[논문]자연냉매 CO2를 이용한 고효율 LNG 냉동 트럭의 개발

정세진; 곽헌섭; 민호기

doi:10.7842/kigas.2020.24.6.77

자연냉매 CO2를 이용한 고효율 LNG 냉동 트럭의 개발
Development of a High Efficient LNG Refrigerated Truck using Natural Refrigerant CO2 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.6, 2020년, pp.77 - 82

정세진 ((주)삼진야드 기업부설연구소) , 곽헌섭 ((주)삼진야드 기업부설연구소) , 민호기 ((주)삼진야드 기업부설연구소)

초록
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본 논문에서는 자연냉매로 주목받고 있는 이산화탄소(CO2) 를 이용하여 냉동탑차용 고효율 냉동시스템을 개발하였다. 기존의 디젤 차량을 LNG 차량으로 개조하여, 화물차의 배출가스를 개선하고, LNG 연료의 기화 잠열을 활용하여 CO2 냉동시스템의 효율을 높인 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다. 그 결과 가스 쿨러에 LNG연료의 기화 잠열을 활용하여 냉동탑차의 COP를 144%로 향상 시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we developed a cooling system for the refrigeration truck using natural carbon dioxide refrigerant which is attracting attention as an environmentally-friendly refrigerant. We developed a high efficient environmentally-friendly refrigerated truck that converted the existing diesel vehicle into an LNG vehicle to improve emissions of truck and improved the efficiency of the cooling system by utilizing a heat of LNG vaporization. The COP of refrigerated truck system was increased 144%.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Comparison of CO₂ refrigerant and freon refrigerant(R-134a) cycle.
그림 Fig. 2. Unit cooler drawing(1stdesign, 2nddesign).
그림 Fig. 3. Gas cooler drawing and installation photo.
표 Table 1. Specification of unit cooler.
그림 Fig. 4. The layout of refrigerated truck system.
그림 Fig. 5. Photo. of cooling room.
그림 Fig. 6. ClimaCheck Flowchart.
그림 Fig. 7. Air, LNG when LNG cold heat is not used or used and refrigerant flow chart.
그림 Fig. 8. P-h diagram when LNG vaporization cold heat is not used or used in gas cool-er( based on internal temperature -10.0℃).
표 Table 2. Changes in COP of CO₂ refrigeration when LNG vaporization cold heat is not used or used in gas cooler(based on internal temperature -10.0)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 냉동탑차에 자연냉매인 이산화탄소(CO2)를 적용하기 위하여 11MPa의 CO2 용 고압 냉매 열교환기를 개발하였으며, CO2 냉동 시스템용 압축기, 팽창밸브도 CO2냉매용으로 대체하였다. 또한 LNG 연료의 기화 냉열을 CO2 냉동시스템의 응축기 냉각을 위하여 활용함으로써 보다 효율적이고, 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다.
설치하였다. 이 가스 쿨러에서 초저온 액체 LNG와 고온고압의 냉매 CO2 가스가 열 교환함으로써 냉매의 응축압력 및 온도를 낮추어 효율 및 냉동기의 성능을 향상시키고자 하였다. Gas Cooler 의 열평형 및 효율은 식(1)~(5)식으로 계산할 수 있다.

