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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 간접 냉동시스템의 2차 냉매로서 CO2의 적용 가능성을 확인하기 위해서, 동일한 실험조건에서 2차 냉매인 CO2와 기존 브라인의 펌프 소비동력과 열전달계수를 서로 비교하여 분석한다. 이를 통해 CO2를 2차 냉매로 사용하는 간접 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 와 기존 브라인의 펌프 소비동력과 열전달계수를 서로 비교하여 분석한다. 이를 통해 CO2를 2차 냉매로 사용하는 간접 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 지금까지 본 연구에서는 2차 냉매인 CO2와 기존 브라인의 펌프 소비동력과 열전달계수를 실험적으로 비교함으로서 2차 냉매로서 CO2의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 따라서 본 연구에 대한 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 그리고, 증발기를 통과하는 CO2 2차 냉매는 동일한 입출구 온도(온도차 5℃)를 유지할 수 있도록 CO2 질량유량을 조절하였다. 그런 후, 기존 브라인과 CO2의 펌프 소비동력은 전력전산계(powermeter)를 이용하여 측정하였다. 그리고 기존 브라인과 CO2의 열전달계수는 실험데이터로부터 아래의 식 (1)∼(6)을 이용하여 계산하였다.
- 그 이유는 본 연구의 실험범위(-30℃∼-10℃)내에서 브라인 결빙을 방지하기 위해서이다. 그리고 2상류인 CO2의 열물성값은 기상과 액상의 평균값으로 계산하였다.
- 가 가장 작았다. 그리고 CO2와 기존 브라인의 열전달계수를 비교하였다. 그 결과, 동일한 증발 온도에서 CaCl2의 열전달계수가 가장 높고, 그 다음으로 CO2, EG, EA, PG 순으로 열전달계수가 높았다.
- 실험에서 CO2 2차 냉매시스템의 증발기는 일정한 열량(냉동능력)을 인가하기 위해서 10 kW 히터를 사용하였다. 그리고, 증발기를 통과하는 CO2 2차 냉매는 동일한 입출구 온도(온도차 5℃)를 유지할 수 있도록 CO2 질량유량을 조절하였다. 그런 후, 기존 브라인과 CO2의 펌프 소비동력은 전력전산계(powermeter)를 이용하여 측정하였다.
- 따라서 본 연구에서 실험하고자 하는 2차 냉매의 온도범위가 -30℃∼-10℃이므로(Table 1 참조), 각 브라인의 최저동결온도는 -35℃가 되도록 농도를 설정한 후, Table 1의 실험조건에 따라서 실험하였다.
- 의 열물성을 충분히 이해할 필요가 있다. 따라서 본 절에서는 CO2와 대표적인 단상 브라인의 펌프 소비동력과 열전달계수에 영향을 미치는 열물성치인 점성계수와 열전도도를 서로 비교하였다.
- 본 시스템이 정상상태가 되면 계측장비를 가동하여 측정부의 온도, 압력 및 질량유량의 데이터를 GPIB 통신을 이용하여 컴퓨터로 보낸다. 시스템이 정상상태 (15분 동안에 온도측정 변이가 ±0.
- 본 절에서는 CO2 2차 냉매시스템의 냉동능력이 일정한 조건에서 기존의 대표적인 브라인(EG, PG, EA, CaCl2)과 CO2가 각각 증발기를 통과할 때, 펌프 소비동력과 열전달계수를 서로 비교하였다. 본 연구에 사용된 각 브라인의 최저동결온도와 각각의 동결온도에 해당되는 농도는 Fig.
- 시스템이 정상상태 (15분 동안에 온도측정 변이가 ±0.5 ℃ 이내, 압력 측정 변이가 ±5 kPa, 질량유량의 변화가 ±0.05 kg/min 이내이면 시스템은 정상 상태라고 간주한다)에 도달한 후 냉매의 온도, 압력 질량유량, 압축기 소비동력, 펌프 소비동력 등을 5분 간격으로 3번 측정하였다.
- 본 시스템에 사용된 각종 열교환기에서의 냉매와 2차 냉매의 온도는 T형 열전대를 사용해서 측정하였다. 절대압 측정기는 증발기를 비롯한 각종 열교환기의 출입구에 설치하였으며, 압축기와 펌프의 소비동력은 전력계를 이용해 측정하였다. 자료 수집과 시스템 제어를 위해서 자료 획득 장치와 컴퓨터를 이용하였다.
대상 데이터
- 본 시스템에 사용된 각종 열교환기에서의 냉매와 2차 냉매의 온도는 T형 열전대를 사용해서 측정하였다. 절대압 측정기는 증발기를 비롯한 각종 열교환기의 출입구에 설치하였으며, 압축기와 펌프의 소비동력은 전력계를 이용해 측정하였다.
