[논문]김치냉장고를 중심으로한 소형 멀티 냉동시스템의 성능특성 변화에 관한 연구

이무연; 최석재; 김상욱; 이원근

문제 정의

본 연구에서는 냉동 사이클 효율 향상 및 단 열 효율을 향상시키는 관점에서 해석을 진행하고 자 한다. 따라서 본 연구에서는 1 개의 압축기, 3(혹은 2)개의 증발기, 응축기, 그리고 팽창 장치 로 구성된 소형 멀티 시스템의 최적의 냉동 사이 클을 구축하기 위하여 냉매량 및 모세관의 길이를 변경하여 실험을 수행하였고, 압축기는 시스템의 냉각속도 및 안정화 까지 도달되는 시간을 고려하여 본 시스템에 맞는 최적의 압축기를 선정하였다. 또한, 김치냉장고의 단열 열부하는 열전달 및 에너지 방정식을 이용하여 이론적으로 계산하였고, 실험을 통해 본 모델의 신뢰성을 검증하였다.
본 모델은 고내의 온도장을 풀기 위해 김치냉장 고 고내와 단열재를 포함한 제어 체적을 설정하고 제어 체적내의 열의 입출입에 관한 상관식을 유도 하였다. 먼저, 에너지 방정식을 이용하여 온도에 관한 2차 상미분 방정식 (2nd Order Homogeneous Differential equation)을 유도하였고 이것을 이용하여 고내와 외기의 열전달계수를 계산하였다(2).
(1). 본 연구에서는 냉동 사이클 효율 향상 및 단 열 효율을 향상시키는 관점에서 해석을 진행하고 자 한다. 따라서 본 연구에서는 1 개의 압축기, 3(혹은 2)개의 증발기, 응축기, 그리고 팽창 장치 로 구성된 소형 멀티 시스템의 최적의 냉동 사이 클을 구축하기 위하여 냉매량 및 모세관의 길이를 변경하여 실험을 수행하였고, 압축기는 시스템의 냉각속도 및 안정화 까지 도달되는 시간을 고려하여 본 시스템에 맞는 최적의 압축기를 선정하였다.
또한, 김치냉장고의 단열 열부하는 열전달 및 에너지 방정식을 이용하여 이론적으로 계산하였고, 실험을 통해 본 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통하여 앞으로의 시장환경에서 기존의 김치냉 장고 보다 단열 성능 및 냉동 성능이 우수한 김치 냉장고 개발에 필요한 기초적인 자료를 제공하고 자 한다.

가설 설정

공기측 열전달 계수는 수직평판으로 가정하고 자 연대류 열전달 계수를 고려하여 계산하였고 식(5) 에 나타내었다. C=0.58, m=0.2 로 가정하였다.
공기측 열전달 계수는 수직평판으로 가정하고 자 연대류 열전달 계수를 고려하여 계산하였고 식(5) 에 나타내었다. C=0.

