[논문]습공기사이클 냉동시스템의 성능해석

원성필

doi:10.6110/kjacr.2014.26.11.504

[국내논문] 습공기사이클 냉동시스템의 성능해석
Performance Analysis of a Wet Air-Cycle Refrigeration System 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.11, 2014년, pp.504 - 511

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The objective of this study is to theoretically analyze the performance of an open wet air-cycle refrigeration system, which nowadays is increasingly generating environmental concern. The temperature and relative humidity of the outside air are selected as the most important parameters. As the temperature and relative humidity of the outside air increase, the pressure ratio of the ACM compressor is determined to be nearly constant, the air temperature at the exit of the system increases, and the amount of condensed water, the cooling capacity, the COP, and the total entropy production rate increase overall. The effects of the effectiveness of the heat exchanger and the efficiency of the turbine on the performance are greater than that of the efficiency of the ACM compressor. Also, the performance of the wet air-cycle refrigeration system with two heat exchangers is enhanced, with a high COP and low total entropy production rate, compared to the system with a single heat exchanger.

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문제 정의

이상의 연구결과들을 종합적으로 검토해보면 해석 조건이나 실험 조건들에 따라 성능계수에 영향을 미치는 변수의 중요도가 다소 상이하고, 각 구성요소의 상대적인 중요성에 대한 비교결과가 다소 미흡한 편이며, 공조장치나 냉동시스템에 적용할 때 가장 중요한 입력변수인 외기온도나 상대습도에 대한 성능 비교분석도 미흡한 편이다. 따라서 본 연구는 외기온도와 상대습도의 변화가 성능에 어떤 영향을 끼치는지 자세히 검토하는데 일차적인 목적이 있으며, 일반 냉동 및 공기조화에 공기사이클 냉동의 적용 가능성을 평가하고자 한다. 본 연구에서는 Fig.
효율을 제외한 다른 입력조건이 Table 1과 같을 때, 구성요소 효율의 일률적인 변화(0.60에서 0.95까지)에 대한 결과를 살펴보자. 효율이 증가함에 따라 자동 결정되는 내부 압축기 압력비는 1.
본 연구는 요즈음 환경 문제로 관심이 증대되고 있는 공기사이클 냉동시스템의 성능을 이론적으로 해석하였다. 수증기를 함유한 습공기를 작동유체로 하여 계산하였으며, 압축기를 외부 압축기와 내부 압축기로 분리하고 터빈 출력이 내부 압축기의 소요 동력과 같다는 제한 조건 하에서 계산을 수행하였다.
본 논문은 2011년도 울산대학교 연구비 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드리는 바이다.

가설 설정

② 압력강하는 고려하지 않는다.
③ 압축기와 터빈은 잘 단열되어 있다.
(4) 외부 압력비가 크게 세팅될수록 관계되는 효율이 작아도 된다. 즉 효율이 작은 장치들로 시스템을 구성하려 한다면 외부 압축기의 압력비를 크게 세팅해야 요구되는 냉각온도를 얻을 수 있다.

