[논문]온도 감지식 팽창밸브 감온통 질소가스 혼합냉매의 동특성 연구

김시영; 구수진; 주창식

doi:10.9726/kspse.2014.18.1.069

온도 감지식 팽창밸브 감온통 질소가스 혼합냉매의 동특성 연구
A Study on the Dynamic Characteristics of Nitrogen Mixed Gas for Thermostatic Expansion Valve Sensing Blub 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.1, 2014년, pp.69 - 75

김시영 (부경대학교 기계시스템공학과) , 구수진 (부경대학교 방위과학기술연구소) , 주창식 (부경대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The pressure and temperature characteristics of mixed refrigerant gases in bulb for thermostatic expansion valve were studied using R22 refrigerant and $N_2$ gases. The characteristics of mixed refrigerant gases were investigated according to pressure variation and the variation of composition ratio of R22 refrigerant and $N_2$ gases in the temperature range of -$15^{\circ}C$~$15^{\circ}C$. The Maximum operating pressure(MOP) of mixed refrigerant gases were showed a tendency to decrease with decreasing the mixing ratio of $N_2$ gas. The characteristics in the case of the mixing ratio of 90:1 for R22 refrigerant and $N_2$ gases were the same result as Reference refrigerant. In addition, the characteristics of the mixed refrigerant gases in the mixing ratio of 90:1 for R22 refrigerant and $N_2$ gases were showed almost linear in the measurement range of pressure-temperature, and the physical properties also were showed similar results with Reference refrigerant. It was able to confirm that a MOP on the thermostatic expansion valve for sensing bulb can be maintained by adjusting the mixing ratio of R22 refrigerant and $N_2$ gases.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 감온통내 혼입 가스를 제조하기 위하여 냉매 R22(Chlorodifluoromethane⁵⁾에 새로운 가스를 혼합하여 그 혼합비(R22/혼합가스)비 비율을 변화시키면서 감온통 온도 감지 변화에 따른 압력변화를 측정하여, 그 동특성을 분석 조사 하였다.

가설 설정

- 기존냉매(R22)와 화학적으로 반응하지 않는다.
3) 혼합가스 온도의 상승(Rising bulb temp.)에 의하여 최대조작압력에 도달 하면 팽창밸브는 닫힌다. 팽창밸브의 과열도 설정이 변경되면 MOP점(point)이 변한다.

제안 방법

기존냉매(R22)를 고압반응기 부피의 80% 정도 충진 한 후 불활성 가스를 주입하고 서로 잘 혼합이 될 수 있도록 상온에서 2시간 정도 방치 후 -15℃ ~15℃ 범위에서 압력변화를 측정하여 표준물(Sporlan, MOP)과 비교하였다. 그리고 연구에 사용된 냉매는 R22(purity 99.

대상 데이터

기존냉매(R22)를 고압반응기 부피의 80% 정도 충진 한 후 불활성 가스를 주입하고 서로 잘 혼합이 될 수 있도록 상온에서 2시간 정도 방치 후 -15℃ ~15℃ 범위에서 압력변화를 측정하여 표준물(Sporlan, MOP)과 비교하였다. 그리고 연구에 사용된 냉매는 R22(purity 99.5%, HUSUNG, Korea), 첨가제는 질소(purity 99.999%, Praxair, Korea)를 사용하였다.
이상의 조건을 만족하고 새로운 첨가 가스로서 상용 제품(Sporlan 사)의 최대조작압력(MOP)을 기준을 고려하여 불활성가스(Inert gas) 중 상업적으로 가장 많이 사용되고 있는 질소가스(N₂)¹⁴⁾를 혼합 첨가제 가스로 선정 하였다.

이론/모형

감온통에 봉입되는 냉매가스를 최대조작압력(MOP)으로 증가시키기 위하여 첨가되는 첨가제는 온도와 압력의 민감도(Sensitivity)이 낮고 과열도 구간(-15℃~15℃)에서 압력이 비례적으로 증가하여야 한다. 봉입되는 가스의 증기압(P)과 온도(T)의 관계식은 식(4)의 Clausius-Clapeyron 식을 이용할 수 있다.¹²⁾

