[논문]Al2O3 나노 입자를 적용한 증기 압축 냉동 사이클의 성능

김정배; 이규선; 이근안

doi:10.5855/energy.2015.24.4.124

Al2O3 나노 입자를 적용한 증기 압축 냉동 사이클의 성능
An Experimental Study on Performance of Vapor Compression Refrigeration Cycle with Al2O3 nano-particle 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.24 no.4, 2015년, pp.124 - 129

김정배 (한국교통대학교) , 이규선 (한국교통대학교) , 이근안 (한국생산기술연구원)

초록
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$Al_2O_3$ 나노입자의 농도별로 전동식 압축기의 회전속도(rpm)의 변화에 따른 자동차용 증기압축 냉동사이클의 COP를 실험적으로 평가하고 나노입자를 적용하지 않은 기준 사이클의 COP와 비교하였다. 이를 위해 실제 하이브리드 자동차에서 쓰는 사이클 부품들을 이용하고 항온항습 챔버를 이용하지 않는 방식으로 장치를 설계 및 제작하였다. 별도의 전동식 인버터 압축기의 제어장치를 활용하여 1000rpm부터 500rpm 간격으로 4000rpm까지와 $Al_2O_3$ 나노입자를 질량비 기준으로 농도 0.05%, 0.1%, 0.2%와 0.5%의 범위에 대하여 실험을 수행하였다. 이를 통해 기준 사이클과 비교하면 기준 사이클의 일반적인 운전조건인 약 3000rpm에서 $Al_2O_3$ 나노유체를 적용하는 사이클의 COP는 질량 농도비 0.05%에서는 15.4% 정도, 농도비 0.1%, 0.2% 및 0.5%에서는 각각 9.4%, 13% 및 9.6%가 증가함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was performed estimating COP(Coefficient of Performance) of air-conditioning cycle using inverter scroll compressor with and without $Al_2O_3$ nano particle. All experiments were done for various compressor speeds from 1000~4000 rpm and used the inverter controller called CANDY to change the compressor rpm. The air-conditioning cycle components in the apparatus were used as same with components of YF hybrid car. To estimate the COP, this study measured the temperature and pressure at inlets and outlets of compressor, condenser, and evaporator. And also measured the compressor input power using Powermeter. Through the experiments, the maximum error to estimate COP was shown about ${\pm}6.09%$ at 3500rpm. The COP of refrigeration cycle with $Al_2O_3$ nano-particle was similar with that of the base cycle without nano-particle between 1000~3000 rpm of the compressor speed. But, This study showed that the COP of the cycle with $Al_2O_3$ over 3000 rpm of the compressor speed was higher than that of the base cycle due to the higher heat transfer rate increased in the evaporator from the higher oil flow rate inside the cycle as well known. Those results can be used the basic and fundamental data to design the air-conditioning cycle using inverter scroll compressor with $Al_2O_3$ nano particle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 본 저자들은 YF 하이브리드 자동차에 응축기및 증발기 팬을 제외하고는 실제 적용된 냉동사이클 부품을 그대로 활용하여(다만, 실차에 적용되는 사이클을 이용하므로 열교환기 전열면적 등의 사양에 대한 스펙을 정확하게 제시할 수 없는 점이 있음) R-134a를 작동유체로 하는 증기압축 냉동사이클의 성능(COP, Coefficient of Performance)를 전동식 스크롤압축기의 운전 rpm(회전수)에 따라 실험적으로 평가하고 분석하기 위한 연구를 수행하였다.⁴⁾
모든 실험은 실제 차량의 운전상태가 대기 노출 상태이므로, 항온항습 챔버가 아닌 실험실의 대기조건에서 가급적 거의 실내온도가 유사한 범위 내에 있도록 유지하기 위하여 상온 조건 근처에 도달하였을 때 실시하였다.
본 연구에서는 Al₂O₃ 나노입자의 농도별로 전동식 압축기의 회전속도(rpm)의 변화에 따른 자동차용 증기압축 냉동사이클의 성능 평가를 실험적으로 수행하였다.

