R744-R404A 캐스케이드 냉동시스템의 최적 냉매 충전을 위한 질량유량비 분석 Mass flow rate ratio analysis for optimal refrigerant charge of a R744 and R404A cascade refrigeration system원문보기
본 논문은 R744-R404A 캐스케이드 냉동시스템의 최적 냉매 충전을 위해 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율 등에 대한 영향을 분석한 것이다. 연구에 사용된 캐스케이드 냉동시스템의 고온 사이클에는 R404A, 저온 사이클에는 R744를 적용하였다. 그 주요 결과는 다음과 같다 : 고온 사이클의 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율과 저온 사이클의 증발온도와 압축효율은 크게 할수록 질량유량비가 작게 나타났다. 그리고 캐스케이드 온도차와 고온 사이클의 증발온도, 응축온도와 저온 사이클의 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율은 작을수록 질량유량비가 작게 나타났음을 확인하였다.
본 논문은 R744-R404A 캐스케이드 냉동시스템의 최적 냉매 충전을 위해 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율 등에 대한 영향을 분석한 것이다. 연구에 사용된 캐스케이드 냉동시스템의 고온 사이클에는 R404A, 저온 사이클에는 R744를 적용하였다. 그 주요 결과는 다음과 같다 : 고온 사이클의 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율과 저온 사이클의 증발온도와 압축효율은 크게 할수록 질량유량비가 작게 나타났다. 그리고 캐스케이드 온도차와 고온 사이클의 증발온도, 응축온도와 저온 사이클의 과냉도, 과열도, 내부열교환기 효율은 작을수록 질량유량비가 작게 나타났음을 확인하였다.
In this paper, the influences of several factors, such as subcooling, superheating degree, internal heat exchanger efficiency, and etc. to the optimal amount of refrigerant charge are investigated for the case of R744-R404A cascade refrigeration system. Refrigerants used in the cascade refrigeration...
In this paper, the influences of several factors, such as subcooling, superheating degree, internal heat exchanger efficiency, and etc. to the optimal amount of refrigerant charge are investigated for the case of R744-R404A cascade refrigeration system. Refrigerants used in the cascade refrigeration system are R404A in high temperature cycle and R744 in the low temperature cycle. The main results are summarized as follows : The mass flow rate ratio decreases with increasing subcooling, superheating degree and internal heat exchanger efficiency in the high temperature cycle, and evaporating temperature and compression efficiency in the low temperature cycle. And the mass flow rate ratio decreases with decreasing temperature difference of cascade heat exchanger and evaporating, condensing temperature in the high temperature cycle, and subcooling, superheating degree and internal heat exchanger efficiency in the low temperature cycle.
In this paper, the influences of several factors, such as subcooling, superheating degree, internal heat exchanger efficiency, and etc. to the optimal amount of refrigerant charge are investigated for the case of R744-R404A cascade refrigeration system. Refrigerants used in the cascade refrigeration system are R404A in high temperature cycle and R744 in the low temperature cycle. The main results are summarized as follows : The mass flow rate ratio decreases with increasing subcooling, superheating degree and internal heat exchanger efficiency in the high temperature cycle, and evaporating temperature and compression efficiency in the low temperature cycle. And the mass flow rate ratio decreases with decreasing temperature difference of cascade heat exchanger and evaporating, condensing temperature in the high temperature cycle, and subcooling, superheating degree and internal heat exchanger efficiency in the low temperature cycle.
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문제 정의
R744를 사용하는 내부열교환기 부착 R404A 냉동시스템의 여러 변수들의 변화에 따른 질량유량비에 대해 알아보았으며, 이에 대한 결과들을 요약하면 다음과 같다.
따라서, 본 연구에서는 R744를 저온 사이클의 냉매로 사용하는 캐스케이드 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초데이터를 제공하고자 하는 것이며, 이를 위해 내부열교환기 부착 캐스케이드 냉동 시스템의 최적 냉매 충전량에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
이상에서 R744-R404A 캐스케이드 냉동시스템의 여러 변수들의 변화에 따른 영향에 대하여 알아보았다. 이에, 최적의 열역학적 설계 변수 설정을 위한 가이드로서 수학적 방정식이 필요하다.
가설 설정
• 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
• 팽창밸브 내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피과정이다.
1을 이용하여 분석하였다. 내부열교환기 부착 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 질량유량비(mR404A/mR744) 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
Table 1과 Table 2로부터 나온 분석값을 이용하여 R744-R404A 캐스케이드 냉동시스템의 질량유량비에 영향을 미치는 고 저온 사이클의 증발온도(TR404A, e, TR744, e), 과냉도(ΔTR404A, suc, ΔTR744, suc)와 과열도(ΔTR404A, suh, ΔTR744, suh), 내부열교환기 효율(ηR404, IHX, ηR744, IHX), 압축효율(ηR404A, c, ηR744, c), 캐스케이드 열교환기 온도차(ΔTcas), 고온 사이클의 응축온도(T R404A, con) 등의 변수들에 대해 살펴보고자 한다.
다중회귀분석을 통하여 여러 입력 변수들(고저온 사이클의 과냉도와 과열도, 내부열교환기와 압축효율, 캐스케이드 열교환기 온도차, 고온 사이클의 응축온도, 저온 사이클의 증발온도)에 대한 함수로써 최대 성능계수(COPmax)와 최적 질량유량비((mR404A/mR744)opt)에 대한 식을 다음과 같이 도출하였다.
