[논문]자연냉매인 CO2를 이용한 냉동탑차 냉장시스템과 핵심부품개발에 관한 연구

정세진; 박성신; 민호기; 조가영

doi:10.7842/kigas.2019.23.1.19

자연냉매인 CO2를 이용한 냉동탑차 냉장시스템과 핵심부품개발에 관한 연구
A Study of Development of Regrigerated Truck Small Scale Cooling System and Key-Part using Natural Refrigerants. 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.1, 2019년, pp.19 - 26

정세진 ((주)삼진야드 기업부설연구소) , 박성신 ((주)삼진야드 기업부설연구소) , 민호기 ((주)삼진야드 기업부설연구소) , 조가영 ((주)삼진야드 기업부설연구소)

초록
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본 연구에서는 친환경적 냉매로 주목받고 있는 이산화탄소 자연 냉매를 이용하여 1톤 크기의 냉동 탑차에 들어가는 냉방 시스템을 개발하고, COP를 올리기 위해 열교환기 및 Unit cooler를 설계하였다. 또한 LNG의 기존 CNG 5톤 냉동탑차를 LNG 차량으로 개조하여 냉방시스템의 효율을 높임과 동시에 CNG 대비 안전성을 확보하였다. 결과적으로 1톤 및 5톤 크기에서 자연 냉매를 사용한 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed a cooling system for 1 ton size refrigeration vehicle using carbon dioxide natural refrigerant among hydrocarbon type refrigerant which is attracting attention as environment friendly refrigerant, and designed a heat exchanger and a unit cooler to raise COP. In addition, existing CNG 5 ton refrigerated trucks were converted into LNG vehicles to increase the efficiency of the cooling system and ensure safety against CNG. As a result, environmentally friendly refrigerated trucks using natural refrigerants of 1 ton and 5 ton sizes were developed.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Comparison of CO₂ and Freon Refrige-rant (R-134a) Cycles.
그림 Fig. 2. Schematic diagram for Heat Exchanger andUnit Cooler using CO₂.
그림 Fig. 3. System for 1 ton Refrigerated Top Car with Natural Refrigerant.
그림 Fig. 4. LNG Cold & Heat Utilization.
그림 Fig. 5. Schematic diagram of a frozen top car using LNG cold heat.
표 Table 1. CO₂ Gas Cooler Heat Exchanger Cal-culation
그림 Fig. 6. Heat Exchanger Drawings for CO₂ NaturalRefrigerant.
그림 Fig. 7. Unit Cooler Drawings Using CO2 Natu-ral Refrigerant.
그림 Fig. 8. Experiment of Heat Exchanger Using CO₂ Natural Refrigerant.
그림 Fig. 9. Unit Cooler Experiment with CO₂ Natu-ral Refrigerant.
표 Table 2. CO₂ Unit cooler Calculation
표 Table 3. CO₂ Gas Cooler Heat Exchanger Measurement Results
표 Table 4. Unit Cooler Measurement Results
표 Table 5. Cooling Load Calculation
그림 Fig. 10. CO₂ natural refrigerant cooling towervehicle and prototype.
그림 Fig. 11. High pressure piping for 120 bar.
표 Table 6. Cooling system COP measurement result
그림 Fig. 12. Renovation of LNG vehicle of existing diesel 5ton refrigerated truck.
표 Table 7. COP measurement results when applying LNG

AI 본문요약
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문제 정의

LNG냉열을 활용하기 위하여 LNG냉열기화기 열 교환기는 LNG와 고온고압의 CO_².가스가 열교환함 으로 열교환 효율뿐만아니라 냉동기의 효율을 향상 시키고자하였다. 이를 통해 자연냉매를 사용하는 5톤급의 LNG 냉통탑차의 시제품 제작을 완료 하였으며, 친환경 적인 냉매사용과 동시에 자동차의 효율 또한 올려 고효율/저공해에 기여할 수 있는지 확인하고자 하였다.
이 에 반하여 이산화탄소는 지구 온난화에 미치는 영 향이 매우 작으며, 비가연성의 환경 친화적인 냉매 로 냉동기유 및 기기재료와 호환성이 좋으며, 안전 성이 뛰어나고, 독성이 없어 대체냉매로 주목받고 있다.[3,4,5] 따라서 본 과제는 자연 냉매를 사용하 는 최적 설계를 위해 전열 성능 및 장치의 성능을 규명하고자 하며 이를 위해 압축기, 가스쿨러, 증발 기, 팽창 밸브 등으로 구성되는 기본적인 장치를 분석하고 제작하여 그 성능을 확인한다.
가스가 열교환함 으로 열교환 효율뿐만아니라 냉동기의 효율을 향상 시키고자하였다. 이를 통해 자연냉매를 사용하는 5톤급의 LNG 냉통탑차의 시제품 제작을 완료 하였으며, 친환경 적인 냉매사용과 동시에 자동차의 효율 또한 올려 고효율/저공해에 기여할 수 있는지 확인하고자 하였다.

