$-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$ 범위의 저온 증발온도를 얻기 위해서는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템이나 캐스케이드 냉동 시스템이 필요하다. 하지만 이러한 냉동시스템의 성능 비교에 대한 연구 결과는 대단히 부족한 실정이다. 본 논문은 R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템과 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 성능을 서로 비교한 것이다. $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$의 증발온도 범위에서 2단 압축 1단 팽창식 냉동시스템의 성능계수가 캐스케이드 냉동시스템 보다 약 36%~57% 정도 높다. 하지만, 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 경우 증발온도와 압축효율 감소시에 성능계수의 변화가 커서 안정적이지 못하다. 특히, 압축효율 감소시에 성능계수가 크게 감소하는데, 이는 장기간 냉동 시스템의 사용시에 단점이 될 수 있다. 반면, R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템은 자연냉매를 사용하여 친환경적이며, 고온과 저온 사이클에 사용되는 냉매의 적절한 선택에 의해서 다양한 온도영역에서 고효율 냉동 시스템을 구성할 수 있다. 위의 결과로부터, 성능과 환경적인 측면을 고려하여 용도에 따라 적합한 저온 냉동시스템을 선택하는 것이 좋으리라 판단된다.
$-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$ 범위의 저온 증발온도를 얻기 위해서는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템이나 캐스케이드 냉동 시스템이 필요하다. 하지만 이러한 냉동시스템의 성능 비교에 대한 연구 결과는 대단히 부족한 실정이다. 본 논문은 R744-R404A용 캐스케이드 냉동시스템과 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 성능을 서로 비교한 것이다. $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$의 증발온도 범위에서 2단 압축 1단 팽창식 냉동시스템의 성능계수가 캐스케이드 냉동시스템 보다 약 36%~57% 정도 높다. 하지만, 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 경우 증발온도와 압축효율 감소시에 성능계수의 변화가 커서 안정적이지 못하다. 특히, 압축효율 감소시에 성능계수가 크게 감소하는데, 이는 장기간 냉동 시스템의 사용시에 단점이 될 수 있다. 반면, R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템은 자연냉매를 사용하여 친환경적이며, 고온과 저온 사이클에 사용되는 냉매의 적절한 선택에 의해서 다양한 온도영역에서 고효율 냉동 시스템을 구성할 수 있다. 위의 결과로부터, 성능과 환경적인 측면을 고려하여 용도에 따라 적합한 저온 냉동시스템을 선택하는 것이 좋으리라 판단된다.
In order to obtain a low evaporation temperature ranging from $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$, a cascade refrigeration system and two-stage compression one-stage expansion refrigeration system is required. However, the research results of performance comparison of these refrigeration sys...
In order to obtain a low evaporation temperature ranging from $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$, a cascade refrigeration system and two-stage compression one-stage expansion refrigeration system is required. However, the research results of performance comparison of these refrigeration system are very scarce. This paper were compared the performance characteristics of R744-R404A cascade refrigeration system and R404A two-stage compression refrigeration system. The COP of R404A two-stage compression refrigeration system is about 36~57% greater than that of R744-R404A cascade refrigeration system in the range of evaporation temperature of $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$. But R404A two-stage compression refrigeration system is unstable because COP is significantly changed when evaporating temperature and compressor efficiency decreased. In particular, when compressor efficiency decreased, COP is significantly decreased. In this case, not efficient for long-term use. Whereas R744-R404A cascade refrigeration system using natural refrigerants. Therefore, it is environmentally friendly. And this system is high-efficiency refrigeration system. The reason it can be configured by selecting the suitable refrigerant at high-temperature side and low-temperature side. From the above results, select the appropriate low temperature refrigeration system by considering the environmental and performance aspects.
