[논문]인터쿨러와 공랭식 응축기를 동시에 사용하는 냉방-냉동 겸용 캐스케이드 사이클에 대한 연구

김내현

doi:10.5762/kais.2019.20.7.353

인터쿨러와 공랭식 응축기를 동시에 사용하는 냉방-냉동 겸용 캐스케이드 사이클에 대한 연구
A Study on the Cascade Hybrid Cooling/Refrigeration Cycle Equipped With Intercooler and Air-Cooled Condenser in Series 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.353 - 362

초록
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그간 캐스케이드 냉동 시스템에 대해서 열역학적 해석은 다수 수행되었으나 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 부품 해석을 통한 시스템 평가는 미진한 상태이다. 본 연구에서는 냉방 및 냉동 열교환기가 별도로 장착되어 있고 하부 사이클에 공랭식 응축기와 인터쿨러가 직렬로 연결되어 있는 캐스케이드 냉동 사이클에 대해 성능 해석을 수행하였다. 우선 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 요소부품에 대해 모델링을 수행하고 R-410A를 사용하는 냉방 능력 8 kW, 냉동 능력 15 kW의 캐스케이드 냉동 사이클의 요소 부품의 - 상부 응축기, 하부 응축기, 냉방 증발기, 냉동 증발기, 인터쿨러, 압축기, 전자팽창변 - 설계를 수행하였다. 설계 사양에 대하여 외기 온도를 $26^{\circ}C$에서 $38^{\circ}C$로 변화시키며 해석을 수행한 결과 냉각 열량은 하부 증발기에서는 거의 일정하고 상부 증발기에서는 9% 감소, 인터쿨러에서는 63% 증가하였다. 한편 COP는 외기 온도의 증가에 따라 감소하였다. 인터쿨러가 작동하지 않는 사이클 대비 인터쿨러 사이클이 COP 측면에서 우위를 보였다. 또한 상부 응축기의 크기를 당초 설계치의 2배 증가시키면 하부 증발기 열량은 변함이 없는 반면 상부 증발기 열량은 4% 증가하였다. 한편 상부 응축기의 크기 증가에 따라 상부 사이클의 COP는 증가하는 반면 하부 사이클의 COP는 큰 변화가 없다. 또한 하부 응축기 크기를 2.8배 증가시키면 상하부 증발기의 열량 변화는 거의 없고 인터쿨러의 열량만이 8% 감소하였다. 아울러 하부 사이클의 COP는 응축기의 크기가 증가함에 따라 다소 증가하였으나 상부 사이클의 경우는 그 변화가 미미하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermodynamic analysis of cascade refrigeration systems has attracted considerable research attention. On the other hand, a system evaluation based on thermodynamic analyses of the individual parts, including the evaporator, condenser, intercooler, expansion valve, etc., has received less attention. In this study, performance analysis was conducted on a cascade refrigeration system, which has an individual cooling and refrigeration evaporator, and equips the intercooler and air-cooled condenser in a series in a lower cycle. The thermo-fluid design was then performed on the major components of the system - upper condenser, lower condenser, cooling evaporator, refrigeration evaporator, intercooler, compressor, electronic expansion valve - of 15 kW refrigeration, and 8 kW cooling capacity using R-410A. A series of simulations were conducted on the designed system. The change in outdoor temperature from 26 C to 38 C resulted in the cooling capacity of the lower evaporator remaining approximately the same, whereas it decreased by 9% at the upper evaporator and by 63% at the intercooler. The COP decreased with increasing outdoor temperature. In addition, the COP of the cycle with the intercooler operation was higher that of the cycle without the intercooler operation. Furthermore, the increase in the upper condenser size by two fold increased the upper evaporator by 4%. On the other hand, the lower evaporator capacity remained the same. The COP of the upper cycle increased with increasing upper condenser size, whereas that of the lower cycle remained almost the same. When the size of the lower condenser was increased 2.8 fold, the intercooler capacity increased by 8%, whereas those of upper and the lower evaporator remained approximately the same. Furthermore, the COP of the lower cycle increased with an increase in the lower condenser. On the other hand, the change of the upper condenser was minimal.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Schematic drawing of the cascade refrigeration system
그림 Fig. 2. Schematic drawing showing the control volume of the refrigeration condenser or evaporator
그림 Fig. 3. Heat transfer coefficient of Park and Hrnjak[8] data predicted by the present model
그림 Fig. 4. Pressure drops of Park and Hrnjak[8] datapredicted by the present model
그림 Fig. 5. Heat transfer coefficient of Anowar et al.[12] data predicted by the present model
그림 Fig. 6. Pressure drops of Anowar et al.[12] data predicted by the present model
그림 Fig. 7. Schematic drawing showing the control volume of the intercooler
그림 Fig. 8. Cascade cycle of this study
그림 Fig. 9. Flow chart of the present cascade system
표 Table 1. Air and refrigerant temperatures used for the design of the refrigeration components.
표 Table 2. Preliminary design specification of the cascade refrigeration system having 15kW and 8 kW cooling capacity at upper and lower cycle
그림 Fig. 10. Cooling capacity of the upper and lower cycle at different outdoor temperature
그림 Fig. 11. Power consumption of the upper and lower cycle at different outdoor temperature
그림 Fig. 12. COP of the upper and lower cycle at different outdoor temperature
그림 Fig. 13. Cooling capacity of the upper and lower cycle with the increase of upper condenser size
그림 Fig. 14. Power consumption of the upper and lower cycle with the increase of upper condenser size
그림 Fig. 15. COP of the upper and lower cycle with the increase of upper condenser size
그림 Fig. 16. Cooling capacity of the upper and lower cycle with the increase of the lower condenser size
그림 Fig. 17. Power consumption of the upper and lower cycle with the increase of the lower condenser size
그림 Fig. 18. COP of the upper and lower cycle with the increase of the lower condenser size