제안 방법

2. 단열 성능 예측 프로그램을 개발하여 용량대 별 단열 성능을 비교하였으며 단열 성능이 취약한 부분을 찾아 내어 보강하였다.
본 연구를 통해 모든 김치 냉장고의 단열 성능을 예측하여 설계시 적용할 수 있는 시뮬레이션 도구를 제 공하였고, 단열 성능이 취약한 부분들에 대한 보 강이 가능하게 되었다. 각 제어체적마다 개별적인 열전달량을 계산하고 전체 시스템의 열전달량을 계산함으로써 단열 성능이 취약한 부분을 예측하였다. Table 6 에 외기온도 변화에 따른 A, B Type 의 열전달량 변화를 나타내었다.
03 염수를 80% 채워 놓고 고내 온도 변화를 측정하였다. 고내 온도가 설정 온도 인 0 C 에 도달하면 시스템 가동을 정지시키고 24h 동안 염수의 온도 변화를 측정하였다. Tables 1-3에 시스템 스펙, 실험 조건 그리고 염수 조건을 나타내었다.
냉동 능력 및 량 측정은 KS 실험규격에 의거하여 진행하였다. 김치냉장고 실험시 표준 조 건인 25 C, 70% 에 챔버조건을 맞추고 냉동 시 템 각부의 온도및 고내 온도 변화를 측정하였다. 측정은 YOKOGAWA DR 240 DATA LOGGER 에서 수집되 었고, 실시간으로 PC 에서 20 초 간격으로 저장되었다.
김치냉장고의 성능특성을 파악하기 위하여 냉매 량과 모세관 길이를 변경하면서 실험을 수행하고, 단열 성능 계산을 위해 25 ±1 C, 70 ±5% 챔버 조건에서 김치냉장고를 가동하여 고내의 온도가 0 C 될 때까지 가동하였다. 그리고 24h 동안 고 내의 온도변화를 측정하여 열전달량을 계산함으로 서 단열 부하를 예측할 수 있었다.
A Type 은 내용적이 200 [L] 이하 2 룸(1Comp-2Evap) 모델이 고 , B Type 은 내용적 이 200 [L] 이상 3 룸(1Comp3Evap) 모델이다. 단열 부하 계산을 위해 8 부분 의 제어체적을 설정하여 각 제어체적 마다 단열열전달량식을 이론적으로 유도하였다. 외기온도 변화에 따른 고내의 온도 변화를 보기 위한 이론 식과 열전달계수 계산을 위한 이론식을 에너지 보 존 방정식으로부터 유도하였다.
엄밀히 말하면, 김치냉장고 내부 와 외부의 전열면적이 다르기 때문에 기준을 어디 로 하느냐에 따라 열전달량이 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열전달 계수에 내외 면적비를 곱하여 열전달량을 계산했다. 열전달량 계산은 식 (6)에 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 1 개의 압축기, 3(혹은 2)개의 증발기, 응축기, 그리고 팽창 장치 로 구성된 소형 멀티 시스템의 최적의 냉동 사이 클을 구축하기 위하여 냉매량 및 모세관의 길이를 변경하여 실험을 수행하였고, 압축기는 시스템의 냉각속도 및 안정화 까지 도달되는 시간을 고려하여 본 시스템에 맞는 최적의 압축기를 선정하였다. 또한, 김치냉장고의 단열 열부하는 열전달 및 에너지 방정식을 이용하여 이론적으로 계산하였고, 실험을 통해 본 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통하여 앞으로의 시장환경에서 기존의 김치냉 장고 보다 단열 성능 및 냉동 성능이 우수한 김치 냉장고 개발에 필요한 기초적인 자료를 제공하고 자 한다.
본 모델은 고내의 온도장을 풀기 위해 김치냉장 고 고내와 단열재를 포함한 제어 체적을 설정하고 제어 체적내의 열의 입출입에 관한 상관식을 유도 하였다. 먼저, 에너지 방정식을 이용하여 온도에 관한 2차 상미분 방정식 (2nd Order Homogeneous Differential equation)을 유도하였고 이것을 이용하여 고내와 외기의 열전달계수를 계산하였다(2). 김치냉장고 내부 벽면의 온도는 식(1厂(3)으로부터 유도되었고, 도어 및 바닥면의 온도는 식(3)을 변형하여 적용하였다.
본 연구에서는 소형 멀티 냉동 시스템의 성능 계산에 관한 정형화된 수치적 계산 방법이 없어 실험을 통해 모세관 길이와 냉매량을 선정하였고, Table 5에 냉매량과 모세관 길이 변 경에 따른 냉동 성능 및 월간 소비전력의 변화를 나타내었다. 모세관 내경 0.74mm 로 고정하고 모 세관 길이를 3000-35001硕로, 냉 매량 95~100g 으로 변경하면서 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 룸 1.
본 실험에서 사용한 A Type 김치냉장고 냉동사 이클의 최적화를 위하여 냉매량과 모세관 길이를 변경하면서 실험을 진행하였다. 모세관 길이와 냉 매량은 시스템의 성능과 밀접한 관련이 있으며, 둘중 어느 하나가 비정상적으로 설계되면 소음, 냉동 성능 저하, 그리고 과다한 월간 소비전력 발 생의 원인이 된다.
본 연구에서는 냉매량과 모세관 길이를 변화시 켜 최적의 냉동시스템을 구성하였으며, 김치냉장 고의 단열 성능을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시작품으로 제작한 모델을 도어부, 고내부, 바 디부로 나누어 각각을 제어체적으로 설정하고, 각 제어체적마다 발포액, 사출물, 외기온도, 내기온 도등을 고려한 열전달 상관식을 유도하였다.
냉동 성능과 월간 소비전력은 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에 의거하여 실험을 수행하였다. 실험시 실부하 조건을 맞쳐 주기 위해 룸 1,2 고 내 용기의 비중 1.03 염수를 80% 채워 놓고 고내 온도 변화를 측정하였다. 고내 온도가 설정 온도 인 0 C 에 도달하면 시스템 가동을 정지시키고 24h 동안 염수의 온도 변화를 측정하였다.
외기와 고내 사이의 바디금속, 발포액, 도어 및 고내의 사출물에 대한 열전도와 고내 및 외기 대 류 열전도계수를 고려하였다. 열전달량 계산시 외 기 온도, 고내 온도, 기계실 온도를 고려하여 계 산을 수행하였다.
열전달량 계산을 위해 고내의 룸 1, 2, 3 을 제어 체적으로 설정하고 고내와 외기 사이의 모든 열저항 요소들을 등가 열저항으로 고려하였다(4). 외기와 고내 사이의 바디금속, 발포액, 도어 및 고내의 사출물에 대한 열전도와 고내 및 외기 대 류 열전도계수를 고려하였다.
열전달량 계산을 위해 고내의 룸 1, 2, 3 을 제어 체적으로 설정하고 고내와 외기 사이의 모든 열저항 요소들을 등가 열저항으로 고려하였다(4). 외기와 고내 사이의 바디금속, 발포액, 도어 및 고내의 사출물에 대한 열전도와 고내 및 외기 대 류 열전도계수를 고려하였다. 열전달량 계산시 외 기 온도, 고내 온도, 기계실 온도를 고려하여 계 산을 수행하였다.