In order to obtain a low evaporation temperature ranging from $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$, a cascade refrigeration system and two-stage compression one-stage expansion refrigeration system is required. However, the research results of performance comparison of these refrigeration system are very scarce. This paper were compared the performance characteristics of R744-R404A cascade refrigeration system and R404A two-stage compression refrigeration system. The COP of R404A two-stage compression refrigeration system is about 36~57% greater than that of R744-R404A cascade refrigeration system in the range of evaporation temperature of $-30^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$. But R404A two-stage compression refrigeration system is unstable because COP is significantly changed when evaporating temperature and compressor efficiency decreased. In particular, when compressor efficiency decreased, COP is significantly decreased. In this case, not efficient for long-term use. Whereas R744-R404A cascade refrigeration system using natural refrigerants. Therefore, it is environmentally friendly. And this system is high-efficiency refrigeration system. The reason it can be configured by selecting the suitable refrigerant at high-temperature side and low-temperature side. From the above results, select the appropriate low temperature refrigeration system by considering the environmental and performance aspects.
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문제 정의
Table 2는 본 연구에서 사용되는 캐스케이드 냉동 시스템의 성능 분석 범위를 나타내었다. Table 2의 분석 조건으로부터 캐스케이드 냉동 시스템의 과열도와 증발온도의 인자들이 COP에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
향후, 본 연구에 대한 실험장치를 설계 및 제작하여 실험을 통해 얻은 데이터와 분석을 통해 얻은 데이터를 서로 비교하여 성능 우위를 확인할 것이다. 또한, 이러한 실험데이터를 바탕으로 캐스케이드 냉동장치와 2단 압축 1단 팽창 냉동장치의 최종 설계안을 제시하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 우선 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 COP가 증발온도와 과열도에 미치는 영향을 분석한 후, 이 결과를 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 성능과 비교한다. 이를 통해 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템과 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
4) 저온과 고온사이클의 팽창밸브내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피 과정이다.
5) 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
6) 캐스케이드 열교환기내 증발 및 응축 온도(Tcas ,e, Tcas ,c)는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 중간 압력(Pm)의 ± 2.5 ℃로 한다.
7) 두 시스템의 저단측 냉매 순환량은 0.1 [kg/s]이다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 압력, 온도 등)와 성능 분석은 EES (Engineering Equation Solver)[10] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 고온 사이클에는 R744 냉매를, 저온 사이클에는 R404A 냉매를 적용하고, 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템에 사용된 EES의 정확도를 보이기 위해 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템을 참고문헌 [12]와 같은 조건에서 비교해 보았다. Fig.
따라서 본 논문에서는 우선 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 COP가 증발온도와 과열도에 미치는 영향을 분석한 후, 이 결과를 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 성능과 비교한다. 이를 통해 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템과 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 압력, 온도 등)와 성능 분석은 EES (Engineering Equation Solver)[10] 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 고온 사이클에는 R744 냉매를, 저온 사이클에는 R404A 냉매를 적용하고, 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
응축온도(30℃), 캐스케이드 온도차(5℃), 과열도(10℃), 과냉각도(10℃), 압축효율(0.8), 기계효율(0.8) 등이 일정한 운전 조건에서 증발기의 온도를 -30℃∼-50℃까지 증가시키면서 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템과 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 성능계수를 비교하였다.
지금까지 Table 2와 4의 운전조건에서 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 시스템과 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템의 성능 특성 파악 및 성능 비교를 하였다. 그 결과, 성능면에서는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템이 캐스케이드 냉동 시스템 보다 우수하기 때문에 -30℃∼-50℃의 범위에서 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템을 사용하는 것이 유리하리라 판단된다.
캐스케이드 냉동 시스템과 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템의 과열도 증가시 성능 계수의 영향을 파악하기 위해 증발온도(-50℃), 응축온도(40℃), 캐스케이드 온도차(5℃), 과냉각도(10℃), 압축효율(0.8), 기계효율(0.8)인 조건에서 분석하였다.
성능/효과
1) 저온과 고온사이클의 압축기내 냉매는 단열압축과정이고, 압축효율과 기계효율은 모두 0.8이다.
