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문제 정의
- 본 연구에서는 2실형 시스템 히트펌프의 압축기와 전자팽창밸브 개도 변화에 관한 과도성능 특성에 관한 실험적 연구를 수행하여 시스템 최적제어를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 또한 시스템 히트펌프의 특성상 냉매유량의 변화가 심하기 때문에 정확한 질량유량의 계측 및 시스템 안정성 확보를 위하여 실외기 출구에 수액기(receiver)를 설치하였다. 2대의 실내기가 설치되어 있으므로 수액기 출구로부터 어큐머레이터 입구까지의 냉매 배관이 가지는 저항을 동일하게 구성하기 위해 배관을 대칭으로 제작 설치하였다. 응축기를 거친 냉매의 과냉도 및 증발기를 지난 냉매의 과열도를 육안으로 확인하기 위해 각 열교환기 이후 배관에 가시관(sight glass)를 설치하였다.
- 2실형 가변속 시스템 히트펌프에 대하여 압축기 회전수와 전자팽창밸브 개도 변화에 따른 과도적 성능 실험을 통하여 다음의 결론은 얻었다.
- 전자팽창밸브는 스텝 모터형 전자팽창밸브이다. 각 구성품은 동관을 이용하여 연결하였으며, 압축기의 신뢰성 확보를 위해 압축기 입구에 어큐머레이터(accumulator)를 설치하였다. 또한 시스템 히트펌프의 특성상 냉매유량의 변화가 심하기 때문에 정확한 질량유량의 계측 및 시스템 안정성 확보를 위하여 실외기 출구에 수액기(receiver)를 설치하였다.
- 시스템의 성능 및 용량 측정을 위해 시스템 주요부위 및 공기측의 온도, 압력, 유량 및 전력량을 측정하였다. 데이터로거 및 적산전력계와 Labview 프로그램을 이용하여 데이터취득 시스템을 제작하였으며, 모든 데이터와 시스템히트펌프의 성능은 실시간으로 모니터링 하였다. 또한, 데이터 취득 프로그램은 데이터 측정과 성능 계산뿐만 아니라, A/D 카드 제어기능을 추가하여 압축기 회전수 및 전자팽창밸브의 개도를 제어할 수 있도록 구성 및 제작하였다.
- 데이터로거 및 적산전력계와 Labview 프로그램을 이용하여 데이터취득 시스템을 제작하였으며, 모든 데이터와 시스템히트펌프의 성능은 실시간으로 모니터링 하였다. 또한, 데이터 취득 프로그램은 데이터 측정과 성능 계산뿐만 아니라, A/D 카드 제어기능을 추가하여 압축기 회전수 및 전자팽창밸브의 개도를 제어할 수 있도록 구성 및 제작하였다.
- 실외기 및 실내기1, 2에 유입되는 공기의 부하조건을 구현하기 위해 냉동기, 가습기, 전기히터로 구성 된 3개의 항온 항습실 (psychrometric calori -meter)을 제작하였다. 시스템의 성능 및 용량 측정을 위해 시스템 주요부위 및 공기측의 온도, 압력, 유량 및 전력량을 측정하였다. 데이터로거 및 적산전력계와 Labview 프로그램을 이용하여 데이터취득 시스템을 제작하였으며, 모든 데이터와 시스템히트펌프의 성능은 실시간으로 모니터링 하였다.
- 전자팽창밸브의 개도 변화 시에는 시스템의 고·저압 및 냉매유량이 변하므로, 이때의 시스템의 과도적 현상에 대한 성능 규명이 필요하다. 실내기 #1 및 #2측의 공기온도를 27℃ DB/19.5℃ WB, 실외 측 공기온도를 35℃ DB/24℃ WB, 압축기 주파수를 50 Hz, 전자팽창밸브2의 개도를 198 스텝으로 고정하고 전자팽창밸브1의 개도 증가 및 감소시의 과도현상에 대한 성능 실험을 실시하였다.
- 초기 설치 후 시스템 내에 잔존하는 수분및 불순물을 제거하기 위해 필터 드라이어(filter dryer)를 사용하였으며 각 실내기에 흐르는 냉매의 유량 측정을 위해 수액기와 각 실내기의 팽창장치 사이에 질량유량계를 설치하였다. 실외기 및 실내기1, 2에 유입되는 공기의 부하조건을 구현하기 위해 냉동기, 가습기, 전기히터로 구성 된 3개의 항온 항습실 (psychrometric calori -meter)을 제작하였다. 시스템의 성능 및 용량 측정을 위해 시스템 주요부위 및 공기측의 온도, 압력, 유량 및 전력량을 측정하였다.
- 실외기 측의 입구공기 온도는 35℃ DB/ 24℃로 고정하고, 실내기는 27℃ DB/ 19.5℃ WB와 32℃ DB/ 22.5℃ WB에 대해서 수행하였으며, 냉방모드에 대하여 과도 실험을 수행하였다. 압축기의 회전수는 40에서 63 Hz의 범위에서 변화시켰으며, 전자팽창밸브 개도는 163 스텝에서 203 스텝의 범위에서 변화시켰다.