제안 방법

Bhatti⁽²⁾는 공기사이클 냉동시스템을 차량용 공기조화 장치에 적용했을 때의 성능을 이론적으로 광범위하게 분석하였고, Spence et al.^(3-4)은 냉동트레일러용 공기사이클 냉동시스템의 시작품을 직접 제작하고 증기압축 냉동시스템인 모델명 Thermo King SL220과의 성능을 실험적으로 비교하였다. Wang et al.
따라서 본 연구는 외기온도와 상대습도의 변화가 성능에 어떤 영향을 끼치는지 자세히 검토하는데 일차적인 목적이 있으며, 일반 냉동 및 공기조화에 공기사이클 냉동의 적용 가능성을 평가하고자 한다. 본 연구에서는 Fig. 2(b)에서 보듯이 압축기를 외부 압축기와 터빈 출력에 의해서만 구동되는 내부 압축기(또는 ACM 압축기)로 나누어 해석한다. 이 경우 외부 압축기의 압력비가 매우 중요한 성능 제어변수가 된다.
(kPa)는 주어진 공기온도에서 포화되었다고 가정한 경우의 수증기 포화압력으로 노점(td )에서의 포화수증기 압력이다. 주어진 온도에서의 노점과 수증기 포화압력은 ASHRAE 핸드북 Fundamental⁽¹¹⁾에 있는 데이터를 피팅한 식으로 구하였다.
만일 습공기가 노점 이하의 온도로 유지되면 온도에 따라 수증기가 물로 응결되거나 얼음으로 빙결될 수 있는데 이 경우에는 관련된 잠열을 고려해야 한다. 포화수증기 엔탈피 h_g 와 잠열을 구하기 위한 포화수 엔탈피(h_f) 및 포화빙의 엔탈피(h_i)는 ASHRAE 핸드북에 있는 데이터를 피팅한 식으로 구하였다. 건공기 단위질량 당의 습공기의 엔트로피 s(kJ/kga·K)는
표에 나타난 조건을 기준으로 하여 외부 압축기의 압력비나 외기 온도, 상대습도 및 각종 효율 등을 각각 변화시켜가며 계산을 수행한다. 결과는 두 개의 제한조건이 만족될 때까지 반복적으로 계산하여 구한다.
본 연구는 요즈음 환경 문제로 관심이 증대되고 있는 공기사이클 냉동시스템의 성능을 이론적으로 해석하였다. 수증기를 함유한 습공기를 작동유체로 하여 계산하였으며, 압축기를 외부 압축기와 내부 압축기로 분리하고 터빈 출력이 내부 압축기의 소요 동력과 같다는 제한 조건 하에서 계산을 수행하였다. 해석 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

성능/효과

Wang et al.⁽⁵⁾은 고압 수분분리기를 사용하는 공기사이클 냉동시스템의 일반 공조장치로의 적용을 평가하고 수분분리기에서 응축된 고압수를 재사용함으로써 성능향상을 도모할 수 있다는 결과를 제시하였다. Kim et al.
이상의 연구결과들을 종합적으로 검토해보면 해석 조건이나 실험 조건들에 따라 성능계수에 영향을 미치는 변수의 중요도가 다소 상이하고, 각 구성요소의 상대적인 중요성에 대한 비교결과가 다소 미흡한 편이며, 공조장치나 냉동시스템에 적용할 때 가장 중요한 입력변수인 외기온도나 상대습도에 대한 성능 비교분석도 미흡한 편이다. 따라서 본 연구는 외기온도와 상대습도의 변화가 성능에 어떤 영향을 끼치는지 자세히 검토하는데 일차적인 목적이 있으며, 일반 냉동 및 공기조화에 공기사이클 냉동의 적용 가능성을 평가하고자 한다.
8은 성능계수와 총 엔트로피 생성률의 변화를 나타내고 있다. 총 엔트로피 생성률은 단순 증가하는데 반하여, 성능계수는 감소하다가 22℃ 부근에서 최소값을 나타낸 후 증가하는 경향을 보여주고 있다. 이것은 Fig.
상대습도 Φ가 0에서 1.0으로 증가할 때 내부 압축기의 압력비는 미세하게 감소하고(1.704 → 1.694), 출구 공기온도와 응결률은 큰 폭으로 증가하며(-15℃ → 25℃, 0 → 17 gw/s), 외부 압축기 소요 동력과 터빈 출력은 단조 증가하고 냉각률과 성능계수는 상대습도 0.2와 0.3 사이에서 최소값을 가지며(성능계수 최소 0.549, 최대 0.578, 오차 5%), 총 엔트로피 생성률은 약간 증가한다(0.240 → 0.275 kW/K, 14% 증가).
한편 효율 변화에 대해서 총 엔트로피 생성률 대비 각 구성요소 엔트로피 생성률이 차지하는 평균 비율은 외부 압축기가 21% 정도, 내부 압축기가 11%, 열교환기가 35%, 터빈이 33% 정도인 것으로 나타났다. 이것은 터빈 효율이나 열교환기 효율의 증대가 보다 큰 효과를 얻을 수 있다는 것을 보여주고 있다.
(1) 외부 압축기의 압력비를 증가시키면 대응하는 내부 압축기의 압력비가 높게 결정되고 낮은 냉각온도를 얻을 수는 있으나, 성능계수는 하락하고 총 엔트로피 생성률은 증가한다.
(2) 외부 공기온도와 상대습도의 변화는 최종 출구온도에 큰 영향을 미치나, 내부 압축기의 압력비나 성능계수 등에 대한 영향은 미미하다. 특히 동일한 외기온도에 대해서 상대습도가 감소함에 따라 더낮은 출구온도를 얻을 수 있기 때문에 상대습도는 중요한 제어변수가 된다.
(3) 각 구성 요소의 효율 증가는 성능을 증진시키나 상대적인 중요도에서 차이가 있다. 터빈과 열교환기에서의 효율 증대가 가장 영향이 크다.
(5) 열교환기를 추가로 장착하면 비용은 증가할 수 있으나 낮은 냉각 온도를 얻을 수 있고 성능계수가 증가하며 총 엔트로피 생성률은 하락하므로 전반적인 성능 향상을 이룰 수 있다.

