[논문]하이브리드 열펌프 열교환기 오염 진단 연구

신영기

doi:10.6110/kjacr.2014.26.5.240

하이브리드 열펌프 열교환기 오염 진단 연구
A Study on Diagnosing Fouling of Heat Exchangers of a Hybrid Heat Pump 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.5, 2014년, pp.240 - 246

Abstract ▼ AI-Helper

A fault detector was developed for heat exchangers of a hybrid heat pump (HP) for household. The proposed detector can be applied directly to raw operating data. It is to monitor a tracking error between a measured saturation temperature and its state observer. The observer was estimated from a state-space model simulating dynamics of a heat exchanger. The real hybrid HP was substituted with a dynamic simulator that implemented two-phased heat transfer and was validated by experimental data. And artificial fault data were generated using the simulator. Diagnosing the data showed the following. The residual calculated from the state observer error shows a relatively robust consistency with respect fouling level. The fault detector is practically useful because it detects a threshold fouling beyond which the performance starts to deteriorate significantly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 본 연구에서 적용하고자 하는 하이브리드 열펌프는 가정용으로서 부하 및 사용자 요구사항이 수시로 변하므로 정상상태 데이터 확보가 용이하지 않다. 따라서 본 연구는 실제 운전데이터를 대상으로 유용한 고장진단 알고리즘을 개발하고자 한다.
본 연구는 오염(fouling) 등으로 인하여 주기적인 정비가 필요한 열교환기의 성능을 온라인으로 진단하여 필요한 정비시점을 알려줄 수 있는 진단 알고리즘을 제안하고자 한다. 종래의 연구⁽¹⁾는 건물용 중앙공조 시스템의 수냉식 열교환기 오염 진단에 대하여 주로 수행되었다.
실험과의 비교 및 최적제어 알고리즘의 적용을 통해 개발한 동적 모델의 실용성과 타당성을 오랜 기간에 걸쳐 실험결과와 비교 검증하고 모델을 개선해 왔다. 본 연구는 이와 같은 방법론을 수용하여 개발하고자 하는 하이브리드 열펌프 시스템에 적합하게 모델을 수정하였다. Alleyne Research Group에서 발표되지 않은 냉매 응축기인 판형 열교환기 모델을 개발하였고⁽⁵⁾ 본 연구 실험용 압축기에 맞게 압축기 모델도 수정 개발하였다.
고장데이터 발생을 위해서는 실제 장치를 대상으로 고장을 모사해야 하는데 고장의 경우의 수가 많고 이를 구현하기 위한 시간, 비용 및 인력 소요가 크므로 대안으로서 실제와 유사하게 작동하는 동적 시뮬레이터를 대상으로 가상 고장을 발생시킨다. 본 연구에서는 가상 고장으로서 주기적 점검이 필요한 열교환기 오염현상인 실외기 공기측의 이물질에 의한 유로 막힘과 판형 열교환기 물측의 스케일 축적 현상을 각각 유로면적 축소와 열전달계수 성능 저하로 근사시켜 모사한다. 실제 오염과는 다소 차이가 있을 수 있으나 유사한 모의고장을 대상으로 설계하고 평가한 고장 진단 알고리즘은 실제 장치에서의 데이터와 비교 개선을 통해 실용적 진단 수단으로 구현될 수 있을 것이다.