- 압축기의 회전수는 40에서 63 Hz의 범위에서 변화시켰으며, 전자팽창밸브 개도는 163 스텝에서 203 스텝의 범위에서 변화시켰다. 압축기와 전자팽창밸브 개도는 시스템이 안정화된 후 약 300초 후에 변화시켜 과도 성능을 측정하였다.
- 또한 액압축을 방지하기 위하여 압축기 입구상태가 과열 상태가 되어야하며, 이를 육안으로 확인하기 위해 압축기 입구 및 어큐머레이터 입구에도 가시관을 설치하였다. 초기 설치 후 시스템 내에 잔존하는 수분및 불순물을 제거하기 위해 필터 드라이어(filter dryer)를 사용하였으며 각 실내기에 흐르는 냉매의 유량 측정을 위해 수액기와 각 실내기의 팽창장치 사이에 질량유량계를 설치하였다. 실외기 및 실내기1, 2에 유입되는 공기의 부하조건을 구현하기 위해 냉동기, 가습기, 전기히터로 구성 된 3개의 항온 항습실 (psychrometric calori -meter)을 제작하였다.
대상 데이터
- 1은 2실형 시스템 히트펌프의 과도 성능 평가 실험장치의 개략도이다. 본 연구의 시스템 히트펌프는 실외기 1대와 실내기 2대로 구성되며, 스크롤 압축기, 열교환기(응축기, 증발기) 및 팽창 장치(전자팽창밸브)로 구성된다. 냉매는 실외기 열교환기 출구에서 분지하여 각각의 전자팽창밸브 및 실내기를 지난 후 각 실내기의 출구가 동일배관으로 합쳐져서 압축기로 흡입된다.
성능/효과
- (1) 압축기 주파수 변화폭이 큰 경우 시스템이 안정화되는데 오랜 시간이 소요되었으며, 복수의 실내기 중에 냉매 순환유량이 큰 실내기의 냉방용량 안정화 시간은 증가하였다.
- (3) 압축기 입출구온도, 응축압력, 증발압력, 과열도, 과냉도 등 많은 시스템 히트펌프의 운전변수 중에 과열도와 압축기 토출온도가 시스템 용량과 유사한 경향을 나타내므로, 시스템 용량의 효율적 제어 및 안정성 측면에서 과열도를 제어 변수로 채용하는 것이 타당한 것으로 분석되었다.
- (4) 전자팽창밸브의 개도 변화에 따른 시스템 안정화 시간은 압축기 주파수 변화시에 비하여 짧게 나타났으며, 전자팽창밸브 개도 증가 및 감소시에 모두 안정화 시간은 유사하게 나타났다.
- 개도 증가 시 실내기 #1과 #2측의 냉방용량 및냉매유량이 압축기 주파수 변화 시보다 빨리 안정되었는데, 이는 압축기 주파수 변화 시에는 시스템에 에너지 입력으로 인하여 압축기 입·출구상태가 크게 바뀌고 시스템의 각 요소 및 전자팽창 밸브 입·출구 조건이 바뀐 뒤에 다시 시스템이 안정점을 찾아가며, 특히 주파수 증가 시에는 압축기 전후에 인위적인 상태 변화가 발생하고 저압 측의 냉매가 어큐뮬레이터에 축적된 뒤에 고압 측으로 냉매가 공급되며 이로 인한 전자팽창밸브 입·출구 상태 변화를 통하여 팽창장치에서의 재균형을 거친 뒤에 시스템으로 냉매가 재순환되지만 전자팽창밸브 개도 변화 시에는 시스템에 에너지 투입이 없이 물리적인 변화만 일어난 것이므로 시스템을 흐르는 냉매의 각 기기 요소에서의 열역학적 상태 변화폭이 작으므로 시스템이 빠르게 안정된다. 50 Hz와 63 Hz 모두 전자팽창 밸브1의 개도가 163 스텝에서 203 스텝으로 변함에 따라 냉방용량은 20초, 냉매유량은 12초 만에 안정화 되었다.
- 압축기 주파수 상승 시와 같이 소요 동력은 30초안에 안정되었지만 냉방용량은 천천히 감소하였으며, 주파수 변화 폭이 클수록 안정화 되는데 오랜 시간이 소요되었다. 냉방능력은 주파수 상승 시보다는 조금 빠르게 안정화 되었는데, 이는 압축기 주파수 상승 시에는 저압 측의 급격한 감소로 냉매가 어큐뮬레이터로 급격히 이동한 후 천천히 냉매를 시스템으로 공급하지만 회전수 하강 시에는 급격한 냉매 이동이 없기 때문에 안정 속도가 더 빠르게 나타났다. Fig.
- 그러나, 실내기 사이에 용량 차이가 존재할 경우 용량이 큰 실내기의 안정화 시간이 좀 더 길게 나타난다. 시스템을 효율적으로 운전하기 위해서는 압축기 토출온도, 응축압, 증발압, 과열도, 과냉도 등 여러 변수 중의 일부분을 제어해야 하는데, 압축기 주파수 변화에 따른 시스템 용량은 과열도 및 토출온도 등과 유사한 경향을 나타냈지만, 안정화 시간을 고려한다면 압축기 주파수 조작량의 입력변수로 과열도를 사용하는 것이 더욱 타당할 것으로 판단된다.
