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문제 정의
- 항공 포드용 냉각시스템에 적용되는 증기압축사이클에 관한 논문은 상당히 제한적으로 발표되었다. 따라서 증기압축식 냉동시스템에 관한 현재까지의 기술동향을 검토 하여, 환경제어시스템의 개발에 적용하고자 한다. 증기압축식 냉동시스템에 적용되는 주요 기술은 압축기 용량제어, 냉매 유량제어 및 대체냉매 적용 등으로 요약될 수 있다.
- 본 연구에서는 대체냉매 적용에 따른 항공전자기기용 냉각시스템의 성능특성 평가를 위한 실험장치를 설계 및 제작하였다. 실험 냉매로는 기존 냉각시스템에 적용되는 R124와 사전 검토를 통해 가장 유력하다고 판단되는 R236fa의 냉각성능 특성을 실험적 방법으로 비교·평가하였다.
- 본 연구에서는 시스템 효율이 높고 비행조건에 따른 냉각성능 편차가 적은 증기압축 사이클을 항공 포드용 냉각시스템에 적용하고자 한다. 항공 포드용 냉각시스템에 적용되는 증기압축사이클에 관한 논문은 상당히 제한적으로 발표되었다.
- 본 연구에서는 항공전자기기용 냉각시스템으로의 대체냉매 적용에 대한 실험적 고찰을 수행하였다. 기존 냉각시스템에 적용되고 있는 R124와 대체냉매로서 가장 유력한 R236fa, 두 냉매의 냉각성능 및 사이클 운전특성을 냉매 충전량, EEV 개도, 그리고 압축기 운전 회전수를 변화시키면서 비교ㆍ평가하였다.
제안 방법
- R236fa 및 R124 적용에 따른 냉각성능 비교 실험은 냉매 충전량, EEV 개도 및 압축기 운전회전수를 변화시키면서, 냉각성능 및 사이클 운전 특성 변화를 고찰하였다. 이때, 열부하량, 증발기 공기유량, 응축기 입구온도 및 응축기 공기유량은 Table 1과 같이 일정한 조건으로 유지하였다.
- 본 연구에서는 항공전자기기용 냉각시스템으로의 대체냉매 적용에 대한 실험적 고찰을 수행하였다. 기존 냉각시스템에 적용되고 있는 R124와 대체냉매로서 가장 유력한 R236fa, 두 냉매의 냉각성능 및 사이클 운전특성을 냉매 충전량, EEV 개도, 그리고 압축기 운전 회전수를 변화시키면서 비교ㆍ평가하였다. 대체냉매인 R236fa를 적용 하여 냉각시스템을 설계ㆍ제작할 경우, 압축기 흡입냉매의 비체적 증가로 인해 압축기의 운전 회전수가 R124를 적용한 시스템과 비교하여 상대 적으로 크게 요구됨을 알 수 있었다.
- 9에 나타내었다. 냉매 충전량은 600g, EEV 개도는 26.4%(of full-opening)로 고정하여 시험을 진행하였다. 압축기 회전수의 상승은 단위시간당 압축량을 증가시켜 증발압력은 감소하였으며, 압축기 소비동력의 상승으로 인한 응축부하의 증가로 응축압력은 상승하였다.
- 냉매사이클 주요 부위의 온도 및 압력을 Fig. 2와 같이 계측하였으며, 냉매온도는 정밀도 ±0.2의 백금측온저항체(PT 100 Ω)를 배관내에 삽입하여 측정하였다.
- 냉매압력의 계측은 정밀도 ±0.5%의 디지털 압력계를 사용하였으며, 냉매유량의 측정은 정밀도 ±0.2%의 질량유량계(Coriolis type) 를 사용하였다.
- 실험 냉매로는 기존 냉각시스템에 적용되는 R124와 사전 검토를 통해 가장 유력하다고 판단되는 R236fa의 냉각성능 특성을 실험적 방법으로 비교·평가하였다. 또한, 실험결과 분석을 통해 R236fa를 적용함으로서 예상되는 문제점과그 해결방안에 대한 고찰을 수행하였다.