제안 방법

본 연구는 이와 같은 방법론을 수용하여 개발하고자 하는 하이브리드 열펌프 시스템에 적합하게 모델을 수정하였다. Alleyne Research Group에서 발표되지 않은 냉매 응축기인 판형 열교환기 모델을 개발하였고⁽⁵⁾ 본 연구 실험용 압축기에 맞게 압축기 모델도 수정 개발하였다.
6에서 Process는 실제 장치로서 열교환기가 이에 해당한다. 상태관측기는 상태공간 모델로 표현된 동적 모델로서 process의 제품 초기성능을 모사하도록 관련 계수행렬을 결정하였다. 다음 식(3), 식(4)는 실제 장치의 상태공간 표현이고 식(5), 식(6)은 상태관측기의 상태공간 표현이다.
식에서 필요한 열용량 MC, UA는 열교환기 제원으로부터 구하였고 엔탈피차 hr,i-hr,o는 냉매 물성프로그램 Refprop으로부터 구하였다.
요소기기별 모델식들을 계산하기 위한 solver로서 Matlab과 SIMULINK를 이용하였다. 실제 장치의 성능과 비교하기 위하여 전절에서 서술한 제원을 동적 시뮬레이터의 입력 데이터로 변환하였다. 냉매는 R410A이다.
실험결과와 직접 비교를 위해 7℃ 근처인 외기온도, PHE 온수입구 온도 및 유량은 시계열 시험데이터를 시뮬레이터에 직접 반영하였고 냉매 저압은 실험결과를 동일하게 추종하도록 제어하였다. 그 결과 각 요소 기기에서 나타난 출력을 비교한 것으로서 냉매 고압, PHE 출수온도 등이 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
온수 가열용 판형 열교환기를 구비한 하이브리드 열펌프 시운전 결과와 유사한 동적 성능을 나타내는 동적 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터를 이용하여 증발기와 응축기의 오염 수준에 따른 고장 데이터를 생성하였고 이러한 고장을 진단할 수 있는 방안으로서 상태공간 모델 기반의 상태관측기를 적용하여 그 오차 및 분산을 분석하였다.
온수 가열용 판형 열교환기를 구비한 하이브리드 열펌프 시운전 결과와 유사한 동적 성능을 나타내는 동적 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터를 이용하여 증발기와 응축기의 오염 수준에 따른 고장 데이터를 생성하였고 이러한 고장을 진단할 수 있는 방안으로서 상태공간 모델 기반의 상태관측기를 적용하여 그 오차 및 분산을 분석하였다. 분석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
핀 변형, 이물질 누적 등에 의한 공기 유효면적과 연관된 증발기 오염을 모사하기 위하여 공기측 및 대응 냉매측 유효면적을 무고장시 면적의 60%, 45%, 30%로 축소하였다. 오염이 없다면 유효면적이 그대로 100%일 것이므로 유효면적이 줄어든 만큼 오염도가 증가한 것으로 유효면적과 오염도의 합이 100%가 되도록 정의하였다.

대상 데이터

Fig. 1을 구현한 시작품의 압축기는 삼성 로터리 압축기 모델 UG8T260FUAJW⁽²⁾이다. 이 압축기 냉방용량은 7.
실제 장치의 성능과 비교하기 위하여 전절에서 서술한 제원을 동적 시뮬레이터의 입력 데이터로 변환하였다. 냉매는 R410A이다. Fig.

이론/모형

1차원으로 가정한 대상 열유체에 대하여 질량 및 에너지 보존 법칙을 적용한다. 길이방향 편미분항은 Leibnitz rule을 적용하여 상미분으로 변환한다.
1차원으로 가정한 대상 열유체에 대하여 질량 및 에너지 보존 법칙을 적용한다. 길이방향 편미분항은 Leibnitz rule을 적용하여 상미분으로 변환한다. 냉매의 압력, 상의 길이, 유체 온도 등은 시간에 대하여 변하는 일차 미분항을 포함하므로 이들을 상태벡터(state vector) x로 한 지배방정식들은 다음과 같은 일반형으로 표현할 수 있다.
5에서 나타난 오염의 영향을 감지하기 위한 지표가 필요하다. 본 연구에서는 상태공간(state space) 모델에 기반한 상태관측기(state observer) 개념을 적용하였다. Fig.
⁽⁴⁾의 연구결과에 상세히 서술되어 있다. 요소기기별 모델식들을 계산하기 위한 solver로서 Matlab과 SIMULINK를 이용하였다. 실제 장치의 성능과 비교하기 위하여 전절에서 서술한 제원을 동적 시뮬레이터의 입력 데이터로 변환하였다.

성능/효과

(1) 분산은 열펌프의 과도운전 구간에서도 일정 크기 이상의 오염 수준에 대해서는 오염과 상관성이 있는 유의미한 차이를 나타내었다.
(2) 상기의 결과를 통하여 상태관측기 분산은 열펌프가 정상상태 조건이 아니어도 오염 진단이 가능할 수 있는 가능성을 제시하였다.
(3) 냉매 포화온도를 상태관측기로 적용한 결과 웬만한 오염에 대해서도 열교환기 내 2상 열전달이 유지되어 분산변화가 둔감하다.
판형 열교환기의 경우는 물측에 축적되는 스케일에 의한 열전달 계수가 주요 성능 저하 원인이다.⁽⁷⁾ 스케일에 의한 성능 저하를 모사하기 위하여 PHE 모델의 물측 대류열전달 계수를 초기 상태 대비 60%, 40% 및 20%로 하였으며 이는 오염 수준 40%, 60% 및 80%로 각각 정의하였다.
4는 실외 증발기에 적용한 오염 크기에 따른 주요 변수의 거동 비교를 나타낸다. 결과에 따르면 냉매 압력이나 온수 온도는 거의 변하지 않고 증발기 통과 공기 유량과 출구온도가 영향을 받는다. 통과 공기유량의 경우 냉매저압을 일정하게 유지하기 위한 피드백 제어의 결과 오염 증가에 따라 풍량이 증가하지만 최대 용량인 2 kg/s 이상으로는 늘어날 수 없어 포화되고 있음을 볼 수 있다.
실험결과와 직접 비교를 위해 7℃ 근처인 외기온도, PHE 온수입구 온도 및 유량은 시계열 시험데이터를 시뮬레이터에 직접 반영하였고 냉매 저압은 실험결과를 동일하게 추종하도록 제어하였다. 그 결과 각 요소 기기에서 나타난 출력을 비교한 것으로서 냉매 고압, PHE 출수온도 등이 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 정상상태에서 출력을 비교한 결과 실험과 시뮬레이션 간의 오차는 2% 이내였다.