대상 데이터

외기온도 변화에 따른 김치냉장고의 단열 성능 및 국부적인 열전달량을 계산하기 위하여 시작품 으로 A, B Type 두 모델을 제작하였다. A Type 은 내용적이 200 [L] 이하 2 룸(1Comp-2Evap) 모델이 고 , B Type 은 내용적 이 200 [L] 이상 3 룸(1Comp3Evap) 모델이다. 단열 부하 계산을 위해 8 부분 의 제어체적을 설정하여 각 제어체적 마다 단열열전달량식을 이론적으로 유도하였다.
고내부는 내용물의 효율적인 보관과 외기의 침입을막기 위해 단열재로 구성되어져 있다. 단열재는 발포제의 종류, 발포 두께 그리고 발포 밀도에 따라 단열 성능이 다른데, 본 연구에서 사용한 단열재는 사 용 목적 및 용도에 따라 다양하게 가공이 가능한 경질 우레탄 폼을 사용하였다. 경질 우레탄 폼은 실용적인 단열재 중에서 열전달율이 낮아 다양한 제품에 사용되고 있다.
2 모세관 길이 3500/3500mm, 냉매량 95g 일때 냉동 성능 및 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었다. 따라서 실험에서 사용한 냉동 시스템의 최적 설계점은 냉동 성능이 우수하면서 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 냉매량 95g, 모세관 길이 3500/3500mm 로 정하였다. 최적의 냉 동시스템을 구성함으로써 냉동 성능이 증가하였고 10% 이상의 소비 전력이 감소하였다.
모세관 길이와 냉 매량은 시스템의 성능과 밀접한 관련이 있으며, 둘중 어느 하나가 비정상적으로 설계되면 소음, 냉동 성능 저하, 그리고 과다한 월간 소비전력 발 생의 원인이 된다. 본 연구에서는 소형 멀티 냉동 시스템의 성능 계산에 관한 정형화된 수치적 계산 방법이 없어 실험을 통해 모세관 길이와 냉매량을 선정하였고, Table 5에 냉매량과 모세관 길이 변 경에 따른 냉동 성능 및 월간 소비전력의 변화를 나타내었다. 모세관 내경 0.
측정은 YOKOGAWA DR 240 DATA LOGGER 에서 수집되 었고, 실시간으로 PC 에서 20 초 간격으로 저장되었다. 온도는 T Type 열전대를 이용하여 측정하였다. 냉동 성능과 월간 소비전력은 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에 의거하여 실험을 수행하였다.
외기온도 변화에 따른 김치냉장고의 단열 성능 및 국부적인 열전달량을 계산하기 위하여 시작품 으로 A, B Type 두 모델을 제작하였다. A Type 은 내용적이 200 [L] 이하 2 룸(1Comp-2Evap) 모델이 고 , B Type 은 내용적 이 200 [L] 이상 3 룸(1Comp3Evap) 모델이다.
모세관을 통과하면서 감압된 냉매는 룸 외벽을 감고 있는 동관으로 이루어진 증발기를 거치면서 증발이 이루어진 후 다시 압축기로 유입 되는 소형 멀티 냉동 사이클 형성하면서 작동한다. 응축기는 소형 냉장고, 쇼케이스 등에 많이 사용되고 있는 와이어 핀관을 사용한 밀집형 열교환기 를 사용하였다.
5%, B Type 는 45% 정도이다. 전면부로 열전달량을 저감시키기 위하여 진공 단열재를 사용하여 실험을 진행하였다. 진공단열재를 사용한 결과 15"25% 의 열전달량을 저감시켰다.
김치냉장고 실험시 표준 조 건인 25 C, 70% 에 챔버조건을 맞추고 냉동 시 템 각부의 온도및 고내 온도 변화를 측정하였다. 측정은 YOKOGAWA DR 240 DATA LOGGER 에서 수집되 었고, 실시간으로 PC 에서 20 초 간격으로 저장되었다. 온도는 T Type 열전대를 이용하여 측정하였다.