제안 방법

3) 본 연구를 통해 전에 없던 LNG 냉열 활용 기 술을 개발하였다.
4) 냉동 탑차에 자연냉매인 CO₂를 적용함으로써 110bar의 CO₂냉매 열교환기를 개발하였으며, CO₂압축기 일체와 기존에 국산 냉동탑차에 적용되었던 HFC R-134a을 CO₂로 바꾸고 LNG 냉열을 적용 함으로써 보다 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다.
LNG냉열을 이용하여 급속 냉동이 가능하도록 함으로써 Table7과 같이 에너지 효율을 1.3~2배 향 상시킬 수 있도록 하였으며 차량의 정지 및 운휴 상태에서도 냉동효과가 발생되도록 설계하였다.
자연냉매(CO₂)의 경우 초월임계 이산화탄소 사 이클의 특성상, 고압(~120bar), 고온(~150℃)에 견 뎌야 하는데 이를 위해 열전달계수가 높은 동관을 이용하였다. 고압을 위하여 110Bar에 사용하기 위 한 배관에 적합한 배관을 채택하였으며 이는 천연 가스 고압배관 시험규정인 ECE-R-110을 만족시키 고, 미극 DOT 운송차량 규정을 만족시킨다.
내부 열교환기의 성능을 파악하기 위해 이젝터 의 구조 및 원리와 기본 사이클을 분석하였다. 이 젝터는 Motive부, Suction부, Discharge부로 구성 되어 Motive부로 유입되는 고압의 냉매를 Motive 노즐로 통과시켜 압력을 감소시키고 Suction부로 부터 저압, 저속의 냉매 흡입 후 이젝터 내부에서 혼합시키나.
055m로 설정하였다. 벽체를 통한 부하를 계산하기 위하여 단열재는 우레탄판넬로 열전도도는 0.018kcal/mh℃이며 외부 설계 온도의 경우 측면 34.5℃, 전 면부 33℃, 후면부 30℃, 천장 41℃, 바닥 30℃도로 각각 설정하였다. 내부 설계온도는 –5℃이다.
본 연구를 위해 자연냉매(CO2)가 적용된 냉동사 이클을 개발하고 개발한 요소 부품을 사용하여 1차 냉동탑차의 적용시 실제 COP를 측정하였다.
이소부탄/CO₂냉매용 열교환기 요소기기를 아래 그림과 같이 설계하였으며 성능 평가를 실시하였다. 자연냉매를 사용한 Unit cooler를 개발하였으며 이 를 위해 이소부탄/CO₂적용 설계압력 및 설계온도 에 적합한 재질 및 구조 선정하여 유닛쿨러의 코일 의 배관경, 핀간격 등을 설계하였다.
냉매용 열교환기 요소기기를 아래 그림과 같이 설계하였으며 성능 평가를 실시하였다. 자연냉매를 사용한 Unit cooler를 개발하였으며 이 를 위해 이소부탄/CO₂적용 설계압력 및 설계온도 에 적합한 재질 및 구조 선정하여 유닛쿨러의 코일 의 배관경, 핀간격 등을 설계하였다.

대상 데이터

먼저 냉동 탑차의 냉각 열량을 계산하였으며, 냉 동 시스템의 크기는 높이 1.6m, 측면부 너비 2.8m, 그리고 후면 너비 1.8m로 설정 하였으며, 두께는 0.055m로 설정하였다. 벽체를 통한 부하를 계산하기 위하여 단열재는 우레탄판넬로 열전도도는 0.
그 외 계산 설정 값은 Table5와 같다. 총 냉각 열량은 3721.48kcal/h로 1.1209RT의냉동부하를 기준으로 시스템을 설계하였다.

