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문제 정의
- Woo et al.(4)은 전기자동차 내부 부품에서 발생하는 폐열을 활용한 전기자동차용 히트펌프의 성능특성을 연구하였다.
- 의 연구에 따르면 인젝션 시스템에서의 압력 비는 압축기 회전수보다 인젝션 EEV 개도 혹은 외기온도에 영향을 많이 받는다. 본 실험에서 압축기 회전 수의 변화에 따라 인젝션 EEV의 개도는 큰 차이가 없었고, 외기온도 또한 고정되어 있으므로 이러한 결과를 뒷받침 한다. 인젝션 시스템의 압축기 출구 압력은 인젝션에 의한 유량의 증가 때문에 비인젝션 시스템에 비해 2.
- 본 연구에서는 R-134a를 사용하는 전기자동차용 히트펌프를 제작하고, 중간열교환기를 적용한 인젝션과비인젝션 시스템의 성능특성 변화를 비교 및 고찰하였다.
제안 방법
- (1)은 중·소형 차량용 히트펌프의 성능특성에 대한 연구를 수행하였다.
- Table 3은 본 연구의 실험조건을 나타내고 있다. 가스 인젝션 시스템의 효율향상 정도를 규명하기 위해 인젝션 냉매유량 및 압축기 회전수, 외기온도를 각각 변화시키며, 이에 따른 시스템 특성 변화를 고찰하였다.
- 가스 인젝션 히트펌프의 열역학적 성능 및 제어 특성을 측정하기 위해 데이터 수집 시스템, 전력계, RTD 온도센서, 압력계, 질량유량계를 사용하였다. 압력 측정은 3000 kPa급 압력계를 사용하였다.
- 차량공조용 히트펌프의 최적 냉매충전량을 결정하기 위해 냉매충전량을 1300 g부터 1800 g까지 100 g씩 늘려 가면서 성능특성을 비교하였다. 냉매충전량 1500 g일 때 난방용량 및 성능계수 (COP)가 가장 높은 값을 나타내어, 이를 최적 충전량으로 결정하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 중간열교환기를 사용한 가스 인젝션 시스템을 전기자동차용 R-134a 히트펌프에 적용하여 일반 히트펌프 대비 난방성능 향상 정도를 평가하였다. 또한 압축기 회전수 변화에 따른 성능 특성과 저온 외기조건에서의 시스템 성능 변화를 비교, 고찰하였다.
- 모든 실험에서 2nd EEV(증발기 유량제어)의 개도 조절을 통해 압축기 입구 과열도를 5℃로 고정하여 압축기 액냉매 유입을 방지하였고, 1st EEV(인젝션 유량 제어)의 개도 조절을 통해 인젝션 냉매유량을 조절하였다.
- 본 연구에서는 중간열교환기를 사용한 가스 인젝션 시스템을 전기자동차용 R-134a 히트펌프에 적용하여 일반 히트펌프 대비 난방성능 향상 정도를 평가하였다. 또한 압축기 회전수 변화에 따른 성능 특성과 저온 외기조건에서의 시스템 성능 변화를 비교, 고찰하였다.
- 시스템의 전체 냉매유량은 Oval 사의 0∼300 kg/h 범위의 질량유량계(D012S-SS-200)를 사용하였고, 중간열교환기를 통과하는 인젝션 유량은 Micro Motion사의 0∼110 kg/h급 질량유량계(CMF 025)를 사용하여 측정하였다.
- 1은 전기자동차용 가스 인젝션 히트펌프의 개략도를 나타내고 있다. 실험장치는 크게 증발기와 응축기, 전자팽창밸브, 가변속 스크롤(scroll) 압축기, 그리고 중간 열교환기로 구성하여 히트펌프의 난방성능을 평가할 수 있도록 하였다.
- 인젝션 및 비인젝션 시스템에 대하여 2nd EEV 개도 조절을 통해 과열도를 5℃로 유지하고 1st EEV로 인젝션 과열도를 3℃로 유지하면서, 시스템의 성능특성을 측정하였다. 압축기 내부로 액냉매 유입을 방지하면서 인젝션에 의한 압축기 출구온도 감소 효과의 극대화를 위해 인젝션 과열도를 3℃로 설정하였다. 압축기 주파수를 3600 rpm부터 5400 rpm까지 600 rpm 씩 증가시키며 시스템 성능을 측정하였다.
- 또한 냉매의 압축이 연속적으로 이루어지는 안정성, 저진동, 저중량의 장점 때문에 차량용 공조시스템에 적합하다. 압축기는 전동식으로 운전하여 엔진의 운전과 상관없이 안정적인 난방이 가능하도록 하였다. 실외기 팬은 정격 220 V 60 Hz로 고정하여 운전하였다.
- 최대의 난방용량을 확보하기위해 인젝션 EEV 개도를 조절하여 인젝션 과열도를 최소화 하였다. 외기온도를 0℃에서 -20℃까지 5℃씩 감소시킬 때, 압축기 주파수는 최대 8000 rpm까지 운전하여 최대의 난방용량을 측정하였다.
- 응축기와 증발기는 가벼우면서 열교환 효율이 높은 루버핀 형상의 알루미늄 핀튜브 열교환기를 사용하였다. 응축기는 좁은 차량 엔진룸 내부에서의 배치가 용이하도록 3개의 작은 열교환기를 적층하는 방식으로 설계하였다. 중간 압력 및 저압측 압력과 유량을 결정하는 전자팽창밸브는 각각 직경 1.