성능/효과

(1) R22냉매를 70wt%로 고정하고 질소가스의 첨가량을 7, 5, 3, 1wt%로 감소시키면 온도변화에 따른 압력변화량은 감소하였다.
(2) 질소가스량을 1wt%로 고정하고 반대로 R22냉매량을 80, 90wt%로 증가 시킨 결과 냉매량이 증가 할수록 압력변화량은 감소되었고, R22:N₂ =90:1인 경우 기준물질(R22 MOP, Sporlan)¹⁴⁾ 거의 일치하는 값을 보였다.
(3) 기존냉매(R22)에 새로운 첨가제 투입 전, 후의 실험결과를 회귀분석결과 y = ax + b 형태의 일차방정식이 구해지고 기울기가 약 2.3 인 Sporlan 사의 값과 동일 과열도 온도 범위안 에서 압력변화가 잘 일치 하였다.
기존냉매(R22)에 첨가제 투입전·후를 비교하면 온도변화에 따라 압력이 감소 또는 증가되는 현상만이 관찰 되었다. 또한, 회귀분석 결과를 종합해 보면 온도변화구간(-15℃ ~ 15℃)에서 모두 선형회귀방정식을 나타내었다. 선형 회귀방정식 (5)은 첨가제를 투입하기 전(R22 단독)¹³⁾이며, (6)는 기준물질(R22+α)¹³⁾의 경우이며, (7)은 새로운 첨가제(R22+N₂)를 첨가한 경우 이다.
특히 R²와 수정 전 R² 의 차가 적을수록 좋다. 본 연구에서의 실험자료는 단일냉매(R22)에 질소가스를 첨가한 경우 R² 와 수정 전 R² 의 차이가 0.0001 ~0.001 로서 아주 양호한 결과를 나타내었다.
상기 실험 자료를 바탕으로 질소 투입량을 1wt%로 고정하고 R22냉매 투입량을 70wt%에서 80wt% 및 90wt%로 증가시켜 온도변화에 따른 압력변화를 측정한 결과는 80wt%의 경우 70wt%와 동일한 결과를 나타내었으나, 90wt%의 경우는 기준물질과 동일한 압력 분포를 나타내었다. 이상의 실험결과를 종합하면 온도변화에 따른 압력변화량은 질소의 함량에 의해 의존하는 하는 것으로 판단이 된다.
이상의 결과를 종합해 보면 첨가제로 투입된 질소가스는 기존냉매(R22)와 전혀 반응하지 않고 기존냉매의 투입량의 증감 또는 첨가제의 증감에 따라 압력이 증가 또는 감소된 것으로 판단된다.
상기 실험 자료를 바탕으로 질소 투입량을 1wt%로 고정하고 R22냉매 투입량을 70wt%에서 80wt% 및 90wt%로 증가시켜 온도변화에 따른 압력변화를 측정한 결과는 80wt%의 경우 70wt%와 동일한 결과를 나타내었으나, 90wt%의 경우는 기준물질과 동일한 압력 분포를 나타내었다. 이상의 실험결과를 종합하면 온도변화에 따른 압력변화량은 질소의 함량에 의해 의존하는 하는 것으로 판단이 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팽창밸브에는 어떤 것들이 있는가?	냉동과 공기조화 장치를 구성하는 부품의 하나인 팽창밸브(expansion valve)는 냉동사이클에서 부하를 조정하는 제어기 이다. 이 장치에는 온도 감지식 팽창밸브(TXV, Thermostatic Expansion Valve)와 전자식 팽창밸브(EXP, Electronic Expansion Valve)가 있으며 이 장치의 역할은 증발기로부터 압축기에 흡입되는 증발 냉매가스의 과열도에 적응하는 냉매의 흐름을 조정하는 역할을 한다. 그리고 온도 감지식 팽창밸브(TXP)는 증발기 출구의 온도를 감지하여 과열도를 맞추기 위하여 냉매가스 유량을 조절하도록 하는 밸브이다.
	온도 감지식 팽창밸브의 최대조작압력은 무엇을 의미하는가?	여기서 최대조작압력(MOP, Maximum Operating Pressure))이란 감온통 내에 봉입된 혼합가스의 최대 동작 압력을 말한다.3) 혼합가스 온도의 상승(Rising bulb temp.
	팽창밸브는 무엇인가?	냉동과 공기조화 장치를 구성하는 부품의 하나인 팽창밸브(expansion valve)는 냉동사이클에서 부하를 조정하는 제어기 이다. 이 장치에는 온도 감지식 팽창밸브(TXV, Thermostatic Expansion Valve)와 전자식 팽창밸브(EXP, Electronic Expansion Valve)가 있으며 이 장치의 역할은 증발기로부터 압축기에 흡입되는 증발 냉매가스의 과열도에 적응하는 냉매의 흐름을 조정하는 역할을 한다.

참고문헌 (14)

C. Y. Park, 2009, "Electronic Expansion Valves VS. Thermal Expansion Valves", SAREK Journal, Vol. 38, No. 8, pp. 65-71.
S. P. Won, 2011, "Modelling of an Automotove Block Type Thermostatic Expansion Valve", SAREK Journal, Vol. 23, No. 4, pp. 251-258.
www.kvc.com, 1999, "Data sheet danfoss termo statiske ekspansjonsventiler".
D. Andrew et. al., 1968, "Modern Refrigeration and Air Conditioning", Goodheart Willcox. p. 343.
James M. Calm, 2008, "Properties and Efficiencies of R-410A, R-421A, R-422B and R-422D compared to R-22" JMC/RMS-0807a, pp. 1-10.
H. S. Chang, 2007, "Condensation Heat Transfer Characteristics of R-410A as an Alternative R-22 in the Condenser with Small Diameter Tubes", Clean Technology, Vol. 13, No. 2, pp. 151-158.
J. D. Kim, J. S. Lim and B. G. Lee, 2002, "CFC Alternative Refrigerants", Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 13, No. 6, pp. 491-501.

상세보기
D. S. Jung and Y. J. Song, 2000, "Performance of Alternative Refrigerant Mixtures for HCFC22, Int J Refrigeration. Vol. 23, No. 6, pp. 466-474.

상세보기
Domanski, P. A and Didion, D. A., 1993, "Thermodynamic evaluation of R22 alternative refrigerants and refrigerant mixtures", ASHRAE Trans. Vol. 99, Part2, pp. 636-648.

상세보기
W. Keith snelson. and J . W. linton, 1995, System Drop- in Tests Refrigerant Blend R- 125/R143a/ R134a (44%52%4%) Compared to R-502, ASHRAE Trans, Vol. 101, pp. 17-24.
D. Andrew et. al., 1968, "Modern Refrigeration and Air Conditioning", Goodheart Willcox. pp. 170-178.
W. David et. al., 1992, "Chemistry Science of Change", Winston Inc., p. 419.
www.spolan.com, 2000, "Refrigerant Pressure Temperature Table"
J. I. Yoon, 2013, " Effects on Heat Exchangers Efficiency on Performance of Cryogenic Refrigeration Cycles," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 58-63.

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