameters. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, internal heat exchanger and compression efficiency, evaporation and condensation temperature in the R404A refrigeration cycle and temperature difference of cascade heat exchanger. The main results are summarized as follows : The COP(coefficient of performance) of R404A refrigeration system increases with increasing evaporation temperature. The evaporation capacity of R744 as secondary refrigerant increases with the increase in evaporation pressure of R744 secondary refrigeration. And the enthalpy in the evaporator outlet of R744 increases with the increasing evaporation pressure of R744 secondary refrigeration. Therefore, it is important to analysis for the relationship between COP of R404A refrigeration system and refrigeration capacity of R744. As cascade evaporation temperature increase, the exergy loss of condenser and compressor using R404A is the largest among all components. Therefore, the exergy loss in the condenser and compressor using R404A must be decreased to enhance the COP of R404A refrigeration system with R744 secondary refrigerant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 자연냉매인 R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동시스템의 성능 특성을 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 R744를 2차 냉매로 적용한 R404A용 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 증발기 입구압력, 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 건도 등의 인자들이 본 냉동사이클의 성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서 살펴보았다. 또한, 본 연구에서 제안하는 냉동사이클의 엑서지 손실에 대해서도 분석하였다.

가설 설정

· 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

제안 방법

Table 3에서 성능 분석범위는 2차유체로 R744를 사용하는 R404A용 냉동사이클의 일반적인 운전조건이다. Table 3의 분석 범위로부터 Table 1과 2의 수식을 계산하여 나온 결과값을 이용하여 2차 유체로 R744를 사용한 R404A 용 냉동사이클의 성능에 영향을 미치는 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 증발압력, 건도 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 증발기 입구압력, 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 건도 등의 인자들이 본 냉동사이클의 성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서 살펴보았다. 또한, 본 연구에서 제안하는 냉동사이클의 엑서지 손실에 대해서도 분석하였다. 따라서 Table 2의 분석조건에서 살펴본 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

Hinde 등⁽⁴⁾은 2008년에 미국과 캐나다에서 운전되고 있는 9개의 저온용 R744 시스템에 대해서 보고하였다. 모든 시스템의 1차냉매는 R404A 혹은 R507를, 중온용 2차냉매는 프로필렌글리콜을, 저온용 2차냉매는 R744를 각각 적용하였다. 그 결과 이 시스템은 R507의 냉매충전량을 90%까지 줄일 수 있다고 하였다.
Pachai⁽²⁾는 스웨덴의 헬싱복(Helsingborg)에 설치되어 있는 2차냉매 순환시스템에 대해서 연구하였다. 이 시스템의 저온과 중온측의 2차냉매로는 R744와 프로필렌글리콜을 각각 사용하였다. Nilsson 등⁽³⁾은 2차냉매로서 R744를 적용한 아이스링크장의 냉동시스템에 대해서 보고하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능분석은 EES(Engineering Equation Solver)⁽⁶⁾ 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

성능/효과

3. R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 엑서지 손실을 분석한 결과, R404A용 냉동사이클의 응축기와 압축기의 엑서지 손실이 가장 크며, R404용 내부 열교환기의 엑서지 손실이 가장 적은 것으로 나타났다.
R744를 2차냉매로서 사용하는 R404A용 냉동시스템의 증발온도가 증가할수록 COP는 증가함을 확인할 수 있었다.
R744의 2차냉매 순환냉동사이클의 증발압력이 증가할수록 R744의 증발열량과 증발기 출구엔탈피가 증가함을 확인할 수 있었다.
이에 증발기 출구의 냉매건도도 증가함을 확인할 수 있다. 그리고 증발기 입력압력이 증가할수록 Q_e도 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.
6에서 R404A용 냉동사이클의 응축기 엑서지 손실이 가장 큰 반면에, R744용 2차냉매 순환사이클의 내부 열교환기의 엑서지 손실이 가장 적은 것으로 나타났다. 대체적으로 R404A용 냉매사이클과 R744용 냉매순환사이클에 상관없이 응축기, 압축기, 캐스케이드 열교환기, 팽창밸브 순으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 연구하고자 하는 R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능계수를 향상시키기 위해서는 엑서지 손실이 가장큰 R404A용 응축기나 압축기에 대한 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.
따라서 R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동 시스템은 증발기 입구압력, 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 건도 등의 영향을 받음을 알 수 있었다. 그리고 본 시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 R404A용 응축기와 압축기내에서 발생하는 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.
둘째 일반적인 금속재료의 사용이 가능하며 관리가 용이하다. 셋째 저온에서 증발잠열이 크므로 필요냉매 순환량을 줄일 수 있고, 배관구경을 작게 할 수 있다. 마지막으로 점성이 작기 때문에 수송 동력을 감소시킬 수 있다.
6에서 캐스케이드 증발온도(T_cas,e)이 증가할 수록 각 구성기기의 엑서지 손실은 증가하거나 감소하는 경향을 보였다. 즉, R404A용 사이클의 각 구성기기 중에 캐스케이드 열교환기를 제외한 압축기, 응축기, 팽창밸브, 내부 열교환기의 엑서지 손실은 감소하였다. 반면에 R744용 2차냉매 순환사이클의 엑서지 변화는 증발기를 제외한 캐스케이드 열교환기와 냉매액펌프에 대해서 증가하는 경향을 보였다.
이와 같이 R744를 2차냉매로 사용하면 다음과 같은 장점이 있다. 첫째 지구환경에 미치는 영향이 적고, 인체에 무해하다. 둘째 일반적인 금속재료의 사용이 가능하며 관리가 용이하다.