이론/모형

시작품으로 제작한 A Type 김치냉장고를 챔버 환경 25 ±1 ℃, 70 ±5% 조건에서 48h 동안 실험 하였다. 냉동 능력 및 량 측정은 KS 실험규격에 의거하여 진행하였다. 김치냉장고 실험시 표준 조 건인 25 C, 70% 에 챔버조건을 맞추고 냉동 시 템 각부의 온도및 고내 온도 변화를 측정하였다.
온도는 T Type 열전대를 이용하여 측정하였다. 냉동 성능과 월간 소비전력은 KS C 9321과 KS C 9321 부속서에 의거하여 실험을 수행하였다. 실험시 실부하 조건을 맞쳐 주기 위해 룸 1,2 고 내 용기의 비중 1.
외기온도 변화에 따른 고내의 온도 변화를 보기 위한 이론 식과 열전달계수 계산을 위한 이론식을 에너지 보 존 방정식으로부터 유도하였다. 열전달량은 외측 및 내측의 전열면적을 고려하여 계산하였고, 계산 에 사용된 공기측및 냉매측 물성은 EESREFP6 을 사용하였다. Fig.
단열 부하 계산을 위해 8 부분 의 제어체적을 설정하여 각 제어체적 마다 단열열전달량식을 이론적으로 유도하였다. 외기온도 변화에 따른 고내의 온도 변화를 보기 위한 이론 식과 열전달계수 계산을 위한 이론식을 에너지 보 존 방정식으로부터 유도하였다. 열전달량은 외측 및 내측의 전열면적을 고려하여 계산하였고, 계산 에 사용된 공기측및 냉매측 물성은 EESREFP6 을 사용하였다.

성능/효과

1. 본 시스템의 최적 냉매량은 95g, 모세관 길 이는 3500/3500mm이고, 냉동사이클의 최적화 를 통해 시스템의 소비 전력을 10% 이상 저 감시켰다.
3. 외기온도 25, 32, 40 ℃ 증가에 따라 A & B Type 모두 소비 전력이 증가하였고, B Type 인 경우 룸3측 열전달량이 전체의 35% 정도 발생하는 것으로 나왔다. 또, 룸3와 기계실 사이의 열전달량은 외기온도 변화에 큰 영향을 받지 않았다.
24 시간동안 고내 온도는 룸 1, 2 모두 7 ℃ 상승하였다. 고내 온도 변화를 가지고 계산한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였고, 최적의 냉동 사이클 및 단열 성능이 취약한 부분을 찾아내었다. Table 4에 A Type 에 대한 실험 및 시뮬레이션 결과를 나타내었고, 시 뮬레이션 결과는 실험결과와 비교하여 4-7% 의 오차를 가지는 것으로 확인되었다.
진공단열재를 사용한 결과 15"25% 의 열전달량을 저감시켰다. 또한 기계실내의 열이 증발기 출구 및 배관을 통해 고내로 역류해 들어가 시스템의 성능을 저하시키는 양과 파이프를 통한 열전달량 도 전체의 7-13.5% 되는 것으로 나왔다. B Type 은 도어측 및 룸 3 전면부의 열전달이 외기 온도가 올라감에 따라 크게 증가하는데, 그 이유는 각 도어와 바디가 접하는 부분의 고무 가스켓을 통한 열전달량과 발포액이 불균일하게 발포되었기 때문이다.
74mm 로 고정하고 모 세관 길이를 3000-35001硕로, 냉 매량 95~100g 으로 변경하면서 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 룸 1.2 모세관 길이 3500/3500mm, 냉매량 95g 일때 냉동 성능 및 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 것으로 확인되었다. 따라서 실험에서 사용한 냉동 시스템의 최적 설계점은 냉동 성능이 우수하면서 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 냉매량 95g, 모세관 길이 3500/3500mm 로 정하였다.
단열 성능은 김치냉장고의 성능, 식품의 신선 보관과 관련하여 매우 중요한 요소이다. 본 연구를 통해 모든 김치 냉장고의 단열 성능을 예측하여 설계시 적용할 수 있는 시뮬레이션 도구를 제 공하였고, 단열 성능이 취약한 부분들에 대한 보 강이 가능하게 되었다. 각 제어체적마다 개별적인 열전달량을 계산하고 전체 시스템의 열전달량을 계산함으로써 단열 성능이 취약한 부분을 예측하였다.
따라서 실험에서 사용한 냉동 시스템의 최적 설계점은 냉동 성능이 우수하면서 월간 소비전력이 가장 적게 나오는 냉매량 95g, 모세관 길이 3500/3500mm 로 정하였다. 최적의 냉 동시스템을 구성함으로써 냉동 성능이 증가하였고 10% 이상의 소비 전력이 감소하였다.

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