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문제 정의
- 본 연구에서는 R134a 냉매와 R1234yf 냉매의 냉동 사이클 특성을 분석하기 위하여 Fig. 1과 같이 실험장치를 제작하여 성능 평가를 수행하였다. 대체냉매 R1234yf는 기존 R134a 냉매 적용 에어컨 시스템과 작동 압력범위도 비슷하고 동일한 냉매오일(POE Oil)의 적용이 가능하므로 국내 완성차 공조시스템의 주요 부품을 사용하여 실험장치를 제작하여 Drop-in 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 냉매 R134a와 R1234yf의 기본 성능 평가를 실시하였으며, 대체냉매 R1234yf 적용 시스템의 성능 개선을 위하여 내부열교환기를 적용하여 성능을 비교 분석하였다.
- 이는 R1234yf 냉매를 적용한 시스템에서 R134a와 동일한 냉방능력을 확보하기 위해서 시스템 개선이 필요함을 나타낸다. 이를 위하여 본 연구에서는 응축기출구와 증발기출구의 냉매가 열교환이 이루어지도록 내부열교환기를 설치하여 응축기 출구에서의 과냉도를 확보하고 증발기에서 냉방성능을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- (5)은 R1234yf와 R1234yf에 R134a를 혼합하여 냉난방 성능을 평가하여 R134a 성능과 결과를 비교하였다. 냉방의 경우 4.
- Han et al.(6)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.
- (6)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.
- 내부열교환기는 이중관식 열교환기 형태로 외측 관의 외경은 22 mm이고 내측 관의 외경은 16 mm로 제작되었으며 총 길이는 900 mm로 설계하였다. 내부열교환기의 길이에 따라 사이클 특성이 다르게 나타나지만, 본 연구에서는 운전범위에서 내부열교환기를 통한 응축기 출구에서의 과냉도 효과가 5～8℃가 되도록 선정하였다. Fig.
- 냉동사이클의 분석을 위하여 주요 구성기기 전후의 온도, 압력 및 유량을 측정하였다. 시스템의 온도는 T-타입의 열전대를 사용하여 측정하였으며, 정밀도는 ±0.
- 1과 같이 실험장치를 제작하여 성능 평가를 수행하였다. 대체냉매 R1234yf는 기존 R134a 냉매 적용 에어컨 시스템과 작동 압력범위도 비슷하고 동일한 냉매오일(POE Oil)의 적용이 가능하므로 국내 완성차 공조시스템의 주요 부품을 사용하여 실험장치를 제작하여 Drop-in 평가를 수행하였다. 성능평가는 먼저 R134a 냉매를 실험장치의 시스템에 충전하여 냉매 최적충전량 실험과 압축기 회전속도에 따른 기본 성능 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 동일한 시스템에 냉매 R134a와 R1234yf를 각각 충전하여 성능 평가를 실시하여 두 냉매의 냉동사이클 특성을 비교하였다. 또한, R1234yf 냉매의 냉방성능 개선을 위하여 내부열교환기를 적용하여 기존 시스템과의 성능 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에서는 먼저 R134a 냉매에 대하여 충전량 실험을 통하여 냉매를 최적으로 충전하고 실험을 수행한 후, 동일한 방법으로 R1234yf 냉매를 충전하여 실험을 수행하였다. 실험 방법에 대한 내용은 Cho et al.
- 본 연구에서는 동일한 시스템에 냉매 R134a와 R1234yf를 각각 충전하여 성능 평가를 실시하여 두 냉매의 냉동사이클 특성을 비교하였다. 또한, R1234yf 냉매의 냉방성능 개선을 위하여 내부열교환기를 적용하여 기존 시스템과의 성능 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3은 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.
- 대체냉매 R1234yf는 기존 R134a 냉매 적용 에어컨 시스템과 작동 압력범위도 비슷하고 동일한 냉매오일(POE Oil)의 적용이 가능하므로 국내 완성차 공조시스템의 주요 부품을 사용하여 실험장치를 제작하여 Drop-in 평가를 수행하였다. 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 성능 변화를 고찰하였다. 압축기는 벨트로 전동모터와 연결하여 구동하도록 하였다.
