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새로운 CO2 오토 캐스케이드 열펌프 시스템의 성능특성 연구
Study on the performance characteristics of a new CO2 auto-cascade heat pump system 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.41 no.3, 2017년, pp.191 - 196  

윤상국 (Division of Mechanical and Energy Systems Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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20세기에 대두된 HCFC나 CFC계의 냉매들의 환경에의 악영향을 극복하기 위하여 보다 환경 친화적인 이산화탄소와 같은 자연냉매에 대한 관심이 커지고 있다. 겨울철 대기의 열원을 이용하여 증발을 유도하는 이산화탄소 열펌프는 증발기의 온도가 높아 효율이 상대적으로 낮아지고, 130bar가 넘는 고압으로 인하여 열펌프 설비 부품들의 제작의 어려움이 따르게 된다. 본 연구는 보다 낮은 압력의 새로운 2단 팽창식 $CO_2$ 오토 캐스케이드 열펌프를 고안하여 이러한 단점들을 해소하고 보다 효율을 증가시키고자 하였다. 새로운 오토 캐스케이드 열펌프에 2단 팽창방식과 효과적인 냉각방식의 시스템 구성을 하여 혼합냉매인 $CO_2$ 와 R32를 적용하였다. 공정에 고압 70bar, 중간 팽창압은 25bar, 최종 저압은 10bar를 적용하여 해석한 결과, 현재의 오토 캐스케이드 열펌프 공정의 COP는 1.629이었으나, 개선된 중간 압력 25bar의 2단 팽창 오토 캐스케이드 공정은 2.332로 현재의 공정보다 43.15% 향상되었다. 또한 저압측 증발기의 온도도 $-10^{\circ}C$ 이하가 되어 찬 외기에도 증발이 용이하게 발생되는 공정이 되었다. 본 공정이 향후 $CO_2$ 열펌프의 성능계수를 보다 향상시키고 고압에 따른 부품 문제들의 해소에 기여할 수 있는 공정으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Owing to the harmful environmental effects of HCFC and CFC refrigerants discovered in the late 20th century, the need for environmentally friendly refrigerants such as $CO_2$ in cooling systems has increased. Air-source $CO_2$ heat pumps that utilize ambient heat in cold winter...

주제어

#이산화탄소   #열펌프   #오토 캐스케이드   #2단 팽창   #성능계수  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그러나 본 연구에서는 CO2 열펌프의 압력을 낮추고 증발기의 증발이 대기에 의하여 용이하게 이루어질 수 있는 새로운 팽창 공정을 고안하고 이를 해석하였다. 적용한 혼합냉매로는 이산화탄소(R744)와 함께 HFC계 냉매이면서 온난화 지수가 600 정도로 매우 낮고 비점이 대기압에서 -51.
  • 본 논문에서는 CO2를 이용한 냉난방 열펌프 시스템의 이러한 근본적인 문제 해결과 성능향상을 위한 방법으로 혼합냉매를 사용하는 오토 캐스케이드(Auto cascade) 시스템의 적용 가능성을 검토하였다. CO2 사이클의 고압의 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나는 CO2와 포화압력이 낮은 냉매의 혼합냉매를 사용하는 방법을 들 수 있다.
  • 이를 통하여 오토 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 미치는 인자들을 파악하고 분석하였다. 이를 통하여 자연냉매를 적용한 오토 캐스케이드 냉동시스템의 지속적인 성능 개선을 위한 기본 자료를 제공하고, 향후 CO2 열펌프의 성적계수 향상과 고압에 따른 부품 문제들의 해소에 기여하고자 하였다. 모든 공정 해석은 열손실이 없는 이론적 사이클로 기준하여 해석하였으며, 각 지점의 열역학 물성값은 Refprop 9.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
R744인 이산화탄소가 다른 천연냉매들과 다른점은 무엇인가? 그러나 HFC 냉매 중에도 지구온난화 지수가 높은 냉매들이 있어, 2005년 2월 교토 의정서의 발효와 함께 HFC 계열의 냉매 중 온난화 지수가 낮은 HFC 냉매와 천연냉매의 이용은 필수사항이 되고 있다. 그 중에서도 R744인 이산화탄소는 다른 천연냉매들에 비하여 독성, 인화성이 없이 안전하며, 오존층 파괴와 무관하고 지구 온난화 지수도 1로 매우 낮아 이의 활용에 대한 연구와 관심이 매우 커지고 있다[1]-[3].
오토 캐스케이드(Auto cascade) 시스템에 사용되는 혼합냉매는 무엇이 있는가? 또한 겨울철 대기에 의한 원활한 기화를 위해서는 증발기 온도가 -10~-30℃의 저온을 얻을 수 있어야 한다. 혼합 대상 냉매로는 오존층 파괴와 무관한 HFC 계 냉매나 천연냉매 중에서 선택하는 것이 바람직하고, 포화 압력이 낮으면서 열역학적 물성의 우수한 냉매로는 R32, R134A, R152A 등이 있으며 이들에 대한 다양한 연구들이 수행되고 있다[5].
냉동기용 이산화탄소 냉매의 단점은 무엇인가? 그러나 냉동기용 이산화탄소 냉매의 단점으로는 냉동기의 고압 측 압력이 130bar 정도인 높은 압력에 따른 고압 압축기, 고압 열교환기 등이 필요하고, 증발기의 온도가 0℃ 정도로 높아 겨울철 외기 온도가 저하될 때 CO2 냉매의 기화를 위하여 보조 열원이나 응축기 측의 열을 이용하게 됨으로써 냉난방 성능이 저하되는 문제들이 있다. 국내의 CO2를 냉매로 이용하는 냉난방 열펌프 시스템에 대하여는 성능과 신뢰성 향상을 위한 과제가 많이 남아 있으며, 실용화를 위해서는 극복해야 할 여러 가지 문제점들이 남아 있다.
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참고문헌 (10)

