[국내논문]착상조건에서 R134a와 R1234yf를 적용한 핀-관 형태의 증발기 성능 비교 Performance Comparison of Fin-Tube Type Evaporator using R134a and R1234yf under the Frost Condition원문보기
식생활의 향상 및 다양화로 신선한 제품에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라 냉장 및 냉동식품의 저온유통 또한 점차 증가되고 있다. 현재 냉동산업에는 주로 R134a 냉매가 사용되고 있으며 GWP(Global Warming Potential)가 1300으로써 매우 높아 지구온난화에 영향을 미친다. 이를 대체하기 위한 냉매로써 R1234yf 냉매가 있으며, GWP는 4로써 매우 낮다. 냉동탑차 냉장시스템에 사용되는 증발기는 저온조건에서 작동되기 때문에 서리가 형성되어 시스템의 성능을 급격히 감소시킨다. 따라서, 본 연구에서 R134a와 R1234yf 냉매를 작동유체로 사용한 증발기의 성능을 착상조건 하에서 다양한 운전조건으로 분석하였다. 해석결과, 서리성장 조건에서 공기측 입구온도, 상대습도, 증발온도 변화에 대하여 R134a 증발기의 성능이 R1234yf 증발기보다 더욱 민감하게 나타났으며 서리의 성장 또한 R134a 증발기가 더 크게 나타났다.
식생활의 향상 및 다양화로 신선한 제품에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라 냉장 및 냉동식품의 저온유통 또한 점차 증가되고 있다. 현재 냉동산업에는 주로 R134a 냉매가 사용되고 있으며 GWP(Global Warming Potential)가 1300으로써 매우 높아 지구온난화에 영향을 미친다. 이를 대체하기 위한 냉매로써 R1234yf 냉매가 있으며, GWP는 4로써 매우 낮다. 냉동탑차 냉장시스템에 사용되는 증발기는 저온조건에서 작동되기 때문에 서리가 형성되어 시스템의 성능을 급격히 감소시킨다. 따라서, 본 연구에서 R134a와 R1234yf 냉매를 작동유체로 사용한 증발기의 성능을 착상조건 하에서 다양한 운전조건으로 분석하였다. 해석결과, 서리성장 조건에서 공기측 입구온도, 상대습도, 증발온도 변화에 대하여 R134a 증발기의 성능이 R1234yf 증발기보다 더욱 민감하게 나타났으며 서리의 성장 또한 R134a 증발기가 더 크게 나타났다.
The low temperature distribution of the refrigerated and frozen food has been increased gradually. Refrigeration industry is using R134a refrigerant, which GWP is 1300. R1234yf is an alternative refrigerant of R134a because GWP of R1234yf refrigerant is just 4. Evaporator used in refrigeration truck...
The low temperature distribution of the refrigerated and frozen food has been increased gradually. Refrigeration industry is using R134a refrigerant, which GWP is 1300. R1234yf is an alternative refrigerant of R134a because GWP of R1234yf refrigerant is just 4. Evaporator used in refrigeration truck refrigeration system is operated on low temperature condition. Accordingly, evaporator is formed frost and the formation of frost is rapidly decreased performance of evaporator. In this study, the performance of evaporator using R134a and R1234yf refrigerant was analyzed with operating conditions under frost condition. As a result, the performance of R134a evaporator according to air inlet temperature, relative humidity and evaporating temperature was more sensitive than R1234yf evaporator. Besides, the frost growth of R134a evaporator is steeper than that of R1234yf one.
The low temperature distribution of the refrigerated and frozen food has been increased gradually. Refrigeration industry is using R134a refrigerant, which GWP is 1300. R1234yf is an alternative refrigerant of R134a because GWP of R1234yf refrigerant is just 4. Evaporator used in refrigeration truck refrigeration system is operated on low temperature condition. Accordingly, evaporator is formed frost and the formation of frost is rapidly decreased performance of evaporator. In this study, the performance of evaporator using R134a and R1234yf refrigerant was analyzed with operating conditions under frost condition. As a result, the performance of R134a evaporator according to air inlet temperature, relative humidity and evaporating temperature was more sensitive than R1234yf evaporator. Besides, the frost growth of R134a evaporator is steeper than that of R1234yf one.
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문제 정의
또한, 대체냉매에 관한 기존의 연구도 자동차용 공조 시스템에 국한되어 있다. 이에 본 연구에서는 R134a 냉매의 대체냉매인 R1234yf 냉매를 적용한 냉동 탑차 냉장시스템의 증발기에서 다양한 작동조건에 따른 서리성장을 예측하였고, 이에 대한 증발기의 성능변화를 비교분석하였다.
가설 설정
본 연구에서 성능해석을 위해 설정된 조건은 Table 4에 나타내었다. 본 연구에서 냉동용량설정을 위한 기준조건은 공기측 입구온도 5℃, 상대습도 50%, 공기 입구속도 2 m/s, 냉매측 증발온도 -10℃로 설정하였다. 또한, R134a 증발기의 질량유량이 0.