제안 방법

COP 증가의 정량적인 분석을 위하여, Fig. 9에 표시한 기준 사이클의 추세선으로부터 각 농도별 T*의 3000rpm에서의 값에 해당하는 기준 base COP를 계산하고 이를 농도별 COP와 비교하여 Table. 2에 나타내었다.
나노 입자량은 초기 봉입 오일량과 이전의 추가 오일량을 기준으로 실험에 적용된 질량비 농도 0.05%-0.5%에 맞게 결정하였다.
(번호:718475)를 이용하였다. 나노유체의 제조는 추가 오일량에 나노입자량을 실험을 위한 질량 농도비에 맞게 혼합하고 2시간의 소니케이터를 이용하여 소닉(Sonic)을 한 후 증발기 출구와 압축기 입구를 연결하는 배관 부에 주사기(Syringe)를 이용하여 주입하였다.
이러한 기초연구를 기반으로 본 연구에서는 상용 나노입자를 적용하여 전동식 스크롤 압축기를 가진 자동차용 냉동사이클의 성능(COP)을 측정하고, 그 결과를 기존(Base) 사이클과의 성능 비교를 수행하고자 참고 문헌 4와 동일한 성능평가 장치를 이용하였다. 나노입자를 적용한 다양한 연구에서 가장 널리 적용되고 있는 Al₂O₃, T_iO₂ 및 CuO 중에서 분산성 평가에서 가장 적합한 것으로 선정된 Al₂O₃ 나노입자⁵⁾를 적용하고 R-134a 를 작동유체로 하는 증기압축 냉동사이클의 성능을 나노유체 오일량 기준 질량비(농도)와 압축기 rpm 변화에 따른 냉동 사이클 성능 평가 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 P-h 선도를 가지는 증기압축 냉동사이클의 COP를 식(1)을 이용하여 평가 하였고, 팽창장치에서의 과정(C-D)를 등엔탈피 과정으로 고려하여 증발기 입구의 상태를 결정하였다.
실제 자동차에서 쓰는 부품을 그대로 이용하고 항온항습 챔버를 이용하지 않는 방식으로 장치를 설계및 제작하였다.
압축기 제어장치를 통하여 1000rpm부터 500rpm을 늘려가며 4000rpm까지와 Al₂O₃ 나노입자를 질량비 기준으로 농도 0.05%, 0.1%, 0.2%와 0.5%를 선정하여 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
압축기의 회전수를 변경하여 성능을 평가할 때 열교환기들의 팬은 일정한 풍량 조건으로 고정하였다.
온도 측정은 교정식을 가진 OMEGA사의 4선식 RTD 열전대를 항온조를 이용하여 재교정하여 이용하였고, 압력센서는 Keller사의 PA-21Y(-1.0∼30.0bar)를 이용하였다.
운전 rpm별로 기준 사이클과 Al₂O₃ 나노 입자 적용 사이클의 성능 측정을 수행하였고, Fig. 3과 Fig. 4에 Al₂O₃ 0.05%에서의 COP를 일반적인 냉동사이클의 성능을 표시하는 방법과 동일하게 x축은 평균 응축온도와 평균 증발온도의 비(T*=T_{cond, avg}/T_{eva, avg})로 무차 원화하여 y축은 COP와 W_comp 에 대해서 나타내었다.
이러한 기초연구를 기반으로 본 연구에서는 상용 나노입자를 적용하여 전동식 스크롤 압축기를 가진 자동차용 냉동사이클의 성능(COP)을 측정하고, 그 결과를 기존(Base) 사이클과의 성능 비교를 수행하고자 참고 문헌 4와 동일한 성능평가 장치를 이용하였다. 나노입자를 적용한 다양한 연구에서 가장 널리 적용되고 있는 Al₂O₃, T_iO₂ 및 CuO 중에서 분산성 평가에서 가장 적합한 것으로 선정된 Al₂O₃ 나노입자⁵⁾를 적용하고 R-134a 를 작동유체로 하는 증기압축 냉동사이클의 성능을 나노유체 오일량 기준 질량비(농도)와 압축기 rpm 변화에 따른 냉동 사이클 성능 평가 실험을 수행하였다.
전동식 스크롤압축기는 정속형이 아닌 가변속의 인버터 방식이므로 별도의 고전압 DC 파워서플라이로 280V_DC의 직류 전압을 공급하고, 동시에 투입되는 전압과 전류를 측정하는 Powermeter를 이요하여 소비전력을 측정하였다. 전동식 압축기의 운전 rpm 제어는 전용 제어기인 CANDY 장비를 이용하였다.