이론/모형
- CO2의 열전달계수는 식 (5)과 (6)인 Kandilikar8) 상관식을 이용하여 계산하였다. 즉, CO2의 열전달계수(htp)는 핵비등이 지배적인 영역의 열전달 계수(hNBD)와 대류비등이 지배적인 영역의 열전달 계수 (hCBD)를 각각 구한 후, 서로 비교하여 가장 큰 값을 사용한다.
- 난류영역인 경우(2300 ≤ Re ≤ 5 × 106)에는 다음의 Gnielinski7) 식을 이용하여 계산하였다.
- 우선, 층류영역인 경우(Re ≤ 2300), Nusselt 수는 Sieder와 Tate6)식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 그 결과, 동일한 증발 온도에서 CaCl2의 열전달계수가 가장 높고, 그 다음으로 CO2, EG, EA, PG 순으로 열전달계수가 높았다. CO2의 펌프 소비동력과 열전달계수에 대한 위의 결과로부터, CO2는 2차 냉매로서 기존 브라인 보다 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 펌프 소비동력은 기존 브라인에 비해 상당히 낮은 것을 알 수 있다.
- 또한, Hinde 등3)은 미국의 대형 마트에 설치되어 있는 CO2 2차 냉매 시스템에 대해서 조사하였다. 그 결과 CO2는 2차 냉매로서 증발 잠열을 이용하기 때문에 냉매 충전량과 냉동시스템의 크기를 줄일 수 있다고 발표하였다. Kruse4)는 간접 냉동시스템과 직접 냉동시스템의 에너지소비에 대해서 비교하였다.
- Kruse4)는 간접 냉동시스템과 직접 냉동시스템의 에너지소비에 대해서 비교하였다. 그 결과, 간접 냉동시스템의 2차 냉매가 CO2를 사용할 때 에너지 소비를 약 40% 줄일 수 있다고 밝혔다. 위의 종래 연구로부터 알 수 있듯이, 최근 들어 2차 냉매로서 CO2에 관한 연구는 진행 중이지만, 아직까지 이에 대한 확실한 이론이 확립되어 있지 않은 상태이다.
- 그리고 CO2와 기존 브라인의 열전달계수를 비교하였다. 그 결과, 동일한 증발 온도에서 CaCl2의 열전달계수가 가장 높고, 그 다음으로 CO2, EG, EA, PG 순으로 열전달계수가 높았다. CO2의 펌프 소비동력과 열전달계수에 대한 위의 결과로부터, CO2는 2차 냉매로서 기존 브라인 보다 우수한 것을 알 수 있다.
- 그리고 각 브라인은 증발온도의 증가에 따라 펌프 소비동력은 대략 감소하는 경향을 나타내지만 CO2는 -30℃∼ -10℃의 증발온도에서 펌프 소비동력이 거의 일정하게 나타났다.
- 그리고 실험범위에서 PG의 열전달계수는 거의 일정한데, 이는 점성계수가 크므로, 본 실험조건에서 모두 층류로 나타나기 때문이다. 그리고 동일한 증발온도에서 CO2의 열전달 계수는 2차 냉매 중에서 두 번째 큰 것으로 나타났다. 이는 실험에서 냉동능력을 일정하게 유지한 조건이므로, CaCl2의 질량유량이 CO2 보다 20배 크게 나타나기 때문이다.
- 따라서 CO2는 간접 냉동시스템의 2차 냉매로서 기존 브라인보다 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고, 기존 2차 냉매에 대한 대체 작동유체로서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
- 다음으로 두 번째 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 CO2는 간접 냉동시스템의 2차 냉매로서 기존 브라인보다 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고, 기존 2차 냉매에 대한 대체 작동유체로서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
- 특히, 펌프 소비동력은 기존 브라인에 비해 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 살펴본 CO2는 2차 냉매로서 기존 브라인의 대체 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
- 우선, 동일한 실험조건에서 2차 냉매로서 CO2와 기존의 브라인의 펌프 소비동력을 서로 비교한 결과, PG의 펌프 소비동력이 가장 큰 반면에, CO2가 가장 작았다. 그리고 CO2와 기존 브라인의 열전달계수를 비교하였다.
- 위의 결과로부터, 동일한 냉동능력에서 CO2의 펌프 소비동력이 가장 작게 나타나고, 열전달계수는 CaCl2 다음으로 두 번째 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 CO2는 간접 냉동시스템의 2차 냉매로서 기존 브라인보다 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
- 3은 CO2와 대표적인 단상 브라인의 열전도도를 서로 비교한 것으로서, CaCl2의 열전도도가 가장 높고 CO2가 가장 낮게 나타났다. 이 결과로부터 CaCl2의 열전달계수가 가장 높을 것으로 사료된다.
- 이상으로 Fig. 2∼3의 물성치 비교에서 알 수 있듯이, 저온에서 CO2를 2차 냉매로 사용할 경우 펌프소비동력이 가장 작기 때문에 배관의 관경을 줄일 수 있다.
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