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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 인버터제어 산업용 냉각기의 시제품을 사용하여 응축압력, 증발압력과 압축기소비동력, 성능계수 등이 외기온도와 부하변화에 따라 어떠한 특성을 가지고 있는지에 대한 비교실험을 실시하여 성능특성을 확인한다.
제안 방법
- 또한 항온실 상단에는 8개의 대형 팬을 설치하여 내부에 설치된 온도센서와 연동시켜 항온실 내부의 공기온도가 설정한 온도 이상 및 이하가 되면 자동적으로 팬이 가동 및 정지가 되도록 하였으며, 이를 통해 세팅된 외기온도가 일정하게 유지 되어 냉각기의 공랭식 응축기와 일정한 온도로 열교환 될 수 있도록 하였다. 냉매 배관중에 열손실이 발생될 수 있는 곳은 단열재를 사용하여 단열하여 열손실이 최소화 될 수 있도록 하였다.
- 산업용 냉각기의 내부에 장착된 증발기와 응축기, 압축기, 증발기 등 주요 부속장치의 입·출구에는 T타입 온도센서를 부착 설치하였다. 냉매배관의 두께가 센서를 관내에 심어 테스트하기 어려운관계로 온도센서를 관벽에 부착시켜 실험준비를 하였지만, 센서가 장착된 부위가 냉각기에서 배출되는 고온 공기에 의해 영향을 받을 우려가 크기 때문에 별도의 외부단열재를 이용하여 최대한 외부공기와 차단시켜 외부공기로 인한 온도상승을 최대한 억제 하도록 하였다.
- 주요장치에 부착된 온도센서는 데이터 로거로 연동 시켜 실시간으로 온도를 측정하여 모니터링이 될 수 있도록 하였으며, 냉각기 출구에서 배출 되는 냉수 유량은 데이터 로거와 연동시켜 실시간으로 배출되는 냉수의 유량측정이 가능하도록 디지털 수유량계를 부착하여 측정하였다. 또한 항온실 상단에는 8개의 대형 팬을 설치하여 내부에 설치된 온도센서와 연동시켜 항온실 내부의 공기온도가 설정한 온도 이상 및 이하가 되면 자동적으로 팬이 가동 및 정지가 되도록 하였으며, 이를 통해 세팅된 외기온도가 일정하게 유지 되어 냉각기의 공랭식 응축기와 일정한 온도로 열교환 될 수 있도록 하였다. 냉매 배관중에 열손실이 발생될 수 있는 곳은 단열재를 사용하여 단열하여 열손실이 최소화 될 수 있도록 하였다.
- 냉각기의 운전특성 실험을 위한 실험조건을 Table 2에 나타내었다. 실제 산업용 냉각기가 부착되어 사용되는 공작기기의 부하변화와 장치가 사용되는 공간인 외기온도의 변화에 따른 시스템의 특성을 살펴보기 위하여 항온실 내부 외기 온도를 25, 30, 35℃로 변화시켜 실험하였다. 주요장치에 부착된 온도센서는 데이터 로거로 연동 시켜 실시간으로 온도를 측정하여 모니터링이 될 수 있도록 하였으며, 냉각기 출구에서 배출 되는 냉수 유량은 데이터 로거와 연동시켜 실시간으로 배출되는 냉수의 유량측정이 가능하도록 디지털 수유량계를 부착하여 측정하였다.
- 실제 산업용 냉각기가 부착되어 사용되는 공작기기의 부하변화와 장치가 사용되는 공간인 외기온도의 변화에 따른 시스템의 특성을 살펴보기 위하여 항온실 내부 외기 온도를 25, 30, 35℃로 변화시켜 실험하였다. 주요장치에 부착된 온도센서는 데이터 로거로 연동 시켜 실시간으로 온도를 측정하여 모니터링이 될 수 있도록 하였으며, 냉각기 출구에서 배출 되는 냉수 유량은 데이터 로거와 연동시켜 실시간으로 배출되는 냉수의 유량측정이 가능하도록 디지털 수유량계를 부착하여 측정하였다. 또한 항온실 상단에는 8개의 대형 팬을 설치하여 내부에 설치된 온도센서와 연동시켜 항온실 내부의 공기온도가 설정한 온도 이상 및 이하가 되면 자동적으로 팬이 가동 및 정지가 되도록 하였으며, 이를 통해 세팅된 외기온도가 일정하게 유지 되어 냉각기의 공랭식 응축기와 일정한 온도로 열교환 될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 인버터제어 산업용 냉각기는 3 KW급 소형냉각기로써 냉각기에서 배출되는 냉수 온도는 실제 공작기계에서 요구하는 기본세팅온도인 25℃를 유지하도록 하였다. 냉각기의 운전특성 실험을 위한 실험조건을 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- Fig. 2에서 보듯이 압축기 토출온도는 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 압축기 토출온도는 높음을 보였다. 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 토출온도 차이는 4%내외로 거의 차이가 없었으나, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 토출온도의 차이는 5~14% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 토출온도가 높음을 보였다.
- [1] 응축압력은 냉각 부하가 감소할수록 낮아지며 냉각부하가 커질수록 높아지는 경향을 보였는데 이는 냉각부하가 증가할수록 증발기에 필요한 냉매량이 증가하게 되고 응축기에서 더욱 많은 냉매를 응축시켜야 되기 때문에 제한된 응축기 용량에 의해서 응축압력이 올라가게 되는 것이다.
- [2] 인버터제어기가 채용된 산업용 냉각기의 동일한 외기온도에서 부하변화에 따른 압축기 소요동력은 2배 이상 차이가 있다.