후속연구

(5) 다만 현재의 연구결과는 실제와 유사한 동적 모델에 근거한 것이므로 본 연구에서 도출된 고장진단법은 실험적 검증과정을 거칠 필요가 있다.
본 연구에서는 가상 고장으로서 주기적 점검이 필요한 열교환기 오염현상인 실외기 공기측의 이물질에 의한 유로 막힘과 판형 열교환기 물측의 스케일 축적 현상을 각각 유로면적 축소와 열전달계수 성능 저하로 근사시켜 모사한다. 실제 오염과는 다소 차이가 있을 수 있으나 유사한 모의고장을 대상으로 설계하고 평가한 고장 진단 알고리즘은 실제 장치에서의 데이터와 비교 개선을 통해 실용적 진단 수단으로 구현될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 열펌프의 한계는?	따라서 부하 수요 및 사용자의 요구사항에 따라 다양한 조합의 운전모드로 구동되어야 하므로 시스템이 복잡해지므로 고장이 발생하기 쉽고 진단하기 어려울 수도 있다. 하이브리드 열펌프는 복잡한 시스템 구성으로 인한 고가의 초기 설비비로 시장 진입이 어려울 수도 있는데 운전 중 빈번한 고장이 발생하고 이에 신속히 대처할 수 있는 실용적인 온라인 방식의 고장진단이 가능하지 않다면 시스템 자체의 신뢰성도 확보되지 않아 상품 경쟁력이 떨어진다.
	하이브리드 열펌프의 달성 목표는?	에너지 절약을 위한 방안으로서 투입한 일차에너지 대비 효율 120% 달성을 목표로 하는 하이브리드 열펌프가 개발되고 있다. 이러한 효율은 급탕, 냉방 및 난방 수요에 대하여 열펌프와 보일러가 최고 효율로 운전될 수 있는 최적조합 알고리즘에 의해 구현된다.
	하이브리드 열펌프의 높은 에너지 효율은 무엇을 통해 구현되는가?	에너지 절약을 위한 방안으로서 투입한 일차에너지 대비 효율 120% 달성을 목표로 하는 하이브리드 열펌프가 개발되고 있다. 이러한 효율은 급탕, 냉방 및 난방 수요에 대하여 열펌프와 보일러가 최고 효율로 운전될 수 있는 최적조합 알고리즘에 의해 구현된다.

참고문헌 (7)

Cui, J. and Wang, S., 2005, A model-based online fault detection and diagnosis strategy for centrifugal chiller systems, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 44, pp. 986-999.

상세보기
Suzhou Samsung Electronics Co., 2013, Rotary compressor specification sheet(Model : UG8T260FUAJW).
Li, B. and Alleyne, A. G., 2010, A dynamic model of a vapor compression cycle with shut-down and start-up operations, International Journal of Refrigeration, Vol. 33, pp. 538-552.

상세보기
McKinley, T. L. and Alleyne, A. G., 2008, An advanced nonlinear switched heat exchanger model for vapor compression cycles using the moving-boundary method, International Journal of Refrigeration, Vol. 31, pp. 1253- 1264.

상세보기
Shin, Y. G., Kim, J. H., and Yoo, B. J., 2013, Dynamic modeling and simulation of a hybrid heat pump, Korean Journal of Air-Condtioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 7, pp. 406-412.

원문보기 상세보기
Shah, R., Alleyne, A. G., Bullard, C. W., Rasmussen, B. P., and Hrnjak, P. S., 2003, Dynamic modeling and control of single and multi-evaporator subcritical vapor compression systems, ACRC TR-216.
Wu, X. and Cremaschi, L., 2012, Thermal and chemical analysis of fouling phenomenon in condensers for cooling tower applications, Proceedings, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue.

저자의 다른 논문 :

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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