성능/효과

1) 본 연구를 통해 자연 냉매를 이용한 냉동탑차의 냉방 시스템을 설계하였으며 COP 3.60의 성능을 가진다.
2) 본 연구를 통해 LNG냉열을 이용한 냉동탑차의 냉동시스템과 냉동탑차의 폐열 활용 시스템을 특허 출원하였다.
기존의 5톤 냉동탑차 디젤차량을 LNG로 개조하 여 기존 대비 높은 주행거리를 달성하였으며, 기존 경유 차량 대비 약 30%의 연료비를 저감시켰다. 또 한 연료저장압력이 CNG의 1/13으로 높은 안정성 또한 확보하였다.
기존의 사이클에 비해 저압부가 높아 압축일 감소 및 증발 기 내 엔탈피차를 증가시키고 시스템의 COP를 증 가시켰음을 확인하였다.
측정결과 열교환기의 효율은 75.61%를 달성하였 으며, Unit Cooler의 효율은 80.76%를 달성하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO2 냉매의 특징은 무엇인가?	CO2 냉매는 열역학적 특성상 열 교환 손실 및 팽창손실이 기존냉매에 비하여 큰 것으로 알려져 있다. 또한 초임계 사이클의 특성상 시스템의 용량 제어를 위하여 고압단의 온도와 압력을 동시에 제어하여야 한다.
	탄화수소 (HC)계열의 냉매의 장점은 무엇인가?	현재 대표적인 환경 친화적인 냉매로 탄화수소 (HC)계열의 냉매들이 많이 연구 검토되고 있는데, 이러한 냉매들은 이미 자연계에 널리 존재하는 물 질로 값싸고 쉽게 구할 수 있으며 회수 및 재생을 할 필요가 없는 장점이 있다. 그러나 현재 검토 중 인 많은 탄화수소계 냉매들은 가연성이 있어서 폭발의 위험이 있으며, 암모니아와 같은 경우는 독성 과 가연성 때문에 별도의 안전장치가 필요하다.
	이산화탄소 자연 냉매를 사용해야 하는 이유는 무엇인가?	몬트리올 의정서 및 교토의정서에 의거하여 오 존층 파괴물질의 사용규제, 온실가스 배출억제 등 국제환경규제가 규정되었다. 이와 같은 국제적인 협약에 의한 오존층 파괴물질의 사용규제가 기존 의 냉동공조기기 부문에서 사용되고 있는 프레온 계열의 냉매류를 근시일 내에 더 이상 사용할 수 없도록 함에 따라, 대체냉매를 이용한 새로운 냉동 공조기기의 개발이 지속적인 발전의 관건이 되고 있다. 이러한 문제의 해결을 위해서 세계 각국이 독자적 노력은 물론 국제적 협력체계로 연구개발 을 하고 있으며, 특히 선진국에서는 이러한 노력성 과가 없는 국가나 제품에 대한 통상압력을 가할 예정에 있는 실정이다.

참고문헌 (5)

Didion, D. A. and Bivens, D. B., 1990, "Role of Refrigerant Mixtures as Alternatives to CFCs", International Journal of Refrigeration, Vol. 13, pp. 163-75, (1990)

상세보기
Neks. P., Rekstad, H., Zakeri, G.R. and Schiefloe, P.A., 1998, "CO2-heat pump water heater: characteristics, system design and experimental results. Int. J. Refrigeration, Vol. 21, No. 3, pp. 172-179, (1998)

상세보기
Lorentzen G., 1994, "Revival of carbon dioxide as a refrigerant". Int. J. Refrigeration, Vol. 17, No. 5, pp. 292-301, (1994)

상세보기
Hashimoto, K., Saikawa, M., and Iwatsubo, T., 2000, "Experimental study about heat transfer coefficient of CO2 on supercritical condition", 第 37回日本熱シソポヅウム講演論文集, pp. pp. 401-02, (2000)
Pettersen, J., Rieberer, R., and Leister, A., 2000, "Heat transfer and pressure drop characteristics of supercritical carbon dioxide in microchannel tubes under cooling", Preliminary Proceedings of the 4th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids at Purdue, July 25-28, pp. 99-06, (2000)

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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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