- 9는 실내기간 부하가 다른 경우 압축기 주파수가 상승함에 따른과열도와 과냉도의 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다. 실내기간 부하가 동일한 경우에 비하여 과열도와 과냉도의 절대 값은 다소 차이가 났지만, 변화 경향과 안정화 시간은 거의 대등하였으며 냉방용량과 유사한 변화를 나타냈다. 따라서, 시스템 히트펌프의 각 실내기간 부하가 다른 경우 압축기로 과냉도나 과열도를 제어한다면 우수한 제어 성능을 얻을 수 있을 것으로 평가된다.
- 10, 11은 각각 압축기 주파수 감소 시시간의 변화에 따른 실내기 #1과 #2의 냉방용량과 시스템 소요 동력을 나타낸다. 압축기 주파수 상승 시와 같이 소요 동력은 30초안에 안정되었지만 냉방용량은 천천히 감소하였으며, 주파수 변화 폭이 클수록 안정화 되는데 오랜 시간이 소요되었다. 냉방능력은 주파수 상승 시보다는 조금 빠르게 안정화 되었는데, 이는 압축기 주파수 상승 시에는 저압 측의 급격한 감소로 냉매가 어큐뮬레이터로 급격히 이동한 후 천천히 냉매를 시스템으로 공급하지만 회전수 하강 시에는 급격한 냉매 이동이 없기 때문에 안정 속도가 더 빠르게 나타났다.
- 7은 압축기 주파수 증가에 따른 압축기 입구 과열도 및 응축기 출구 과냉도를 나타낸다. 압축기 주파수가 증가함에 따라 시스템을 흐르는 냉매유량이 증가하였으나, 응축압력의 증가로 인하여 시스템의 과냉도가 증가하였으며, 증발압력 감소로 과열도가 상승하였다.
- 12는 압축기 주파수 하강에 따른 과열도와 과냉도를 나타낸다. 압축기 회전수 하강에 따라 고압 및 저압의 차이가 감소하며 과열도 및 과냉도 모두 감소하였으며, 냉방용량의 안정과 유사한 경향을 나타냈다.
- 이때, 고압 측에 비하여 저압의 하강은 냉방용량에 크게 영향을 미친다. 저압측은 주파수 변화가 클수록 안정화되는데 오랜 시간이 소요되었으며, 주파수 변화폭이 작은 경우에는 목표치로 추종하여 갔으나, 주파수 변화폭이 큰 경우에는 고압은 최종 압력보다 증가하고 저압은 최종압력보다 감소한 뒤에 다시 안정화 되었다. 이는 압축기 흡입 쪽에 액상의 냉매가 흡입되어 토출압력이 급격히 상승하였다가 냉매유량이 안정화되면서 압력도 점차 안정화된 것으로 분석된다.
- 이는 실내기 #1측의 냉매유량 감소로 흡입측 압력이 급격히 하강하지만 공기 측과의 온도차이가 증가하여 열교환량 증가로 압축기 흡입측 온도 및 압력이 상승하여 압축기를 통과하는 냉매가 증가하여 시스템의 냉매유량이 다소 증가하기 때문이다. 전자팽창밸브 개도감소 시에도 개도 증가 시와 같이 압축기 주파수 변화 시에 비하여 용량및 유량이 빠르게 안정되었다.
- 2,3은 각각 압축기 주파수 증가시의 소요 동력과 실내기 #1 및 #2측의 냉방용량을 나타낸 것이다. 주파수를 증가하였을 때 소요 동력은 급속히 최종 소요 동력에 도달하였는데, 냉방용량은 비교적 천천히 최종 치에 도달하였다. 이는 압축기 회전수 증가 시 냉방용량은 공기의 열관성과 냉매 측의 물성치 변화 후에 안정화되기 때문이다.
후속연구
- (2) 압축기 주파수 증가폭이 큰 경우에는 압축기 흡입측에 액냉매가 유입되어 고압이 급격이 상승하였다가 시스템이 안정화되므로 시스템의 안정성 측면에서 주파수의 단계적 변화나 팽창장치의 저항 감소를 통하여 액압축 방지 등을 통한 시스템 제어 알고리즘 개발이 필요하다.
- 실내기간 부하가 동일한 경우에 비하여 과열도와 과냉도의 절대 값은 다소 차이가 났지만, 변화 경향과 안정화 시간은 거의 대등하였으며 냉방용량과 유사한 변화를 나타냈다. 따라서, 시스템 히트펌프의 각 실내기간 부하가 다른 경우 압축기로 과냉도나 과열도를 제어한다면 우수한 제어 성능을 얻을 수 있을 것으로 평가된다. 그러나, 과냉도 제어 시에는 압축기에서 습압축이 일어나는 경우에 대한 안정성 확보가 어려우므로 시스템 신뢰도 측면에서 과열도를 제어하는 것이 바람직할 것으로 분석된다.
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