- [3] 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 30%, 30℃에서의 29%, 25℃에서의 34%로 동일 외기온도에서 부하 변화에 따른 COP의 차이가 크다.
- 부하변화에 따른 응축압력의 차이는 최대 17%의 차이를 보였다. 그리고 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 응축압력의 차이는 21%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 응축압력의 차이는 29%로 외기온도가 낮을수록 응축압력의 차이는 부하변화에 따라 차이가 큼을 확인 할 수 있었다.
- 2에서 보듯이 압축기 토출온도는 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 압축기 토출온도는 높음을 보였다. 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 토출온도 차이는 4%내외로 거의 차이가 없었으나, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 토출온도의 차이는 5~14% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 토출온도가 높음을 보였다. 또한 모든 실험조건에서 압축기 토출온도는 압축기 구동 조건 이하의 온도를 보여 안전성에는 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 인버터제어 냉각기의 COP는 외기온도가 높을수록 부하가 커질수록 COP값은 줄어드는 경향을 보였다. 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 14~18% 사이로 편차가 상대적으로 큼을 보였다. 또한 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 30%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 29%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 34%로 낮은 외기온도에서 부하변화에 따른 COP의 차이가 큼을 확인할 수 있었다.
- 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 토출온도 차이는 4%내외로 거의 차이가 없었으나, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 토출온도의 차이는 5~14% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 토출온도가 높음을 보였다. 또한 모든 실험조건에서 압축기 토출온도는 압축기 구동 조건 이하의 온도를 보여 안전성에는 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 회전수의 차이는 2~5% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 회전수의 차이는 5~9% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 회전수가 큼을 보였다. 또한 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 압축기 회전수의 차이는 87%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 압축기 회전수의 차이는 91%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 압축기 회전수의 차이는 98%로 동일한 외기온도에서 부하변화에 따른 압축기 회전수의 차이가 큼을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 25~30℃ 외기온도 와 2.
- 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 14~18% 사이로 편차가 상대적으로 큼을 보였다. 또한 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 30%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 29%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 34%로 낮은 외기온도에서 부하변화에 따른 COP의 차이가 큼을 확인할 수 있었다.
- 6은 외기온도 변화와 부하 변동에 따른 압축기 소요동력을 나타낸 그래프이다. 압축기 소요동력은 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 압축기 소요동력이 커지는 경향을 보였다. 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 소요동력의 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 소요동력의 차이는 14~18% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 소요동력이 큼을 보였다.
- 7은 외기온도 변화와 부하 변동에 따른 압축기 회전수변화를 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수는 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 압축기 회전수는 높아지는 경향을 보였다.
- 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 소요동력의 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 소요동력의 차이는 14~18% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 소요동력이 큼을 보였다. 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 204%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 200%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 211%로 동일한 외기온도에서 부하변화에 따른 압축기 소요동력은 2배 이상 차이가 있음을 확인 할 수 있었다.
- 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 압축기 토출온도의 차이는 23%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 압축기 토출온도의 차이는 27%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 압축기 토출온도의 차이는 37%로 외기온도가 낮을수록 압축기 토출온도의 차이는 부하변화에 따라 차이가 큼을 알 수 있었다.
- 압축기 소요동력은 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 압축기 소요동력이 커지는 경향을 보였다. 외기온도 35℃와 30℃에서의 압축기 소요동력의 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 압축기 소요동력의 차이는 14~18% 사이로 외기온도 30℃에서의 압축기 소요동력이 큼을 보였다. 외기온도 35℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 204%의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 200%, 외기온도 25℃에서의 부하변화에 따른 압축기 소요동력의 차이는 211%로 동일한 외기온도에서 부하변화에 따른 압축기 소요동력은 2배 이상 차이가 있음을 확인 할 수 있었다.
- 응축압력은 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 응축압력은 높은 경향을 보였다. 외기온도 35℃와 30℃에서의 응축압력 차이는 2~6%내외의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃와 25℃의 응축압력의 차이는 3~12% 사이로 외기온도 30℃에서의 응축압력이 높음을 확인 할 수 있었다. 외기온도 35℃에서의
- 3은 외기온도 변화와 부하 변동에 따른 응축압력 변화를 나타낸 그래프이다. 응축압력은 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 응축압력은 높은 경향을 보였다. 외기온도 35℃와 30℃에서의 응축압력 차이는 2~6%내외의 차이를 보였으며, 외기온도 30℃와 25℃의 응축압력의 차이는 3~12% 사이로 외기온도 30℃에서의 응축압력이 높음을 확인 할 수 있었다.
- 8은 외기온도 변화와 부하 변동에 따른 냉각기의 COP를 나타낸 그래프이다. 인버터제어 냉각기의 COP는 외기온도가 높을수록 부하가 커질수록 COP값은 줄어드는 경향을 보였다. 그리고 외기온도 35℃와 30℃에서의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 4~8% 사이로 나타났으며, 외기온도 30℃와 25℃의 인버터제어 냉각기의 COP 차이는 14~18% 사이로 편차가 상대적으로 큼을 보였다.
- 4는 외기온도 변화와 부하 변동에 따른 증발압력 변화를 나타낸 그래프이다. 증발압력은 부하가 클수록 외기온도가 높을수록 증발압력은 거의 변화가 없는 경향을 보였으며, 외기온도 변화에 따른 증발압력의 차이는 2%내외로 거의 차이가 없음을 보였다. 동일한 외기온도에서 부하변화에 따른 증발압력의 차이는 5%이내의 차이로 거의 변화가 없음을 보였다.
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