제안 방법
일반적으로 증발기의 온도가 0℃ 이하인 경우 서리가 생성된다. 이에 본 연구에서는 여러 가지 운전조건에서 열교환기의 서리 성장 특성을 해석하였으며, 이러한 다양한 착상조건에서의 성능을 해석하였다.
본 연구에서는 공기측 입구온도, 상대습도, 냉매측 입구온도인 증발온도를 변화시켜 다양한 조건에서 서리의 성장특성과 증발기의 냉동용량을 해석 및 고찰하였으며, 기존의 연구와 비교분석을 위하여 대표적인 실험결과를 비교분석하였다. Lee et al.
본 연구에서는 현재 냉동분야에 널리 사용중인 R134a와 대체냉매인 R1234yf 냉매를 냉동탑차 냉장시스템의 증발기에 적용하여 다양한 운전조건에 따른 성능을 비교 및 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
데이터처리
본 연구에서 개발된 모델링의 검증을 위하여 Lee et al.[17]의 실험적 연구와 비교분석하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
그러나 이 결과는 본 연구결과와의 경향성이 일치하는 것으로 확인되었다. 기존의 연구와의 비교를 통하여 신뢰성을 검증하였으며, 검증된 해석적 모델을 통하여 입구 공기온도, 상대습도, 증발온도변화에 대한 해석을 진행하였다.
이론/모형
본 논문에서는 모델링 대상인 열교환기의 각 열을 등간격으로 나누어 검사체적으로 설정하고 각 검사체적마다 에너지 보존법칙과 열전달 법칙에 근거하여 독립적으로 해석하고, 각 검사체적으로의 출구조건은 다음 검사 체적의 입구조건으로 사용하여 냉매가 흐르는 순서에 따라 분석을 순차적으로 진행하는 Chi와 Domanski[9,10]가 제시한 관순법을 이용하여 열교환기를 모델링하였다. R134a와 R1234yf의 이상영역의 열전달계수는 수직⦁수평관내에서 R-11, R-12, R-22, R-113, R-114, C2H5OH와 같은 할로겐화 탄소나 물 등의 작동유체로부터 얻은 비등 실험결과를 바탕으로 개발되었고 가장 일반적으로 널리 사용되고 신뢰성이 확보된 Gungor-Winterton[13] 상관식을 적용하였으며, 압력강하는 Fanning and Pierre[12]상관식을 사용하였다.
본 논문에서는 모델링 대상인 열교환기의 각 열을 등간격으로 나누어 검사체적으로 설정하고 각 검사체적마다 에너지 보존법칙과 열전달 법칙에 근거하여 독립적으로 해석하고, 각 검사체적으로의 출구조건은 다음 검사 체적의 입구조건으로 사용하여 냉매가 흐르는 순서에 따라 분석을 순차적으로 진행하는 Chi와 Domanski[9,10]가 제시한 관순법을 이용하여 열교환기를 모델링하였다. R134a와 R1234yf의 이상영역의 열전달계수는 수직⦁수평관내에서 R-11, R-12, R-22, R-113, R-114, C2H5OH와 같은 할로겐화 탄소나 물 등의 작동유체로부터 얻은 비등 실험결과를 바탕으로 개발되었고 가장 일반적으로 널리 사용되고 신뢰성이 확보된 Gungor-Winterton[13] 상관식을 적용하였으며, 압력강하는 Fanning and Pierre[12]상관식을 사용하였다. 또한, 공기측 열전달계수 및 압력 강하 상관식은 Wang[14]이 제안한 식을 사용하였으며, 본 연구에서 사용된 열전달계수와 압력강하 상관식은 Table 3에 나타내었다.
R134a와 R1234yf의 이상영역의 열전달계수는 수직⦁수평관내에서 R-11, R-12, R-22, R-113, R-114, C2H5OH와 같은 할로겐화 탄소나 물 등의 작동유체로부터 얻은 비등 실험결과를 바탕으로 개발되었고 가장 일반적으로 널리 사용되고 신뢰성이 확보된 Gungor-Winterton[13] 상관식을 적용하였으며, 압력강하는 Fanning and Pierre[12]상관식을 사용하였다. 또한, 공기측 열전달계수 및 압력 강하 상관식은 Wang[14]이 제안한 식을 사용하였으며, 본 연구에서 사용된 열전달계수와 압력강하 상관식은 Table 3에 나타내었다.
냉동시스템의 열교환기 표면에 생성된 서리의 영향을 고려하기 위하여 서리층 열전달계수를 해석에 반영하였다. 증발기의 서리층 열전도도, 서리밀도, 서리두께는 레이놀즈 수(Red), Fourier 수(Fo), 습도비(wa), 무차원 공기온도(#), 무 차원 표면온도(#)로 이루어진 수식이며, 본 연구와 유사한 조건에서 개발된 Lee et al.[15]이 제안한 식(1-3)을 이용하여 계산하였다.
