[논문]고온측 냉매에 따른 이원 냉동시스템의 성능 분석

윤정인; 전민주; 손창효

doi:10.9726/kspse.2017.21.3.045

고온측 냉매에 따른 이원 냉동시스템의 성능 분석
Performance Analysis of Cascade Refrigeration System with Respect to Refrigerants Appling to High Temperature Cycle 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.21 no.3, 2017년, pp.45 - 50

윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 전민주 (부경대학교 냉동공조공학과) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the Coefficient of performance(COP) and mass flow ratio of cascade refrigeration system with respect to refrigerants appling to high temperature cycle. The operating parameters considered in this study include degree of superheating and subcooling, compressor efficiency, evaporating temperature, condensing temperature and internal heat exchanger effectiveness in high temperature cycle. The result of this study is as follows : The COP of cascade system increases with increasing degree of superheating and subcooling, compressor efficiency and internal heat exchanger effectiveness except increasing condensing temperature. The mass flow ratio of low and high temperature cycle increases with increasing evaporating temperature and condensing temperature, but decreases with increasing internal heat exchanger effectiveness, degree of superheating and subcooling. Also, the mass flow ratio has no correlation with compressor efficiency at high temperature cycle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Table 2의 분석조건으로부터 Table 1의 수식의 결과 값을 이용하여 저온부에 R717을 사용한 이원 냉동시스템의 성능에 영향을 미치는 고온 사이클의 작동 변수들이 시스템에 미치는 영향에 대해서 살펴보고자 한다.
하지만 R717을 저온부에 적용하는 사이클은 성능 분석에 대한 자료가 R744를 저온부에 적용한 사이클에 비해 상대적으로 부족하다. 따라서 본 연구에서는 저온부에는 R717을, 고온부에는 다양한 냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 작동 변수에 따른 성능을 분석함으로써, 이를 통해 자연냉매를 적용한 캐스케이드 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver) 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 저온측 사이클에는 R717을, 고온측 사이클에는 R22, R32, R134a, R404A, R410A, R507A R600a, R1270을 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver) 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 저온측 사이클에는 R717을, 고온측 사이클에는 R22, R32, R134a, R404A, R410A, R507A R600a, R1270을 적용한 이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

성능/효과

1) 과열도가 증가할수록 R22와 R32를 제외한 냉매들은 COP가 증가하고 질량유량비가 감소한다. R22와 R32의 경우 COP가 감소하고 질량유량비는 증가한다.
2) 과냉각도가 증가할수록 COP가 증가하는 반면에 질량유량비는 감소한다.
3) 압축효율이 증가할수록 COP가 증가하며 질량유량비는 압축효율과 상관관계가 없다.
4) 증발온도가 증가할수록 COP와 질량유량비 모두 증가한다.
5) 응축온도가 증가할수록 COP는 감소하는 반면에 질량유량비는 증가한다.
3에서 과냉각도가 증가함에 따라 질량유량비는 감소하는 것을 알 수 있다. Fig. 2에서 알 수 있듯이, R404A가 총 16.63%로 영향을 가장 많이 받고, 특히 0℃에서 5℃로 증가할 때, 4.92%로 가장 큰 결과를 보였다.
또한 과열도가 증가함에 따라 질량유량비는 감소하는 것을 알 수 있다. Fig. 2에서 알 수 있듯이, R507A가 총 8.61%로 영향을 가장 많이 받고, 특히 0℃에서 5℃로 증가할 때, 2.30%로 가장 큰 결과를 보였다.
Fig. 4에서 알 수 있듯이, R32가 총 5.25% 로 가장 많이 영향을 받고, 특히 –5℃에서 0℃로 증가할 때, 1.51%로 가장 큰 결과를 보였다.
COP와는 반대로 질량유량비는 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 4에서 알 수 있듯이, R507A가 총 36.53%로 가장 많이 영향을 받고, 특히 55℃에서 60℃로 증가할 때, 10.92%로 가장 큰 결과를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라에서 프레온 냉매 사용이 금지된 이유는?	최근 프레온 냉매로 인한 오존층 파괴나 지구 온난화와 같은 환경 문제가 야기되면서 프레온 냉매를 규제하는 국제협약(교토의정서, 몬트리올 의정서 등)에 의해 우리나라는 2030년부터 프레온 냉매의 사용이 금지된다. 이러한 이유로 프레온 냉매의 대체 냉매로 자연냉매인 R744와 R717의연구가 활발하게 진행되어 왔으며, 두 냉매를 적용한 연구로는 단단 냉동사이클에서부터 2단 또는 3단의 다단 압축 사이클이나 2개의 사이클을 이용한 이원 냉동사이클에 대한 연구가 있다.
	고온사이클에서 과열도와 질량 유량비의 관계는 어떠한가?	또한 과열도가 증가함에 따라 질량유량비는 감소하는 것을 알 수 있다. Fig.
	이원 냉동시스템의 성능 분석을 위해 가정한 것은?	저온&고온 사이클에서 압축기 내의 냉매는 단열압축 과정이고, 기계효율과 저온측 사이클의 압축효율은 0.8이다. 저온&고온 사이클에서 배관 내의 압력강하와 열손실은 무시한다. 저온&고온 사이클에서 팽창밸브 내의 냉매는 단열 팽창인 등 엔탈피 과정이다. 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정한다.

참고문헌 (7)

C. H. Son, 2010, "Performance Analysis of Ammonia(R717) and Carbon Dioxide(R744) Two- Stage Cascade Refrigeration System", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 14, No. 1, pp. 1-7.
D. H. Lee, M. J. Jeon, C. H. Son and H. K. Oh, 2009, "Maximum Performance Prediction of an Ammonia(R717) and Carbon Dioxide(R744) Cascade Refrigeration System", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 5, No. 3, pp. 531-537.
A. Messineo, 2011, "R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System", Energy Procedia, Vol. 1, No. 1, pp. 144-153.
P. K. Bansal and S. Jain, 2007, "Cascade Systems: Past, Present, and Future", ASHRAE Trans, Vol. 113, No. 1, pp. 245-252.
H. K. Oh and C. H Son, 2011, "Exergy Analysis of R744-R404A Cascade Refrigeration System", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 8, pp. 1001-1008.

원문보기 상세보기
H. K. Oh and C. H Son, 2012, "Performance analysis of a R744 and R404A cascade refrigeration system with internal heat exchanger", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 16, No. 1, pp. 38-43.
EES: Engineering Equation Solver, fChart Software Inc., 2010.

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