[논문]내부열교환기와 TXV를 적용한 자동차용 공조시스템의 성능에 관한 수치적 연구

박차식

doi:10.5762/kais.2021.22.1.31

내부열교환기와 TXV를 적용한 자동차용 공조시스템의 성능에 관한 수치적 연구
Simulation on the performance of an automobile climate control system with Internal heat exchanger and TXV 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.31 - 36

초록
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최근에 지구온난화 문제로 인하여 자동차 공조시스템은 GWP 지수가 높은 R134a 냉매를 대체할 수 있는 대체 냉매를 적용하고 있다. 본 연구에서는 R1234yf 냉매를 사용하여 내부열교환기와 가면용량형 팽창밸브인 TXV를 적용한 자동차 공조시스템의 성능특성을 해석하였다. 상용 소프트웨어인 Amesim을 이용하여 주요 부품인 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기와 내부열교환기를 모델링을 하여 외기온도와 응축기 휜 피치 변화에 따른 냉동사이클 시뮬레이션을 수행하였다. 외기온도가 30℃에서 40℃로 증가함에 따라 시스템의 냉방용량은 3.1% 감소하고, 압축기 소비동력은 17.1% 증가하였다. 또한, 응축기의 휜 피치를 0.8 mm에서 1.4 mm로 증가시키면서, 사이클 성능특성을 해석하였다. 휜 피치가 1.0 mm 클 경우에 응축기의 방열량은 감소하였고, COP는 5.9% 까지 감소하였다. 응축기 휜 피치가 1.0 mm 보다 작은 0.8 mm에서는 시스템 성능에 큰 변화가 없어 휜 피치 1.0 mm에서 최적의 성능을 나타내는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, automobile air conditioning systems have applied an alternative refrigerant that can replace the high GWP refrigerant R134a due to the global warming problem. This study simulated the performance of an automobile climate control system with an internal heat exchanger and TXV. Refrigerant R1234yf was applied as the working fluid. Amesim, a commercial software program, was used to model the main components of the compressor, condenser, TXV, evaporator, and internal heat exchanger. As the outside temperature increased from 30℃ to 40℃, the cooling capacity of the system decreased by 3.1%, and the power consumption of the compressor increased by 17.1%. In addition, The performance characteristics of the refrigeration cycle were simulated by increasing the fin pitch of the condenser from 0.8 mm to 1.4 mm. When the fin pitch was larger than 1.0 mm, the condenser capacity decreased, and the system COP was lowered by 5.9%. When the fin pitch of the condenser was 0.8 mm, which was smaller than 1.0 mm, there was no significant change in the system performance. Hence, the optimal performance was observed at a fin pitch of 1.0 mm.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of automotive refrigeration cycle using Amesim software.
그림 Fig. 2. Condenser shape for modeling.
표 Table 1. Input conditions of compressor
표 Table 2. Input conditions of condenser
그림 Fig. 3. Schematic diagram of condenser model.
그림 Fig. 4. Evaporator shape for modeling.
표 Table 3. Input conditions of TXV
표 Table 4. Input conditions of evaporator
표 Table 5. Operation conditions
그림 Fig. 5. Compressor pressure with the variation of operation conditions.
그림 Fig. 6. Cooling capacity and compressor power with the variation of operation conditions.
그림 Fig. 7. Quality change through tube pass in condenser.
그림 Fig. 8. Condenser capacity with variation of fin pitch.
그림 Fig. 9. Cooling capacity and compressor power with variation of fin pitch.
그림 Fig. 10. COP with variation of fin pitch.