- 또한, 풍량은 볼텍스 유량계(vortex flow meter)를 이용 하여 측정하였으며, 정밀도는 측정값의 ±0.4%이다.
- 실험 냉매로는 기존 냉각시스템에 적용되는 R124와 사전 검토를 통해 가장 유력하다고 판단되는 R236fa의 냉각성능 특성을 실험적 방법으로 비교·평가하였다.
- 응축측 환경 모사부는 응축기를 통과하는 공기의 질량유량과 입구온도를 모사하기 위한 것으로서, 응축기 입구 공기온도는 항온실의 온도제어를 통해 조절하였으며, 응축기 입구 공기유량은 흡입송풍기 모터의 회전수를 인버터를 통해 조절하였다. 응축기 입·출구에 정밀도 ±0.
- 증발기 입·출구 온도를 측정하기 위하여 정밀도 ±0.15 의 3선식 Pt 100 Ω의 측온저항체를 설치하였다.
- 증발측 환경 모사부는 포드 내부에서의 열부하량과 증발기 공기유량을 모사하기 위한 장치로서 실제 시스템과 같이 밀폐시스템으로 구성하였다. 유로 내부에는 증발기, 송풍기, 가열기, 유량계, 온도계 및 압력계로 구성되어 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서 대상으로 하는 항공전자기기용 포드 내부의 구조는 Fig. 1에서와 같이 전자장비부와 냉각시스템으로 구성되어 있다. 포드 내부에 장착된 장비들로부터의 열부하 뿐만 아니라, 항공기가 고속으로 비행함에 따라 발생되는 공력가열(aerodynamic heating)에 의해 포드 내부온도는 정상적인 작동 성능을 저해시킬 만큼 온도가 상승하게 된다.
- 본 연구에서는 증기압축사이클 방식의 냉각 시스템을 대상으로 하였으며, 냉매 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브 및 송풍기로 구성하였다. 송풍기에 의해 증발기를 통과하면서 냉각된 저온의 공기는 덕트를 통해 전자장비부를 통과하여 다시 증발기로 돌아오는 구조이다.
- 2에 나타내었다. 실험장치는 크게 냉매사이클부, 증발측 환경 모사부, 그리고 응축측 환경 모사부로 구성되어 있다. 본 냉각시스템의 정격 냉각용량은 2.
- 증발기와 응축기는 알루미늄 재질의 CF(Cross Flow) 열교환기를 장착하였으며, 증발기의 사이즈는 폭 175 mm, 높이 170 mm, 깊이 110 mm 이며, 응축기의 사이즈는폭 150 mm, 높이 173 mm, 깊이 100 mm 이다. 전열관의 높이는 2.0 mm, 두께는 0.45 mm이며, 증발기 및 응축기 모두 17개의 전열관으로 구성되어 있다. 전열핀은 옵셋-스트립 핀(offset-strip fin)을 적용하였으며, 핀 높이는 6.
- 6 mm인 전자식 팽창밸브(EEV, Electronic Expansion Valve)를 적용하였으며, 4상 24극 스텝모터 구동방식으로 500스텝까지 개도가 조절된다. 증발기와 응축기는 알루미늄 재질의 CF(Cross Flow) 열교환기를 장착하였으며, 증발기의 사이즈는 폭 175 mm, 높이 170 mm, 깊이 110 mm 이며, 응축기의 사이즈는폭 150 mm, 높이 173 mm, 깊이 100 mm 이다. 전열관의 높이는 2.
- 58 m 3/h이다.팽창밸브로는 오리피스 직경이 1.6 mm인 전자식 팽창밸브(EEV, Electronic Expansion Valve)를 적용하였으며, 4상 24극 스텝모터 구동방식으로 500스텝까지 개도가 조절된다. 증발기와 응축기는 알루미늄 재질의 CF(Cross Flow) 열교환기를 장착하였으며, 증발기의 사이즈는 폭 175 mm, 높이 170 mm, 깊이 110 mm 이며, 응축기의 사이즈는폭 150 mm, 높이 173 mm, 깊이 100 mm 이다.