대상 데이터

나노입자는 상용제품인 Sigma-Aldrich사의 13nm 크기의 Al₂O₃(번호:718475)를 이용하였다. 나노유체의 제조는 추가 오일량에 나노입자량을 실험을 위한 질량 농도비에 맞게 혼합하고 2시간의 소니케이터를 이용하여 소닉(Sonic)을 한 후 증발기 출구와 압축기 입구를 연결하는 배관 부에 주사기(Syringe)를 이용하여 주입하였다.
실험 장치는 실제 YF 하이브리드 자동차에 사용되는 부품을 구매하여 조립·제작된 것으로, 일반적인 증기압축 냉동사이클에 적용하는 Accumulator와 Dryer 등이 없는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로만 구성되어 있다.
실험은 먼저 CANDY를 이용하여 스크롤압축기의 운전 rpm을 설정하고 운전하여, 냉동사이클의 온도와 압력이 정상상태에 도달하면 약 5분 정도 데이터를 확보하였다.

성능/효과

(1) 기준 사이클과 비교하면 기준 사이클의 일반적인 운전조건인 약 3000rpm에서 Al₂O₃ 나노유체를 적용하는 사이클의 COP는 질량 농도비 0.05%에서는 15.4% 정도, 농도비 0.1%, 0.2% 및 0.5%에서는 각각 9.4%, 13% 및 9.6%가 증가 함을 알 수 있었다.
(2) 평균 응축온도와 평균 증발온도의 비가 증가할 때 모든 rpm별, 농도별로 COP는 감소하고 W_comp이 증가하는 경향을 나타내었다.
(3) 각 실험결과를 rpm별, 농도별로 T*를 이용하여 T*와 COP와 압축기 소요동력의 관계를 나타내면, 일반적인 증기압축 냉동사이클의 성능을 표현하는 방법과 거의 동일한 운전특성과 경향성을 가짐을 알 수 있었다.
2에 나타내었다. 0.05% 농도에서는 기준 사이클에 비하여 15.4%가 증가하였고, 0.1%, 0.2% 및 0.5%에서는 각각 9.4%, 13% 및 9.6%가 증가함을 알 수 있었다.
05%에서의 COP 추세선으로 나타내었다. 1.25의 T* 보다 높은 값에서 농도에 상관없이 Al₂O₃ 나노입자 사이클의 COP가 더 크다는 사실을 명확하게 확인할 수 있다.
기준 사이클과 0.05%의 Al₂O₃ 나노입자 사이클 모두 T*가 증가할수록 COP는 감소하였고, W_comp 는 증가하는 특성을 나타내고 있다.
나노입자를 적용한 전동식 압축기를 적용한 냉동사이클의 COP 증가는 고 rpm이라고 할 수 있는 기준 조건인 3000rpm 이상에서 오일의 사이클 내부 순환량이 증가하게 되고, 따라서 오일과 같이 사이클 내부를 유동하게 되는 나노입자에 의한 열교환기(특히, 증발기)에서의 열전달량 증가의 효과인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 나노입자를 적용한 열교환기의 열전달 특성을 정리한 논문⁶⁾에서 결과와 일치한다.
모든 실험 조건에서 COP 평가결과에 의하면 최대 평가오차는 ±6.09% 수준이었다.

참고문헌 (6)

Yoon, J. and Hiroyuki, H., Air Conditioning System for Hybrid Vehicle, SAREK Journal, Vol. 83, pp. 50-53, (2008).
Hong, S.Y., Han, M.S., and Park, S.J., Research of 2.5KW Electric Scroll Compressor Using PMSM, Proceedings of Power Electronics Annual Conference, pp. 600-603, (2012).
Lee, M.Y., Cho, C.W., Lee, H.S., Lim, T.K., Jeon, H.B., and Won, J.P., Performance Characteristics of the Roof Mounted Electrical Air Conditioning System using Scroll Compressor, Proceedings of KSME Annual Fall Conference, pp. 1630-1635, (2011).
Lee, K.S., Lee, K.A., Lee, H.Y., Lee, Y.S., and Kim, J., Experimental Study on the Performance of Refrigeration Cycle for various RPM of Inverter Scroll Compressor, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 34, No. 3, pp. 42-48, (2014).

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Lee, K.S., Lee, K.A., Lee, J.S., Lee, H.Y., Park, S.J., Lee, Y.S., Kim, S., Jang, S.P., and Kim, J., Experimental Study on Dispersion and Thermal Properties of Nanofluids based on POE Oil, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 32, No. 3, pp. 170-177, (2012).

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Saidur, R., Kazi, S.N., Hossain, M.S., Rahman, M.M., and Mohammed, H.A., A Review on the Performance of Nanoparticles Suspended with Refrigerants and Lubricating Oils in Refrigeration Systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 310-323, (2011).

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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