  1. G. Lorentzen, "Revival of carbon dioxide as a refrigerant," International Journal of Refrigeration, vol. 17, no. 5, pp. 292-301, 1994. 

    상세보기 crossref

  2. P. Neksa, "CO2 heat pump systems," International Journal of Refrigeration, vol. 25, no. 4, pp. 421-427, 2002. 

    상세보기 crossref

  3. H. Tian, Z. Yang, M. Li, and Y. Ma, "Research and application of CO2 refrigeration and heat pump cycle," Science in China Series E: Technological Sciences, vol. 52, no. 6, pp. 1563-1575, 2009. 

    상세보기 crossref

  4. T. Tsuruha, Y. Yamagami, and T. Matsubara, "Heat pump vending machine equipped with CO2 ejector refrigerating cycle," FUJI Electric Review, vol. 61, no. 3, pp. 158-162, 2015. 

    상세보기

  5. P. Domanski and M. McLinden, "A simplified cycle simulation model for the performance rating of refrigerants and refrigerant mixtures," International Journal of Refrigeration, vol. 15, no. 2, pp. 81-88, 1992. 

    상세보기 crossref

  6. S. G. Kim and M. S. Kim, "Experiment and simulation on the performance of an autocascade refrigeration system using carbon dioxide as a refrigerant," International Journal of Refrigeration, vol. 25, no. 8, pp. 1093-1101, 2002. 

    상세보기 crossref

  7. D. Kai, Z. Shaoqian, X. Weirong, and N. Xiaofeng, "A study on the cycle characteristics of an auto-cascade refrigeration system," Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 33, no. 2, pp. 240-245, 2009. 

    상세보기 crossref

  8. M. Sivakumar and P. Somasudaram, "Exergy and performance analysis of three stage auto refrigerating cascade (3 stage ARC) system using Zeotropic mixture of eco-friendly refrigerants," International Review of Mechanical Engineering. vol. 8, no. 1, pp. 124-134, 2014. 

  9. Y. Jianlin, Z. Hua, and L. Yanzhong, "Application of an ejector in autocascade refrigeration cycle for the performance improvement," International Journal of Refrigeration, vol. 31, no. 2, pp. 279-286, 2008. 

    상세보기 crossref

  10. S. N, Park and M. S. Kim, "Performance of autocascade refrigeration system using carbon dioxide and R134a, In: natural working fluids," 98 Proceedings of the IIR-Gustav Lorentzen Conference, Oslo, Norway, pp. 311-320, 1998. 

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