이론/모형
- 15 의 3선식 Pt 100 Ω의 측온저항체를 설치하였다. 공기유량은 노즐법 (7)으로 측정하였다. 노즐전후의 차압은 디지털 차압계를 사용하였으며, 정밀도는 측정값의 ±0.
성능/효과
- (1~3) 공기사이클은 비행 중에 얻어지는 고압 공기를 이용하기 때문에 고속비행에서는 높은 성능을 발휘하지만 저속비행에서는 냉각성능이 감소하는 반면에,(2) 증기압축사이클은 저속에서도 정상적인 냉각성능 확보가 가능하다.(3) 전력소비 측면에서 증기압축 사이클은 압축기 및 송풍기에서의 소비전력이 매우 높은 반면에, 공기사이클에서는 제어용 전력이외의 별도 동력이 필요 없다. 따라서 항공기로 부터의 전력공급의 확보가 가능한 곳에서는 주로 증기압축 냉각방식이 선호되며, 사용 가능 전력에 제약이 있는 시스템에서는 공기사이클이 주로 적용되고 있다.
- 초기에는 AC 인버터 방식이 주종을 이루었으나, 현재에는 DC 인버터 방식의 채용이 증가하고 있는 추세이다.(4) 냉매 유량제어 기술의 발전에 가장 큰 영향을 준 것으로 전자팽창밸브(EEV, Electronic Expansion Valve)를 들 수 있다. 전자팽창밸브는 부하변동에 따른 정밀한 제어가 가능하기 때문에 냉동시스템에 있어서는 필수부품으로 자리잡고 있다.
- 시스템 COP는 소비전력의 증가로 인해 두 냉매 모두 미소하게 감소하는 경향을 나타내었지만, EEV 개도에 따른 COP의 변화량은 크지 않음을알 수 있다. EEV 개도 26.4% 조건에서 R236fa 충전시의 COP는 2.020으로서, R124 충전시의 1.842보다 9.7% 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 압축비는 개도의 증가와 함께 감소하는 경향을 나타내며, R236fa 충전시의 압축비는 R124와 비교하여 약간 낮은 경향을 나타내었다. EEV 개도 26.4%(of full-opening) 조건에서, R236fa 충전시의 냉매유량은 62.2 kg/h로서 R124 충전시보다 약 12% 낮은 수준으로 나타났다. 이는 동일 EEV 개도에서 R236fa 충전시의 압축기 흡입압력이 R124충전시보다 낮아 흡입 냉매의 밀도가 감소했기 때문이다.
- 4℃ 높음을 알 수 있는데, 이는 R124와 비교하여 증발압력이 낮음에도 불구하고 포화증발온도는 상대적으로 높기 때문이다. EEV 개도가 점차 증가함에 따라, 증발기 출구 과열도는 감소하지만 증발온도의 상승의 영향으로 R236fa 및 R124 모두 공급 및 회수 공기 온도는 미소하게 상승하는 경향을 나타내었다.
- EEV 개도의 증가는 압축기의 압축비를 감소시키지만, 냉매유량의 증가폭이 상대적으로 크기 때문에 압축기 소비전력이 미소하게 상승하게 된다. 냉각성능이 가장 높은 EEV 개도인 26.4% 조건에서, R236fa 충전시의 소비전력은 985.6 W로서 R124 충전시의 1095.0 W보다 약 10% 낮은 값을 나타내었다. 시스템 COP는 소비전력의 증가로 인해 두 냉매 모두 미소하게 감소하는 경향을 나타내었지만, EEV 개도에 따른 COP의 변화량은 크지 않음을알 수 있다.
- 냉매유량은 R236fa 및 R124 모두 냉매 충전량의 증가와 함께 감소하는 경향을 나타내었다. 냉매 충전량의 증가와 함께 EEV 입구 과냉각도 증가로 증발기 입출구 냉매 엔탈피차가 증가하여, 동일 열부하량을 냉각하기 위한 필요 냉매유량이 감소하기 때문이다.