AI 본문요약
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제안 방법

1) 자동차 공조시스템 주요 단품인 압축기, 응축기, 증발기와 가면용량 팽창장치인 TXV와 내부열교환기를 적용하여 실차조건을 반영한 모델링 진행하여 자동차 공조시스템 해석을 수행하였다.
고려하였다. Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 증발기 출구 온도와 압력에 따라 TXV 개도가 열리고 닫히는 조건을 결정하도록 하고, 증발기 출구 압력에 따른 TXV 개도의 변위량 상관식을 이용하여 냉매질량 유량이 결정되도록 하였다. 이러한 상관관계에 대한 입력값은 Table 3에 나타내었다.
자동차용 공조시스템 실차운전 조건에서 냉동사이클을 시뮬레이션하였다. 기본 운전조건은 응축기 휜 피치 1.2 mm, 외기온도 35℃에서 해석을 하였고, 사이클 특성을 분석하기 위하여 응축기 휜 피치 와 외기온도를 변화시키면서 사이클 특성을 분석하였다. 해석을 위한 운전조건은 Table 5에 나타내었다.
냉동사이클을 모델링하기 위하여 프로그램에 내장된 Thermal library, Two phase flow library, Air conditioning library를 호출하여 자동차 공조용 냉동사이클을 구성하였다. Fig.
,e, 이하 TXV)를 적용하고, 응축기는 마이크로 튜브를 적용한 Fin & Tube 열교환기와 증발기는 U-channel plate & fin 열교환기를 적용하여 시스템 모델링을 진행하였다. 또한, 응축기의 휜 피치를 고려한 기하학적 형상 변화에 따른 사이클 특성 시뮬레이션을 수행하여 성능을 분석하였다.
본 연구에서 응축기 해석을 위해 4-pass형으로 각 패스의 튜브수가 12-9-6-4로 배열된 Fin & Tube 열교환기를 고려하였다. Fig.
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 Amesim을 활용하여 자동차 공조시스템을 모델링하여 냉동사이클 시뮬레이션을 다음과 같이 수행하였다.
본 연구에서는 올레핀 계열의 R1234yf 냉매를 적용하여 자동차용 공조시스템 실차운전 조건에서 냉동사이클을 시뮬레이션하였다. 기본 운전조건은 응축기 휜 피치 1.
본 연구에서는 자동차 공조시스템에 R1234yf 냉매를 적용하여 내부열교환기와 감온팽창변(TXV: Thermal Expansion Val.,e, 이하 TXV)를 적용하고, 응축기는 마이크로 튜브를 적용한 Fin & Tube 열교환기와 증발기는 U-channel plate & fin 열교환기를 적용하여 시스템 모델링을 진행하였다. 또한, 응축기의 휜 피치를 고려한 기하학적 형상 변화에 따른 사이클 특성 시뮬레이션을 수행하여 성능을 분석하였다.
본 연구에서는 전기자동차용 냉동사이클 시뮬레이션을 수행하기 위하여 상용 프로그램인 Simcenter Amesim 소프트웨어를 이용하여 실차조건을 반영하였다. 냉동사이클을 모델링하기 위하여 프로그램에 내장된 Thermal library, Two phase flow library, Air conditioning library를 호출하여 자동차 공조용 냉동사이클을 구성하였다.
본 연구에서는 팽창장치는 실차조건과 동일하게 TXV 를 고려하였다. Fig.
과 Hanfner et al.은 이산화탄소를 이용한 급탕 시스템에서 내부열교환기를 적용한 경우 성능의 변화에 대한 연구를 다른 냉매와 비교하여 진행하였다[3, 4]. Cho et al.
1은 Amesim을 이용하여 자동차용 냉동사이클을 구성한 개략도를 나타낸다. 주요 부품으로 압축기, 응축기, TXV, 증발기와 성능향상을 위한 내부열교환기를 구성하였다.
증발기는 U-channel plate and fin 열교환기를 차분하여 순차적으로 계산하였다. Table.

대상 데이터

압축기 모델링에서 압축기 성능 데이터는 압축기 체적유량과 회전수(rpm) 그리고, 압축기 효율을 입력값으로 사용하였다. 압축기 효율은 체적효율과 등엔트로피 효율은 각각 식 (1)과 (2)를 사용하여 적용하였다[8].

이론/모형

4는 증발기의 외곽 형상과 휜과 튜브의 구조를 나타낸다. 냉매의 압력 강하는 증발 과정은 Mac Adams의 상관식을 사용하였다. 대류 열전달은 ^Pr^의 식을 이용하여 공 기측을 고려하였고, 냉매측은 증발과정에서 Shah의 상관 식을 사용하였다[9].
그림에서 나타내는 0부터 12의 위치는 응축기내 유동특성을 고찰하기 위한 지점을 나타낸다. 냉매의 압력강하 계산을 위하여 단상 유동은 Churchill의 상관식을 사용하였고, 이상유동은 Mac Adams의 상관식을 사용하였다. 응축기의 대류열전달 상 관식은 공기측은 ^Pr^으로 고려하 였고, 냉매측은 단상의 경우 Gnielinski, 이상상태의 경우 Shah의 상관식을 사용하였다[9].
냉매의 압력 강하는 증발 과정은 Mac Adams의 상관식을 사용하였다. 대류 열전달은 ^Pr^의 식을 이용하여 공 기측을 고려하였고, 냉매측은 증발과정에서 Shah의 상관 식을 사용하였다[9].
응축기는 냉매측과 공기측의 대류열전달과 관벽의 전도 열전달을 순차적으로 계산하는 차분법을 사용하였다. 응축기는 4-pass형으로 각 패스의 튜브수는 12-9-6-4 로 배열되어 있다.
냉매의 압력강하 계산을 위하여 단상 유동은 Churchill의 상관식을 사용하였고, 이상유동은 Mac Adams의 상관식을 사용하였다. 응축기의 대류열전달 상 관식은 공기측은 ^Pr^으로 고려하 였고, 냉매측은 단상의 경우 Gnielinski, 이상상태의 경우 Shah의 상관식을 사용하였다[9].