그 결과, 성능면에서는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템이 캐스케이드 냉동 시스템 보다 우수하기 때문에 -30℃∼-50℃의 범위에서 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템을 사용하는 것이 유리하리라 판단된다.
후속연구
반면, R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템은 자연냉매를 사용하므로 친환경적이며, 고온과 저온 사이클에 사용되는 냉매의 적절한 선택에 의해서 다양한 온도대에서 고효율 냉동 시스템을 구성할 수 있다. 향후, 본 연구에 대한 실험장치를 설계 및 제작하여 실험을 통해 얻은 데이터와 분석을 통해 얻은 데이터를 서로 비교하여 성능 우위를 확인할 것이다. 또한, 이러한 실험데이터를 바탕으로 캐스케이드 냉동장치와 2단 압축 1단 팽창 냉동장치의 최종 설계안을 제시하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프레온계 냉매가 지구온난화 및 오존층 파괴로 사용이 제한됨에 따라 어떤 대체 냉매가 거론되고 있는가?
지금까지 R744-R404A용 캐스케이드 냉동 시스템이나 R404A용 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템에 사용되어 왔던 프레온계 냉매는 지구온난화와 오존층 파괴로 인해 사용이 제한되어 있다. 따라서 이에 대한 대체 냉매로는 R717(암모니아), R1270(프로필렌), R290(프로판), R744(이산화탄소)와 같은 환경 친화적 자연냉매들이 거론되고 있다[3,4]. 이들 자연냉매 중에 R717은 독성이 강하여 인체에 해롭고, R1270과 R290은 탄화수소계 냉매로서 폭발성이 강하기 때문에 위험하다.
캐스케이드 냉동 시스템의 특징은 무엇인가?
동결 식품의 저장 등에 사용하는 -30℃∼-50℃ 범위의 저온 증발온도를 얻기 위해서는 2단 압축 1단 팽창식 냉동 시스템이나 2개의 독립된 사이클을 이용하는 캐스케이드 냉동 시스템이 필요하다[1,2]. 우선 이들 저온 냉동 시스템의 특징 및 차이점을 살펴보면, 캐스케이드 냉동 시스템은 고온측과 저온측 사이클에 각각 서로 다른 두 개의 냉매를 사용하는 것이다. 즉, 고온과 저온 사이클에 사용되는 냉매의 적절한 선택에 의해서 다양한 온도대에서 고효율 냉동 시스템을 구성할 수 있다.
2단 압축 냉동 시스템의 단점은 무엇인가?
즉, 고온과 저온 사이클에 사용되는 냉매의 적절한 선택에 의해서 다양한 온도대에서 고효율 냉동 시스템을 구성할 수 있다. 반면에 2단 압축 냉동 시스템은 증발기에서 증발한 냉매 가스를 저단 압축기와 고단 압축기를 사용하여 압축하는 방식으로, 증발기 운전조건에 따라 중간냉각기에서 바이패스되는 냉매량을 제어하기 어렵고, 유지 관리가 곤란한 단점이 있다. 따라서 저온 냉동창고용 냉동시스템으로 어떠한 것을 선택해서 사용해야 하는지 명확하지 않다.
참고문헌 (12)
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R. Liopis, E. Torrella, R. Cabello, D. Sanchez "Performance evaluation of R404A and R507A refrigerant mixtures in an experimental double-stage vapour compression plant", Department of Mechanical Engineering and Construction Campus de Riu Sec, Jaume I University, E-12071 Castellon, Spain, pp. 1546-1553, 2010.
E. Torrella, J. A. Larumbe, R. Cabello, R. Llopis, D. Sanchez, "A general methodology for energy comparison of intermediate configurations in two-stage vapour compression refrigeration systems", Department of Applied Thermodynamics, Camino de Vera, 14, Polytechnic University of Valencia, E-46022 Valencia, Spain, pp. 4119-4124, 2011.
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H. M. Getu and P. K. Bansal, "Thermodynamic analysis of an R744-R717 cascade refrigeration system", Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland, New Zealand, pp. 45-54, 2008.
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