후속연구

이 경우 외부 압축기의 압력비가 매우 중요한 성능 제어변수가 된다. 아울러 각 구성요소 효율의 상대적인 중요도를 검토하고, 엔트로피 생성률과 성능계수와의 상관관계 등을 최종적으로 검토하며, 두 개의 열교환기를 사용했을 때의 결과도 추가로 분석할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부 압력비가 크게 세팅될수록 관계되는 효율이 작아도 된다의 의미는?	(4) 외부 압력비가 크게 세팅될수록 관계되는 효율이 작아도 된다. 즉 효율이 작은 장치들로 시스템을 구성하려 한다면 외부 압축기의 압력비를 크게 세팅해야 요구되는 냉각온도를 얻을 수 있다.
	습공기란?	습공기는 건공기와 수증기의 혼합물로서 대부분의 열역학적 성질은 건공기 성분 값과 수증기 성분 값의 합으로 표시된다. 건공기는 하첨자 a를 수증기는 하첨자 w 를 사용한다.
	공기사이클 냉동(Air-cycle refrigeration, 일명 역브레이튼사이클)은?	공기사이클 냉동(Air-cycle refrigeration, 일명 역브레이튼사이클)은 Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이 공기를 냉매로 사용하기 때문에 환경친화성뿐만 아니라 신뢰성이 매우 높은 장점을 갖고 있으나, 성능계수가 작기 때문에 항공기용 공기조화와 같은 특수한 목적을 위해서만 주로 사용되어 왔다. 그러나 최근 환경 규제에 의한 천연 냉매에 대한 관심이 높아지면서 공기는 가장 친화적인 냉매로 새롭게 주목받고 있으며, 다양한 용도로 공기사이클 냉동기술이 개발되고 있다.

참고문헌 (11)

Kim, Y. M., 2005, Air cycle refrigeration technology, Journal of the Korea Society of Mechanical Engineers, Vol. 45, No. 8, pp. 23-25.
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Spence, S. W. T., Doran, W. J., and Artt, D. W. and McCullough, G., 2005, Performance analysis of a feasible air-cycle refrigeration system for road transport, International Journal of Refrigeration, Vol. 28, No. 3, pp. 381-388.

상세보기
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상세보기
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Kim, J. J. and Kim, T. S., 2007, Part load analysis of a reverse brayton cycle refrigerator using natural working fluids, Proceedings of the SAREK 2007 Summer conference, pp. 127-132.
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원문보기 상세보기
Conceicao, S. T. and Turcio, W. H. L., 2007, Thermodynamic study of aircraft air conditioning air cycle machines : 3-wheel x 4-wheel, SAE Paper 2007-01-2579.
Zhao, H., Zhu, Y. and Chen, S., 2009, Experimental study on the performance of an aircraft environmental control system, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, No. 16, pp. 3284-3288.

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ASHRAE, 2009, ASHRAE Handbook-Fundamentals.

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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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