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 종래의 연구는 주로 캐스케이드 냉동 시스템에 대해 열역학적 해석을 수행하였고 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 부품 해석을 통한 시스템 평가는 아직 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 캐스케이드 냉동 사이클 중에서도 공랭식 응축기와 인터쿨러가 직렬로 연결되어 있는 캐스케이드 냉동 사이클의 성능 해석을 수행하였다. 우선 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 요소 부품에 대해 모델링을 수행하고 이들의 크기 및 외기 온도 등이 사이클 성능에 미치는 영향을 평가하였다.

제안 방법

본 연구에서는 냉방 및 냉동 열교환기를 별도로 가지고 있고 하부 사이클에 공랭식 응축기와 인터쿨러가 직렬로 연결되어 있는 캐스케이드 냉동 사이클의 성능 해석을 수행하였다. 우선 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 요소부품에 대해 모델링을 수행하고 이들의 크기 및 외기온도 등이 싸이클 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 캐스케이드 냉동 사이클 중에서도 공랭식 응축기와 인터쿨러가 직렬로 연결되어 있는 캐스케이드 냉동 사이클의 성능 해석을 수행하였다. 우선 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 요소 부품에 대해 모델링을 수행하고 이들의 크기 및 외기 온도 등이 사이클 성능에 미치는 영향을 평가하였다.

대상 데이터

(1) 냉방 능력 8 kW, 냉동 능력 15 kW의 캐스케이드 냉동 사이클의 요소 부품 –상부 응축기, 하부 응축기, 냉방 증발기, 냉동 증발기, 인터쿨러, 압축기, 전자 팽창변 설계를 수행하였다. 구속 조건은 상부 응축 온도 45℃, 하부 응축 온도 45℃, 상부 증발 온도 5℃, 하부 증발온도 –10℃, 과열도 5℃, 과냉도 5℃이다.