후속연구

따라서 R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동 시스템은 증발기 입구압력, 증발온도, 캐스케이드 증발온도, 건도 등의 영향을 받음을 알 수 있었다. 그리고 본 시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 R404A용 응축기와 압축기내에서 발생하는 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다. 즉, 냉동시스템의 성능계수를 향상시키기 위해서는 엑서지 손실이 큰 구성품에 대한 열교환 효율 향상과 최적 압축비 운전 등이 이루어져야 할 것이다.
대체적으로 R404A용 냉매사이클과 R744용 냉매순환사이클에 상관없이 응축기, 압축기, 캐스케이드 열교환기, 팽창밸브 순으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 연구하고자 하는 R744를 2차냉매로 사용하는 R404A용 캐스케이드 냉동사이클의 성능계수를 향상시키기 위해서는 엑서지 손실이 가장큰 R404A용 응축기나 압축기에 대한 엑서지 손실을 줄여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	R744를 2차 냉매로 사용하면 어떤 장점을 갖는가?	이와 같이 R744를 2차냉매로 사용하면 다음과 같은 장점이 있다. 첫째 지구환경에 미치는 영향이 적고, 인체에 무해하다. 둘째 일반적인 금속재료의 사용이 가능하며 관리가 용이하다. 셋째 저온에서 증발잠열이 크므로 필요냉매 순환량을 줄일 수 있고, 배관구경을 작게 할 수 있다. 마지막으로 점성이 작기 때문에 수송 동력을 감소시킬 수 있다.
	R404A용 냉동 시스템이란 무엇인가?	R744(CO2)를 2차냉매로 사용하는 R404A용 냉동 시스템은 일반적으로 대형 할인마트나 저온용 냉동 창고 등에 사용되는 R404A 냉동장치에 R744를 2차 냉매(브라인)로 사용하는 냉매순환식 사이클을 추가한 시스템을 말한다. 이와 같이 R744를 2차냉매로 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.
	2차냉매로서 R744를 적용한 아이스링크장의 냉동시스템의 1차냉매 순환시스템은 무엇으로 구성되는가?	이 시스템은 1차와 2차냉매 순환시스템으로 구성된다. 1차냉매 순환시스템은 브라인 냉각기, 팽창밸브, 캐스케이드 응축기, 압축기로 구성되고, 2차냉매 순환시스템은 R744용 수액기와 펌프로 구성된다. Hinde 등(4)은 2008년에 미국과 캐나다에서 운전되고 있는 9개의 저온용 R744 시스템에 대해서 보고하였다.

참고문헌 (6)

Pearson, A., 2005, "Carbon dioxide-new uses for an old refrigerant.", Int. J. Refrigeration, 28, pp. 1140-1148.

상세보기
Pachai, A. C., 2004, "Experience with $CO_2$ as refrigerant in supermarkets.", In: Proceedings of the Sixth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Glasgow, United Kingdom, August 29-September 1.
Nilsson, P. O., Rogstam, J., Sawalha, S., Shahzad, K., 2006, "Ice rink refrigeration system with carbon dioxide as secondary fluid in copper tubes.", In: Proceedings of the Seventh IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Trondheim, Norway, May pp. 29-31.
Hinde, D., Zha, S., Lan, L., 2008, " $CO_2$ experiences in North American supermarkets.", In: Proceedings of the Eighth IIRGustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Copenhagen, Denmark, pp. 1098-1104.
Kaga, S., Nomura, T., Seki, K., Hirano, A., 2008, "Development of compact inverter refrigerating system using R600a/ $CO_2$ by thermo siphon.", In: Proceedings of the Eighth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Copenhagen, Denmark, pp. 1011-1018.
EES: Engineering Equation Solver, 2006. fChart Software Inc.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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