제안 방법

(3) LNG 연료를 사용한 냉동차에 자연냉매(CO2) 냉동시스템을 적용하여 고압운전부(11MPa)에서 적용 가능한 가스쿨러 및 초경량화시킨 유니트쿨러를 개발함으로써, 기존 냉동차에 적용되었던 프레온계 냉매를 대체시켰으며, LNG 기화냉열을 가스쿨러의 냉각에 활용함으로써 친환경적이며 고효율의 냉동 트럭을 개발하였다.
와 같이 1, 2차에 걸쳐 설계, 제작하여 성능 평가를 실시하였다. 1차의 설계, 제작과정에서 COP 및 제품 중량에 문제가 있어 이를 보완하기 위해 설계압력 및 설계온도에 적합한 열교환기 코일의 재질, 송풍기 및 흡입방향 등의 구조를 재설계하여유니트쿨러의 성능 향상 및 경량화에 부합하도록 하였다.
CO2냉매용 열교환기 부속 및 기기(UnitCooler)를 Fig. 2.와 같이 1, 2차에 걸쳐 설계, 제작하여 성능 평가를 실시하였다. 1차의 설계, 제작과정에서 COP 및 제품 중량에 문제가 있어 이를 보완하기 위해 설계압력 및 설계온도에 적합한 열교환기 코일의 재질, 송풍기 및 흡입방향 등의 구조를 재설계하여유니트쿨러의 성능 향상 및 경량화에 부합하도록 하였다.
ClimaCheck 측정값을 사용하여 Fig. 8과 같이 p-h 선도를 작도하였으며, 이를 이용하여 가스쿨러에 LNG 기화냉열 미활용시와 활용시의 냉동시스템의 COP(냉동효과/압축일량)를 계산하여 비교하였다.
LNG 연료의 기화 냉열(-162℃)을 CO2 냉동시스템의 응축기 냉각에 이용하기 위하여 LNG 연료 탱크와 CO2 냉동시스템의 응축기를 일체화한 Gas Cooler를 설치하였다. 이 가스 쿨러에서 초저온 액체 LNG와 고온고압의 냉매 CO2 가스가 열 교환함으로써 냉매의 응축압력 및 온도를 낮추어 효율 및 냉동기의 성능을 향상시키고자 하였다.
가스쿨러는 고압에 견딜 수 있어야 하고, 냉매의 온도변화가 크므로 대향류 형태가 바람직하며, 임계점 부근에서의 냉매 물성치 변화를 고려하여 설계하였다.
냉동탑차의 LNG 기화 냉열을 활용한 냉동시스템과 미활용한 냉동시스템에 대한 냉동기 성능계수(COP)를 각각 측정하여 비교 검토하였다. 본 실험에서 외기온도가 31℃일 때 냉동실내 온도는 -10 ℃로 하였다.
따라서 냉각 코일은 가스 쿨러의 콘덴서 코일에 유입되는 고온, 고압의 CO2 가스와 열교환하는 외기온도를 낮추어 줌으로써 CO2의 응축온도가 동시에 낮아져 냉동시스템의 효율이 상승하는 역할을 하도록 하였다.
대체하였다. 또한 LNG 연료의 기화 냉열을 CO2 냉동시스템의 응축기 냉각을 위하여 활용함으로써 보다 효율적이고, 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다. 실제 냉동차를 이용하여 냉동탑차의 LNG 기화 냉열을 활용한 냉동시스템과 미활용한 냉동시스템에 대한냉동기 효율(COP)을 각각 측정하여 비교 검토함으로써 LNG 트럭용 고효율 CO2 냉동시스템을 개발하였다.
본 연구를 위해 자연냉매(CO2)가 적용된 냉동사이클을 개발하고, 개발된 부속기기(가스쿨러, 유니트쿨러)를 적용하여 냉동탑차에 설치, 운전하여 실제 COP를 측정하였다. 냉동시스템의 COP를 측정하고 검증하기 위해 상용 소프트웨어인 Clima Check Program을 사용하였다.
또한 LNG 연료의 기화 냉열을 CO2 냉동시스템의 응축기 냉각을 위하여 활용함으로써 보다 효율적이고, 친환경적인 냉동탑차를 개발하였다. 실제 냉동차를 이용하여 냉동탑차의 LNG 기화 냉열을 활용한 냉동시스템과 미활용한 냉동시스템에 대한냉동기 효율(COP)을 각각 측정하여 비교 검토함으로써 LNG 트럭용 고효율 CO2 냉동시스템을 개발하였다.
실험은 Fig. 6과 같이 유니트쿨러, 가스쿨러, 압축기 및 배관 등에 써모 커플 온도센서(c.c)를 부착하여 ClimaCheck program(스웨덴, version 5.0, 냉동기 성능 분석기)으로 냉동 고내 온도, 외기온도, 압축기 입출구 온도, 응축기 입출구 온도, 가스쿨러 입출구 온도 및 모터의 소요동력 등의 실험 데이터를 획득하여, 냉동시스템의 COP 분석에 사용하였다.

이론/모형

COP를 측정하였다. 냉동시스템의 COP를 측정하고 검증하기 위해 상용 소프트웨어인 Clima Check Program을 사용하였다. CO2 냉매를 사용한 5톤 냉동탑차의 시스템 개략도 및 냉동실내 사진을 Fig.

성능/효과

(1) 가스쿨러 측에 LNG 기화냉열 활용 기술을 적용함으로써 주로 상온의 온도에서 임계점 이상에서 응축되는 CO2 냉매의 특성을 임계점 이하에서도 응축 가능하게 하여 냉동시스템의 성능계수 (COP)를 극대화 시켰다.
(2) 외기온도 31℃, 냉동 고내 온도를 -10℃의 실험조건에서 LNG 냉열을 활용했을 때의 냉동시스템 COP는 미활용시 보다 144%로 향상되었다.
일어났다. 즉, LNG 기화 냉열이 응축과 정에서 냉각 열원으로 작용하여 응축온도를 낮추어 주는 역할을 한다는 것을 알 수 있으며, 따라서 냉동시스템의 성능계수(COP)도 144%로 향상되었다.

참고문헌 (5)

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