- 실내측에는 증발기를 밀폐형 덕트에 삽입하여 설치하고 실외측에는 응축기와 압축기를 설치하였다. 압축기는 벨트로 전동모터와 연결하여 구동하도록 하였고 압축기의 회전수를 가변시키기 위하여 인버터를 사용하여 전동모터를 제어하였다. 압축기를 구동하기 위한 소비전력은 파워미터(power meter)를 이용하였으며 측정값의 정확도는 ±0.
- 자동차용 냉동시스템의 성능 평가를 위한 증발기측의 냉방용량을 구하기 위하여 공기측 열량과 냉매측 열량을 측정하여 비교하였다. 공기측 냉방용량은 공기측 열량계산에 의해 산출하였으며, 실내기 입구 및 출구의 건구온도 및 습구온도에 의해 엔탈피 차이와 노즐차압에 의해 측정된 풍량과 비체적을 이용하여 구할 수 있으며 이는 식(1)과 같다.
- 1%이다. 팽창장치는 블록식(block type) 온도감응 팽창밸브(TXV)를 적용하였다. 실험에 구성된 주요 부품은 국내 완성차 K사의 공조시스템을 사용하여 조립하였다.
대상 데이터
- 내부열교환기는 이중관식 열교환기 형태로 외측 관의 외경은 22 mm이고 내측 관의 외경은 16 mm로 제작되었으며 총 길이는 900 mm로 설계하였다. 내부열교환기의 길이에 따라 사이클 특성이 다르게 나타나지만, 본 연구에서는 운전범위에서 내부열교환기를 통한 응축기 출구에서의 과냉도 효과가 5～8℃가 되도록 선정하였다.
- 팽창장치는 블록식(block type) 온도감응 팽창밸브(TXV)를 적용하였다. 실험에 구성된 주요 부품은 국내 완성차 K사의 공조시스템을 사용하여 조립하였다. Table 1은 본 실험 장치의 주요 제원을 나타낸다.
성능/효과
- 1) 동일한 시스템에 냉매 R1234yf와 R134를 적용할 경우 R1234yf 적용 시스템에서 압축기 토출온도는 최대 8.3℃ 감소하였고, 냉매 질량유량은 최대 17% 증가하였다.
- 2) 압축기 소비동력은 R1234yf 냉매를 적용할 경우 내부열교환기를 적용하지 않은 경우 최대 3.9%, 내부 열교환기를 적용한 경우에는 최대 2.9% 감소하였다.
- 3) 냉방용량은 R1234yf 냉매를 적용할 경우 4～7% 정도 낮게 나타났으나, 성능개선을 위하여 내부열교환기를 적용할 경우 R134a 시스템과 비교하여 1.3～1.8% 감소를 나타내었다.
- 4) 동일한 시스템에 R1234yf 냉매를 적용할 경우 3.6～4.5% 정도의 COP 감소를 나타내었으나 내부열교환기를 적용할 경우 0.3～2.9%의 COP 감소를 나타내어 내부열교환기를 적용할 경우 시스템 성능개선에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 4는 다양한 운전조건에서 공기측과 냉매측의 냉방용량 측정을 통한 에너지 평형 오차율을 보여 주고 있다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이 측정된 실험 결과를 이용한 에너지 평형 오차율은 다양한 운전조건에서 약 5% 이내로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 공기측의 열량이 냉매측의 측정 열량에 비하여 약 3%정도 더 크게 나타나는 것으로 나타났다.
- 8은 운전조건 변화에 따른 압축기 소비동력을 나타낸다. 동일한 시스템에서 R1234yf 냉매를 적용한 경우 R134a 냉매보다 질량유랑이 증가함에도 압축기의 소비동력은 더 작게 나타났다. 이것은 R1234yf 냉매의 열역학적 특성상 저단과 고단측의 압축비가 R134a 냉매보다 낮아 소비동력 측면에서 유리하기 때문이다.