이론/모형

여기서는 부하 응답성이 우수한 전자팽창변 (EEV)을 사용하였다. EEV 유량은 식 (11)의 Park et al.[16] 상관식을 사용하여 예측하였다. 여기서 C_d는 보정계수로 6개의 무차원 변수로 구성되어 있다.
Rice[9]는 기공율 상관식을 (1) Homogeneous 상관식, (2) Slip-ratio 상관식 , (3) X_tt 상관식, (4) 질량 유속 상관식으로 분류하였다. 본 연구에서는 Slip-ratio 상관식인 Premoli et al.[10]의 상관식을 적용하였다. 미소 체적 내의 기체의 질량과 액체의 질량은 식 (3), (4)로 나타낼 수 있으며, 냉매 유동 방향에 따라 순차적으로 계산하여 열교환기 내 냉매 봉입량을 구할 수 있다.
관내의 압력 손실은 Friedel[6] 상관식을 사용하여 구하였다. 한편 공기 측 열전달계수는Gray and Webb[7]의 평판 핀 상관식을 사용하여 구하였다.

성능/효과

(2) 외기 온도 변화에 따른 해석 결과 외기 온도가 26℃에서 38℃로 변화하는 동안 냉각 열량은 하부 증발기에서는 거의 일정하고 상부 증발기에서 는 9% 감소, 인터쿨러에서는 63% 증가하였다. 한편 COP는 외기 온도의 증가에 따라 감소하였다.
(3) 상부 응축기의 크기가 당초 설계치의 2배 증가하는 동안 하부 증발기 열량은 일정하였고 상부 증발기의 경우는 4% 증가하였다. 한편 상부 응축기의 크기가 증가함에 따라 상부 사이클의 COP는 증가하는 경향을 보였다.
(4) 하부 응축기 크기가 2.8배 증가하는 동안 상하부 증발기의 열량 변화는 거의 없고 인터쿨러의 열량만이 8% 감소하였다. 하부 사이클의 COP는 응축기의 크기가 증가함에 따라 다소 증가하였으나 상부 사이클의 경우는 그 변화가 미미하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캐스케이드 냉동 사이클이란?	또한, 높은 압축비로 인하여 압축기 소비 동력이 크게 된다. 이러한 이유로 저온용 냉동 시스템으로는 독립된 2개의 사이클을 구성하고 사이클 간에 서로 열교환하여 저온을 얻는 캐스케이드 냉동 사이클을 주로 사용하고 있다. Fig.
	저온용 냉동 시스템에서 다단 증기 압축식 냉동 장치 대신 캐스케이드 냉동 사이클을 주로 이용하는 이유는 무엇인가?	이러한 냉동 시스템에는 여러 대의 압축기를 이용하여 증발 압력에서 응축 압력까지 냉매 압력을 단계적으로 올리는 다단 증기 압축식 냉동 사이클이 주로 사용되어 왔다. 그러나 다단 증기 압축식 냉동 장치는 주로 단일 냉매를 사용하기 때문에 보다 낮은 저온을 얻는데는 한계가 있다. 또한, 높은 압축비로 인하여 압축기 소비 동력이 크게 된다. 이러한 이유로 저온용 냉동 시스템으로는 독립된 2개의 사이클을 구성하고 사이클 간에 서로 열교환하여 저온을 얻는 캐스케이드 냉동 사이클을 주로 사용하고 있다.
	다단 증기 압축식 냉동 장치의 단점은?	이러한 냉동 시스템에는 여러 대의 압축기를 이용하여 증발 압력에서 응축 압력까지 냉매 압력을 단계적으로 올리는 다단 증기 압축식 냉동 사이클이 주로 사용되어 왔다. 그러나 다단 증기 압축식 냉동 장치는 주로 단일 냉매를 사용하기 때문에 보다 낮은 저온을 얻는데는 한계가 있다. 또한, 높은 압축비로 인하여 압축기 소비 동력이 크게 된다.

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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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