- 기존 냉각시스템에 적용되고 있는 R124와 대체냉매로서 가장 유력한 R236fa, 두 냉매의 냉각성능 및 사이클 운전특성을 냉매 충전량, EEV 개도, 그리고 압축기 운전 회전수를 변화시키면서 비교ㆍ평가하였다. 대체냉매인 R236fa를 적용 하여 냉각시스템을 설계ㆍ제작할 경우, 압축기 흡입냉매의 비체적 증가로 인해 압축기의 운전 회전수가 R124를 적용한 시스템과 비교하여 상대 적으로 크게 요구됨을 알 수 있었다. 이러한 압축기 운전 회전수의 증가는 시스템 소비전력을 증가시키게 되고, 냉각시스템의 에너지효율은 감소함을 알 수 있었다.
- 686이다. 따라서 R124 충전시와 비교하여 R236fa 충전시의 소비전력은 13.7% 높고, COP는 18.8% 낮은 수준으로 나타남을 알 수 있다. 즉, R236fa를 적용한 시스템의 냉각성능 및 시스템 효율을 최적화시키기 위해서는 압축기 및 흡입배관 계통에서의 재설계가 필요함을 알 수 있었다.
- 따라서, R236fa를 적용한 시스템이 R124를 충전한 시스템과 동일한 냉각성능을 확보하기 위해서는 압축기의 압축체적 또는 운전 회전수의 증가가 필요함을 알 수 있었다. 본 실험결과에서 R124를 충전한 시스템이 1,000 RPM으로 회전할 때의 공급 및 회수 공기온도는 각각 21.
- 압축기 회전 수의 증가는 압축기 흡입부에서의 냉매가스 유속의 증가로 인해 압축기체적효율을 감소시키게 된다. 또한, 증발압력 감소로 압축기 흡입구에서의 냉매 비체적이 증가하기 때문에 실제 냉매유량의 증가폭은 크지 않음을 알 수 있었다. 압축기 회전수 1,200 RPM 운전조건에서 R236fa 충전시의 냉매유량은 61 kg/h로서 68 kg/h인 R124 충전시와 비교하여약 10% 낮은 수준으로 나타났다
- 따라서, R236fa를 적용한 시스템이 R124를 충전한 시스템과 동일한 냉각성능을 확보하기 위해서는 압축기의 압축체적 또는 운전 회전수의 증가가 필요함을 알 수 있었다. 본 실험결과에서 R124를 충전한 시스템이 1,000 RPM으로 회전할 때의 공급 및 회수 공기온도는 각각 21.0℃ 및 47.4℃로서, R236fa를 적용한 시스템이 동일한 냉각성능을 확보하기 위해서는 1,750 RPM 수준으로 운전되어야 함을 알 수 있었다. 즉, R236fa 충전시에는 압축기 운전회전수를 R124 충전시와 비교하여 약 75% 상승시켜야 동일한 냉각성능을 확보할 수 있다.
- 3%이다. 본 실험장치의 측정 불확실도는 ASHRAE Guideline 2 (8)에 근거하여 평가되었으며, 소비전력은 2.3%, COP는 3.5% 수준으로 나타났다.
- 0 W보다 약 10% 낮은 값을 나타내었다. 시스템 COP는 소비전력의 증가로 인해 두 냉매 모두 미소하게 감소하는 경향을 나타내었지만, EEV 개도에 따른 COP의 변화량은 크지 않음을알 수 있다. EEV 개도 26.
