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문제 정의
- 본 논문에서는 Fig. 2 에 나타나 있는 R410A 냉매를 사용하는 LG 전자 GHP 시스템의 주요 부품을 소개하고, 사이클 해석을 활용하여 GHP의 성능을 예측한 방법과 GHP를 실제 제작하여 실증한 내용을 중심으로 기술하였다.
제안 방법
- 25 마력 GHP의 제작 및 성능 측정을 위해서 먼저 주요 부품을 설계한 후, 시스템을 구성하였을때 도출 가능한 성능을 예측하기 위하여 사이클 시뮬레이션을 수행하였다. 사이클 시뮬레이션은 초기에 임의의 운전점에서 계산 후에 산출된 값을 압축기, 엔진의 성능 데이터와 비교하여 반복 계산을 수행하였으며 산출 값과 성능 데이터가 수렴하는 사이클의 최종 운전점을 결정하여 성능을 예측하였다.
- 본 연구에서는 가스 엔진 히트 펌프 중 25 마력 제품의 성능을 시뮬레이션을 통해서 예측하여 실제 측정한 성능 값과 비교하였다. GHP의 사이클 특성과 엔진과 압축기의 성능 데이터를 고려하여 성능 예측의 정확도를 높이는 과정을 수행하면서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 각 단계를 거치면서 도출된 냉매 순환 유량으로 증발 온도와 응축온도를 새로 산출하는 반복 계산을 수행하였고, 응축온도와 증발온도가 수렴하는 운전점에서 시스템의 능력을 계산한 값과 압축기의 성능 데이터가 차이가 없으면 최종 운전점으로 확정하였다. 4 단계에서 COP를 결정할 때에는 엔진 성능 데이 터를 반영하여 정확한 효율의 계산이 가능하였다.
- 냉방과 난방의 성능 예측을 하는 과정은 유사하기 때문에 냉방 성능 예측을 중심으로 기술하였다. 냉방 성능 예측을 위해서 먼저 임의로 응축 온도, 증발 온도, 과열도, 과냉도를 선정한 후에 하기의 단계별로 진행하였으며 각 단계의 관련된 식들도 표시하였다.
- 냉방과 난방의 성능 예측을 하는 과정은 유사하기 때문에 냉방 성능 예측을 중심으로 기술하였다. 냉방 성능 예측을 위해서 먼저 임의로 응축 온도, 증발 온도, 과열도, 과냉도를 선정한 후에 하기의 단계별로 진행하였으며 각 단계의 관련된 식들도 표시하였다.
- 전력 Peak의 대안으로 주목 받고 있는 가스 히트 펌프를 개발하기 위해서 부품의 특성을 고려한 성능의 예측이 중요하고, 이를 통해 제품의 설계 정확도와 품질을 높일 수 있다. 본 연구에서는 가스 엔진 히트 펌프 중 25 마력 제품의 성능을 시뮬레이션을 통해서 예측하여 실제 측정한 성능 값과 비교하였다. GHP의 사이클 특성과 엔진과 압축기의 성능 데이터를 고려하여 성능 예측의 정확도를 높이는 과정을 수행하면서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 25 마력 GHP의 제작 및 성능 측정을 위해서 먼저 주요 부품을 설계한 후, 시스템을 구성하였을때 도출 가능한 성능을 예측하기 위하여 사이클 시뮬레이션을 수행하였다. 사이클 시뮬레이션은 초기에 임의의 운전점에서 계산 후에 산출된 값을 압축기, 엔진의 성능 데이터와 비교하여 반복 계산을 수행하였으며 산출 값과 성능 데이터가 수렴하는 사이클의 최종 운전점을 결정하여 성능을 예측하였다.
대상 데이터
- Table 2 에는 압축기 사양이 정리되어 있으며 본 연구에서는 10 마력과 15 마력 압축기를 병렬로 연결 하여 25 마력으로 구성된 시스템을 사용하였다. Table 2 에 표시된 10 마력 압축기와 15 마력 압축기는 동일한 외형 크기를 가지고 있으나 내부 체적은 각각 85cc, 125cc 로 다르며 압축기의 회전 방향은 클러치를 보는 방향에서 시계 방향으로 엔진과 압축기를 동력을 전달하기 위하여 벨트로 결합할 때에는 각각의 회전 방향을 일치시켜야 한다
- 본 연구에서 논의되는 GHP 는 용량이 25 마력이므로 압축기의 성능 데이터는 10 마력과 15 마력 압축 기의 성능 데이터를 모두 활용하였으며, 시스템의 운전점을 변경하면 압축기의 능력과 필요 동력, 냉매 순환량이 예측되는 데이터로 활용하였다.