냉동탑차 냉장시스템의 증빌기의 성능특성을 파악하기 위해 냉장조건(ISO 15502)[16]을 기준으로 공기측 입구온도 및 상대습도, 냉매측 증발온도를 변수로 선정하였으며 이를 변화시켜 가면서 성능해석을 수행하였다. 본 연구에서 성능해석을 위해 설정된 조건은 Table 4에 나타내었다.
성능/효과
저온의 운전조건에서 증발기의 서리형성에 영향을 미치는 주요인자인 입구 공기온도, 상대습도, 증발온도와 같은 다양한 작동조건에서 R134a와 R1234yf 냉매를 적용한 증발기의 성능특성을 분석하였으며, R134a 냉매를 적용한 증발기의 냉동용량은 R1234yf 냉매를 적용한 증발기의 냉동용량보다 성능변화가 더욱 큰 것으로 확인되 었다.
(1) 입구 공기온도의 증가에 따라 서리층 두께는 높게 나타났으며, 9℃에서 R134a와 R1234yf 증발기의 냉동 용량비는 각각 3.49%, 1.62% 감소하였다. 또한, 상대습도 증가에 따른 R134a와 R1234yf 증발기의 서리층 두께는 공기 내에 더 많은 수분을 포함하여 각각 1.
62% 감소하였다. 또한, 상대습도 증가에 따른 R134a와 R1234yf 증발기의 서리층 두께는 공기 내에 더 많은 수분을 포함하여 각각 1.98 mm와 1.98 mm로 높게 나타났으며, 이에 따라 냉동용량비는 각각 64.5%와 61.1%로 크게 감소하는 것으로 예측되었다.
(2) 증발온도 증가에 따른 서리층 두께는 저온으로 인하여 증가하였으며, 증발온도 -20℃에서 R134a와 R1234yf 증발기의 서리층 두께는 1.58 mm, 1.53 mm로 나타났다. 이에 따라 R134a와 R1234yf 증발기의 냉동용량비는 각각 6.
53 mm로 나타났다. 이에 따라 R134a와 R1234yf 증발기의 냉동용량비는 각각 6.8%와 5.5% 감소하였다. 전반적으로 R134a 증발기의 냉동용량은 R1234yf 증발기의 냉동용량보다 서리성장에 따른 성능변화가 더욱 크고 민감한 것으로 나타났다.
5% 감소하였다. 전반적으로 R134a 증발기의 냉동용량은 R1234yf 증발기의 냉동용량보다 서리성장에 따른 성능변화가 더욱 크고 민감한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
냉동탑차의 에너지 소비 특징은 무엇인가??
탑차용 냉동시스템의 용도는 단순한 식료품 수송의 목적을 넘어 화장품, 의약품 수송 등 여러 가지 분야로 응용범위가 확대되고 있다. 냉동탑차는 고내의 온도를 항상 일정하게 유지하기 위해 냉동장치를 사용함으로써 일반 탑차에 비하여 많은 에너지를 소비한다. 현재 냉동 및 공조산업 분야에는 HFC계 냉매인 R134a 냉매가 주로 사용되고 있다.
탑차용 냉동시스템의 용도의 범위는 어떻게 되어가고 있는가?
탑차용 냉동시스템의 용도는 단순한 식료품 수송의 목적을 넘어 화장품, 의약품 수송 등 여러 가지 분야로 응용범위가 확대되고 있다. 냉동탑차는 고내의 온도를 항상 일정하게 유지하기 위해 냉동장치를 사용함으로써 일반 탑차에 비하여 많은 에너지를 소비한다.
HFC계 냉매인 R134a와 관련한 법규 및 규정은 무엇인가?
현재 냉동 및 공조산업 분야에는 HFC계 냉매인 R134a 냉매가 주로 사용되고 있다. 그러나 R134a 냉매는 지구온난화지수(GWP : Global Warming Potential)가 1300으로 매우 높아 자동차 공조시스템에 사용되는 냉매에 관련하여 유럽공동체위원회(EC)에서는 냉매 규제에 대한 법규를 제정 및 공표하였으며, 2017년 자동차용 에어컨시스템에는 GWP 150 이하인 냉매만을 사용하기로 규정하였다[1]. 그래서 R134a 냉매를 대체하기 위해 대체냉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 신냉매인 R1234yf 는 기존의 R134a 냉매와 비등점, 임계온도 및 압력 등 열역학적 물성치가 유사하여 시스템 부품의 교체없이 사용가능하며 GWP는 4로써 150 이하 냉매 사용에 대한 규제기준을 만족한다.
참고문헌 (17)
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