- 또한, 증발압력 감소로 압축기 흡입구에서의 냉매 비체적이 증가하기 때문에 실제 냉매유량의 증가폭은 크지 않음을 알 수 있었다. 압축기 회전수 1,200 RPM 운전조건에서 R236fa 충전시의 냉매유량은 61 kg/h로서 68 kg/h인 R124 충전시와 비교하여약 10% 낮은 수준으로 나타났다
- 4%(of full-opening)로 고정하여 시험을 진행하였다. 압축기 회전수의 상승은 단위시간당 압축량을 증가시켜 증발압력은 감소하였으며, 압축기 소비동력의 상승으로 인한 응축부하의 증가로 응축압력은 상승하였다. 이러한 증발압력의 감소와 응축압력의 상승은 압축비를 크게 증가시키지만, 압축기 회전 수에 따른 두 냉매의 압축비는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
- 하지만, 냉매 충전량의 지속적인 증가는 증발압력을 다시 상승시키는 경향을 나타내었다. 응축압력은 냉매충전량의 증가와 함께 응축기에서의 과냉각 영역의 증가로 인해 지속적으로 상승하는 경향을 나타내었다. R236fa는 R124와 비교하여 임계온도가 높고 동일 포화온도에서의 압력이 R124대비 낮기 때문에, 증발압력 및 응축압력 모두 R124 충전시보다 낮게 나타났다.
- 대체냉매인 R236fa를 적용 하여 냉각시스템을 설계ㆍ제작할 경우, 압축기 흡입냉매의 비체적 증가로 인해 압축기의 운전 회전수가 R124를 적용한 시스템과 비교하여 상대 적으로 크게 요구됨을 알 수 있었다. 이러한 압축기 운전 회전수의 증가는 시스템 소비전력을 증가시키게 되고, 냉각시스템의 에너지효율은 감소함을 알 수 있었다. 따라서, 대체냉매인 R236fa 를 적용한 시스템의 최적화를 위해서는, 압축기의 압축체적의 재선정 및 체적효율 향상을 위한 설계상의 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 압축기 회전수의 상승은 단위시간당 압축량을 증가시켜 증발압력은 감소하였으며, 압축기 소비동력의 상승으로 인한 응축부하의 증가로 응축압력은 상승하였다. 이러한 증발압력의 감소와 응축압력의 상승은 압축비를 크게 증가시키지만, 압축기 회전 수에 따른 두 냉매의 압축비는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
- 8% 낮은 수준으로 나타남을 알 수 있다. 즉, R236fa를 적용한 시스템의 냉각성능 및 시스템 효율을 최적화시키기 위해서는 압축기 및 흡입배관 계통에서의 재설계가 필요함을 알 수 있었다.
- 4%(of full-opening)로 고정하였다. 증발압력은 냉매충전량의 증가와 함께 R236fa 및 R124 모두 감소하며, 충전량 600g 부근에서 최저점을 나타내었다. 하지만, 냉매 충전량의 지속적인 증가는 증발압력을 다시 상승시키는 경향을 나타내었다.
- 낮은 EEV 개도에서는 냉매순환량의 감소로 증발기 출구에서의 과열도가 증가하여, 증발기에서의 현열교환 영역이 증가했기 때문이다. 특히, EEV 개도가 감소함에 따라 증발기 출구에서의 과열도의 변화는 크게 나타났으며, 이와 함께 공급 및 회수 공기 온도가 크게 상승함을 알 수 있었다.
- 회전 수 증가로 인한 단위 시간당 압축량의 증가는 냉매 유량을 증가시키는 경향을 보이지만, 냉매 유량의 증가율은 압축기 회전수의 상승율보다 낮음을 알 수 있었다. 압축기 회전 수의 증가는 압축기 흡입부에서의 냉매가스 유속의 증가로 인해 압축기체적효율을 감소시키게 된다.
후속연구
- 이러한 압축기 운전 회전수의 증가는 시스템 소비전력을 증가시키게 되고, 냉각시스템의 에너지효율은 감소함을 알 수 있었다. 따라서, 대체냉매인 R236fa 를 적용한 시스템의 최적화를 위해서는, 압축기의 압축체적의 재선정 및 체적효율 향상을 위한 설계상의 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 4%(of full-opening)에서 R236fa 및 R124 모두 가장 낮은 공기온도를 나타냈다. 이때의 증발기 출구 과열도는 R124 및 R236fa 모두 11.0℃수준으로 나타났으며, 향후 과열도 제어 알고리즘을 위한 기준값을 11.0℃로 하여 설정하는 것이 최적의 냉각성능을 나타낼 것으로 판단된다. R124 충전시의 최저 공급 및 회수 공기온도는 각각 17.
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