성능/효과

2) 외기온도가 30~40℃로 변할 때 냉방능력은 3.1% 감소하였고, 압축기 소비동력은 17.1% 증가하는 것으로 나타났다.
3) 특히, 응축기의 기하학적 형상 조건인 휜 피치 변화에 따른 방열량과 사이클 특성 변화를 분석하여 휜 피치가 1.0 mm일 때 가장 최적의 성능 특성을 나타내었다.
응축기의 휜 피치가 증가하게 되면 응축기의 방열 능력이 떨어지게 되고, 냉동사이클의 고단 측 압력이 증가하게 되어 압축기의 소비동력은 증가하고 시스템을 흐르는 질량유량이 감소하여 증발기에서 냉방용량은 감소하게 된다. 따라서, Fig. 10에서 나타낸 바와 같이 응축기의 휜 피치가 증가할수록 시스템 COP 가 최대 5.9% 까지 감소하는 것으로 나타났다. 응축기의 휜 피치가 1.
5는 외기온도 변화에 따른 압축기 입구와 출구 측의 압력변화를 나타낸다. 외기온도가 30℃에서 40℃로 증가할수록 저단측 압력은 5.2%로 미세하게 상승하였으나, 고단측 압력은 24.4%로 크게 상승하여 사이클의 저단과 고단측 압력차가 증가하게 되어 전체적으로 압축비는 상승하였다.
6은 외기온도 변화에 따른 냉방능력과 압축기 소비동력을 나타낸다. 외기온도가 30℃에서 40℃로 증가함에 따라 냉방능력은 3.1% 감소하였고, 압축기 입출구의압력차가 커지면서 냉매를 압축하기 위한 압축기 소비동력은 17.1% 증가하였다.
8은 응축기 휜 피치 변화에 따른 응축기의 방열량을 나타낸다. 응축기의 휜 피치를 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 mm로 변화시키면서 해석한 결과 휜 피치가 1.0 mm 보다 작아질 때 응축기에서 방열량의 증대 효과는 거의 없는 것으로 나타났다. 휜 피치가 작아질수록 공기와 접하는 접촉면적이 증가함으로 열전달량은 증가하게 된다.

참고문헌 (9)

Global Environmental Change Report, "A Brief Analysis of the Kyoto Protocol", Vol.4, No.24, Dec. 1997.
M. Koban, "HFO-1234yf low GWP refrigerant LCCP analysis", Proceedings of SAE world congress, Detroit, USA, 2009
H. Hermann, R. Rene, "CO2 as Refrigerant-Possible Applications", 4th IIR-Gustav Lorentzen Conference, pp.43-50. 2000.
A. Hanfner, "Experimental Study on Heat Pump Operation of Protype CO2 Mobile Air Conditioning System", 4th IIR-Gustav Lorentzen Conference, pp.177-184. 2000.
H. Cho, C. Ryu, Y. Kim, "Experiment -al Study on the Cooling Performance of a CO2 Cycle with Internal Heat Exchanger", Proceedings of the SAREK '2004 Winter Annual Conference, pp.554-559, 2004.
H. Cho, H. Lee, C. Park, "Study on the performance improvement for an automobile air conditioning system using alternative refrigerant R1234yf", Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol.25, No.4, pp.201-207, 2013. DOI: https://doi.org/10.6110/KJACR.2013.25.4.201

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G. Pottker, P. Hrnkak, "Effect of the condenser subcooling on the performance of vapor compression systems", International Journal of Refrigeration, Vol.50, pp.156-164, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.11.003

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A. Mackensen, S. Klein, D. Reindl, "Characterization of refrigerant system compressor performacne", International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue, 2002.
J. Dong, J. Chen, Z. Chen, W. Zhang, Y. Zhou, "Heat transfer and pressure drop correlations for the multi-louvered fin compact heat exchangers", Energy Conversion and Management, Vol.48, pp.15066-1515, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2006.11.023

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저자의 다른 논문 :

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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