- 인젝션 및 비인젝션 시스템에 대하여 2nd EEV 개도 조절을 통해 과열도를 5℃로 유지하고 1st EEV로 인젝션 과열도를 3℃로 유지하면서, 시스템의 성능특성을 측정하였다. 압축기 내부로 액냉매 유입을 방지하면서 인젝션에 의한 압축기 출구온도 감소 효과의 극대화를 위해 인젝션 과열도를 3℃로 설정하였다.
- 중간 압력 및 저압측 압력과 유량을 결정하는 전자팽창밸브는 각각 직경 1.4 mm, 1.6 mm 를 사용하였으며, 수동버튼 조작으로 0∼500 step 사이에서 개도의 조절이 가능하도록 설계 하였다.
- 차량공조용 히트펌프의 최적 냉매충전량을 결정하기 위해 냉매충전량을 1300 g부터 1800 g까지 100 g씩 늘려 가면서 성능특성을 비교하였다. 냉매충전량 1500 g일 때 난방용량 및 성능계수 (COP)가 가장 높은 값을 나타내어, 이를 최적 충전량으로 결정하여 실험을 수행하였다.
- 최대의 난방용량을 확보하기위해 인젝션 EEV 개도를 조절하여 인젝션 과열도를 최소화 하였다. 외기온도를 0℃에서 -20℃까지 5℃씩 감소시킬 때, 압축기 주파수는 최대 8000 rpm까지 운전하여 최대의 난방용량을 측정하였다.
대상 데이터
- 실외기 팬은 정격 220 V 60 Hz로 고정하여 운전하였다. 응축기와 증발기는 가벼우면서 열교환 효율이 높은 루버핀 형상의 알루미늄 핀튜브 열교환기를 사용하였다. 응축기는 좁은 차량 엔진룸 내부에서의 배치가 용이하도록 3개의 작은 열교환기를 적층하는 방식으로 설계하였다.
성능/효과
- (1) 중간열교환기를 통한 가스 인젝션으로 인해 압축기 출구 냉매 온도가 감소하여 시스템 안정성이 확보되었으며, 냉매유량의 증가로 전체적인 성능이 향상되었다. 표준 외기조건인 건구온도 7℃에서 5.
- (2) 외기온도가 감소하면 압축기 입구 냉매밀도의 감소로 전체 냉매유량이 줄어들어 난방용량 및 성능이 저하된다. 하지만 가스 인젝션으로 인해 각 외기온도에서 난방용량은 0℃에서 6.
- (3) 중간열교환기에 의한 가스 인젝션은 높은 압축기 회전수, 저온 외기조건에서 더욱 큰 난방용량 증가 효과를 보이므로 전기자동차 난방에서의 성능 저하 문제를 해소하는 데에 기여할 수 있다.
- 외기온도가 감소하면 시스템 내의 전체 질량유량이 감소하고 증발기/응축기 압력이 모두 감소하기 때문이다. 또한 인젝션으로 인한 냉매유량 증가 효과로 인젝션 시스템이 비인 젝션 시스템에 비해 응축기 압력 및 압축기 출구 압력이 더 높게 나타났다. 인젝션 압력은 압축기 입/출구 압력이 모두 감소하기 때문에 외기온도 감소에 따라 점차 감소하는 경향을 보인다.
- 압축기 회전수가 증가하면서 단위시간당 압축체적이 늘어나기 때문에 인젝션 시스템과 비인젝션 시스템 모두 냉매유량이 증가하였다. 또한, 인젝션 시스템의 냉매유량은 인젝션 효과로 인해 비인젝션 시스템에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 인젝션 시스템이 비인젝션 시스템에 비해 3600 rpm에서는 11.
- 즉 인젝션 시스템은 보다 저온의 외기조건에서 강점을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 압축기 소요동력은 외기온도 0℃와 -20℃에서 각각 6.9%, 6.7% 증가하였다.
- 5에 나타내었다. 인젝션 시스템을 비인젝션과 비교할 때, 압축기 회전수는 19.4% 감소하고, COP는 13.3% 증가하였다. 이는 인젝션으로 인한 냉매유량의 증가에 기인한다.
- R-134a는 다른 냉매에 비해 저압에서 밀도가 낮은 경향을 보이는데, 인젝션 시스템은 감소된 냉매유량을 보완하여 난방 용량을 증가시키는 역할을 한다. 인젝션 시스템의 난방 용량은 비인 젝션 시스템에 비해 외기온도 0℃에서 6.8%, -20℃에서 8.1% 향상되었다. 즉 인젝션 시스템은 보다 저온의 외기조건에서 강점을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
- 인젝션 시스템의 압축기 출구 압력은 인젝션에 의한 유량의 증가 때문에 비인젝션 시스템에 비해 2.6∼5.5% 높게 나타났다.
- 5℃를 나타냈다. 인젝션 시스템이 약 8.1℃ 낮은 압축기 출구온도를 나타내어 시스템 신뢰도가 향상되었음을 확인 할수 있다.
- (1) 중간열교환기를 통한 가스 인젝션으로 인해 압축기 출구 냉매 온도가 감소하여 시스템 안정성이 확보되었으며, 냉매유량의 증가로 전체적인 성능이 향상되었다. 표준 외기조건인 건구온도 7℃에서 5.2 kW 난방용량을 목표로 할 때 COP는 인젝션 시스템이 비인젝션 시스템에 비하여 13.3% 향상되었다.
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