- 5는 압축기 회전수 변화에 따른 증발기와 응축기 출구에서의 압력을 나타낸다. 동일한 운전조건에서 증발기 출구에서는 냉매 R134a와 비교하여 냉매 R1234yf 의 증발압이 내부열교환기가 없는 경우에는 6～10%, 내부열교환기가 있는 경우에는 5～8% 정도 높게 나타났다. 반면에 응축기 출구에서는 R1234yf 냉매의 응축압이 내부열교환기가 없는 경우에는 최대 5%, 내부열교환기가 있는 경우에는 최대 4% 정도 낮게 나타났다.
- 2℃ 정도 낮게 나타났다. 따라서 R1234yf 냉매는 R134a 냉매와 비교하여 압축기 토출온도 상승에 따른 시스템의 신뢰성 측면에서 더 우수한 성능 특성을 나타내었다.
- 실험 측정을 통하여 저온에서는 R1234yf 냉매의 포화증기 압력이 높다가 냉매의 온도가 314 K 부근에서부터 R134a 냉매의 포화압력이 높아져서 360 K에서는 151 kPa의 압력차를 나타냄을 보였다. 또한, 온도에 따른 증발잠열량을 측정하여 R1234yf 냉매가 R134a와 비교하여 전체적으로 증발잠열이 작게 나타냄을 보였다.
- 는 R1234yf 냉매의 열역학적 물성치를 실험으로 측정하였으며, R134a 냉매와 물성치값을 비교하였다. 실험 측정을 통하여 저온에서는 R1234yf 냉매의 포화증기 압력이 높다가 냉매의 온도가 314 K 부근에서부터 R134a 냉매의 포화압력이 높아져서 360 K에서는 151 kPa의 압력차를 나타냄을 보였다. 또한, 온도에 따른 증발잠열량을 측정하여 R1234yf 냉매가 R134a와 비교하여 전체적으로 증발잠열이 작게 나타냄을 보였다.
- 자동차용 공조시스템에서 압축기의 소비동력이 크다는 것은 엔진의 부하를 크게 하여 연비가 나빠지는 것을 의미한다. 압축기 회전수가 증가함에 따라 내부열교환기를 적용하지 않은 경우에는 최대 3.9%까지 감소하였고, 내부열교환기를 적용한 경우에는 최대 2.9% 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 내부열교환기를 장착할 경우에는 압축기에서의 과열도와 압축비 증가로 인하여 내부열교환기를 장착하지 않은 경우와 비교하여 압축일은 증가하였다.
- 10은 R1234yf 냉매에 대하여 내부열교환기를 적용하지 않은 경우와 적용한 경우에 대하여 R134a 냉매 시스템과의 성능(COP) 비교를 나타낸다. 압축기의 소요동력은 R134a 냉매 적용시스템이 크지만, 내부열교환기를 적용하지 않은 경우에는 R1234yf 냉매 적용 시스템의 냉방용량 감소가 크기 때문에 시스템의 성능이 3.6～4.5% 정도 낮게 나타났다. 그러나 내부열교환기를 적용한 경우에는 시스템의 냉방용량의 증대로 인하여 압축기 회전영역이 800～1800 rpm 구간에서는 시스템의 성능이 0.
- 7은 내부열교환기를 적용한 개선 시스템과 기존의 시스템에 흐르는 냉매유량을 나타낸다. 압축기의 회전수가 증가함에 따라 시스템을 흐르는 냉매의 질량 유량은 증가하였고, 냉매 R1234yf 적용 시스템이 냉매 R134a 적용 시스템에 비하여 압축기 회전수의 전영역에 걸쳐서 내부열교환기를 장착하지 않은 경우에는 14～17%, 내부열교환기를 장착한 경우에는 12～14% 정도 증가하였다. 기존 시스템에서 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.
- 4에서 볼 수 있듯이 측정된 실험 결과를 이용한 에너지 평형 오차율은 다양한 운전조건에서 약 5% 이내로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 공기측의 열량이 냉매측의 측정 열량에 비하여 약 3%정도 더 크게 나타나는 것으로 나타났다.
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