데이터처리
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 압력, 온도 등)와 데이터 분석은 EES (Engineering Equation Solver, v8.574-3D, 2010) 소프트웨어를 이용하여 계산하였으며, 다중회귀분석은 IBM SPSS Statistics 2.1을 이용하여 분석하였다. 내부열교환기 부착 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 질량유량비(mR404A/mR744) 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
성능/효과
(1) 고온 사이클의 과냉도와 과열도는 크게 할수록 캐스케이드 냉동시스템의 질량유량비가 작게 나타났으며, 저온 사이클의 과냉도와 과열도는 적게 할수록 질량유량비가 작게 나타났다.
(2) 고온 사이클의 증발온도와 응축온도는 낮게, 캐스케이드 온도차는 작게 할수록 질량유량비가 작게 나타났으며 저온 사이클의 증발온도는 높을 수록 질량유량비가 작게 나타났다.
(3) 고온 사이클의 내부열교환기 효율이 높을수록 질량유량비가 작게 나타났으며 저온 사이클의 내부열교환기 효율이 낮을수록 질량유량비가 작게 나타났다.
(4) 고온 사이클의 압축기 효율은 질량유량비와는 무관하였으며 저온 사이클의 압축기 효율이 높을수록 질량유량비가 작게 나타났다.
또한 캐스케이드 열교환기 증발온도가 높을수록 질량유량비가 증가하는데 반해 Getu and Bansal[9] 논문에서는 캐스케이드 열교환기 증발온도가 높을수록 질량유량비가 감소한다. 이는 본 논문과 Getu and Bansal 논문의 큰 차이점은 내부열교환기 적용 여부와 고온 사이클에 적용한 냉매의 차이인데 본 논문에서 내부열교환기 효율을 0(내부열교환기가 없는 경우)으로 가정하면 동일한 경향과 질량유량비를 가지는 것이 확인되었다.
내부열교환기와 압축기 효율뿐만 아니라 다른 변수들의 변화와 캐스케이드 열교환기 증발온도에 따른 질량유량비의 증감을 잘 살펴보면 일정한 경향을 확인할 수가 있다. 캐스케이드 열교환기 증발 온도가 증가할수록 고온 사이클 변수들의 증감에 따라 질량유량비 변화의 폭이 작아지며, 저온 사이클 변수들의 증감에 따라서는 질량유량비 변화의 폭이 커지고 있음을 확인할 수 있다. 이는 자연냉매인 R744와 비공비 혼합냉매인 R404A의 냉매 고유의 물성치 특성에 따른 결과로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일본, 미국, 유럽에 사용되고 있는 자연냉매의 종류는?
환경문제로 인하여 R11, R12 등의 대체 냉매로 단일 혹은 여러 가지 혼합냉매들이 개발되었으나 지구온난화지수와 오존파괴지수로부터 자유로울 수 없다는 것이 알려지면서 일본, 미국, 유럽은 일찍이 ethanol, R717(NH3, 암모니아), R1270(프로필렌), R290(C3H8, 프로판), R744(CO2, 이산화탄소)와 같은 자연냉매(Natural refrigerant)들에 대하여 연구해오고 있다. 또한 냉매 누출에 대한 연구들도 이루어지고 있는데, 1993년 노르웨이에서 상업용 장치로부터 년 간 전체 30%에 달하는 냉매가 누출된다고 한다[1][2].
캐스케이드 냉동시스템은 무엇으로 구성되는가?
근래의 대형 할인마트에서는 -30 ~ -50℃의 저온을 얻기 위해서 캐스케이드 냉동시스템을 많이 이용하고 있다. 캐스케이드 냉동시스템은 저온 사이클과 고온 사이클로 구성이 되는데, 고온 사이클 내에는 ethanol, R717, R1270, R744, R290 등이, 저온 사이클 내에는 R744, R290, R717 등이 고려되고 있다[3]-[6]. 특히 유럽, 일본을 중심으로 한 선진국에서는 R744를 적용한 캐스케이드 냉동시스템에 대한 연구들이 가장 활발히 진행되고 있다.
참고문헌 (9)
O. J. Veiby, Internal Records, Documentation in the ICA Supermarket Chain in Norway, Oslo, Norway, 2003.
Sintef Vedleggsrapport til STF11 A93051 Brukeroversikt-Kuldmedier I Norge, SNTEF report no. STF11 F93058, Trondheim, Norway, 1993.
S. Sawalha, "Using $CO_2$ in supermarket refrigeration." Journal of American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, vol. 47, no. 8, pp. 26-30. 2005.
I. Wilson and D. Maier, 2006, "Carbon dioxide for use as a refrigerant. in: refrigeration science and Technology," Proceedings of International Institute of Refrigeration-Institute of Refrigeration, Heating and Air Conditioning Engineers Conference, Innovative Equipment and Systems for Comfort and Food Preservation. The University of Auckland, pp. 305-311, 2006.
S. N. Park and M. S. Kim, "Performance of autocascade refrigeration system using carbon dioxide and R134a," Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 11, no. 6, pp. 880-890, 1999 (in Korean).
C. Chaichana, L. Aye, and W. W. S. Charters, "Natural working fluids for solar-boosted heat pumps," International Journal of Refrigeration, vol. 26, no. 6, pp. 637-643, 2003.
H. K. Oh, C. H. Son, D. G. Lee, S. Y. Jeong, and Y. L. Kim, "Analysis of heat transfer and pressure drop during gas cooling process of carbon dioxide in transcritical region," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 28, no. 1, pp. 65-74, 2004 (in Korean).
H. K. Oh and C. H. Son, "Development of cascade refrigeration system using R744 and R404A-analysis on performance characteristics," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 2, pp. 182-188, 2011 (in Korean).
H. M. Getu and P. K. Bansal, "Thermodynamic analysis of an R744-R717 cascade refrigeration system," International Journal of Refrigeration, vol. 31, no. 1, pp. 45-54, 2008.
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