- 본 연구에서 사용된 GHP의 엔진은 Fig. 3 에 표시되어 있다. GHP 엔진이 구동되는 과정은 제로가 버너를 통과한 연료가 믹서에서 공기와 혼합된 후 엔진으로 유입된 후 실린더 블록 내부에서 폭발 과정을 거치면서 엔진 풀리를 회전시킴으로 압축기에 동력을 전달하게 된다.
- 본 연구에서 사용된 압축기는 개방형 스크롤 압축기로 Fig. 4 에 표시되어 있다. 압축기는 회전수가 변경되는 가변 압축기로, 압축기에 부착된 용량 조절 밸브를 활용하면 토출되는 냉매를 흡입측으로 재순환시키기 때문에 회전수 변경에 따른 용량 조절보다 더 넓은 범위의 용량 조절이 가능하다
이론/모형
- 증발기와 응축기를 활용하여 응축 온도, 증발 온도를 예측하기 위해 열전달 기본값이 반영된 ε-NTU 방법을 활용하였으며 냉매의 특성값은 NIST의 Refrop 을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
- (1) GHP의 난방 운전시 엔진 폐열은 시스템에 공급되기 때문에 공랭식 증발기기 담당하는 증발 구간과 엔진 폐열이 담당하는 증발 구간을 구분하여 계산해야 정확한 값을 예측할 수 있다.
- (2) GHP의 엔진 폐열 활용률이 증가할수록 난방 COP 는 증가하고, 실외 열교환기의 설계 용량도 감소시킬 수 있기 때문에 엔진 폐열을 최대한 사용하도록 설계를 수행해야 한다.
- (3) 성능 예측 모델을 활용하여 예측된 효율과 측정된 효율을 비교 시 5%의 차이가 발생하며 향후에 부품의 압력 강하 및 특성을 고려하면 오차가 감소되어 더 정확한 성능을 예측할 수 있다.
- 3.3 절에서 언급한 것과 같이 난방 운전에서 GHP 는 2개의 증발기를 사용하기 때문에 성능 예측 모델 에서 엔진 폐열 활용률에 따라 난방 COP를 분석하면 폐열 사용이 증가할수록 COP 는 선형적으로 증가하고, 공랭식 증발기와 엔진 폐열 증발기의 용량비는 급격하게 감소하여 100% 폐열 활용 시에는 용량비가 0.9로 엔진 폐열량이 공랭식 증발기 용량보다 크게 되며 이는 Fig. 7-(a)에 표시되어 있다. 이를 통해 엔진 폐열을 최대로 사용하는 것이 난방 COP를 향상시킬 수 있는 중요한 방법임을 알 수 있다.
- 7-(b)에서는 성능 예측 방법으로 도출된 냉방 및 난방의 효율과 GHP 시스템을 설치 후 측정한 냉방 및 난방 효율을 표시하였다. 성능 예측 방법의 효율은 실체 측정한 효율보다 5% 정도 높게 나타났다. 이는 성능 예측 방법은 배관 및 구성 부품에서의 압력 손실과 열교환기에서 Path 형상에 따른 영향을 고려하지 않았기 때문에 발생되는 오차로 이를 반영하였을 경우에는 예측의 정확도가 향상될 것으로 예상 된다.
- 성능 예측 방법으로 운전점 및 각 운전점에서 엔탈피를 알 수 있기 때문에 GHP 시스템을 구성하는 각 부품의 용량을 간단하게 도출할 수 있다. 전반적으로 냉방의 실내 및 실외 온도가 난방보다 높기 때문에 운전 구간은 난방보다 상부에 존재하며 운전 영역은 냉방이 난방보다 작으므로 더 많은 질량 유량이 필요하고, 이는 성능 예측 시 냉매 순환량이 냉방이 난방보다 20% 이상 더 많은 질량 유량이 필요한 것으로 확인할 수 있었다.
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