The purpose of this study is to investigate the performance of an autocascade refrigeration system using the refrigerant mixtures of R-134a(64${\sim}$72wt%), R-23(20${\sim}$25wt%) and R-14(8${\sim}$12wt%) as working fluids by experiment. The experimental apparatus co...
The purpose of this study is to investigate the performance of an autocascade refrigeration system using the refrigerant mixtures of R-134a(64${\sim}$72wt%), R-23(20${\sim}$25wt%) and R-14(8${\sim}$12wt%) as working fluids by experiment. The experimental apparatus consisted of a autocascade system with a compressor, condenser, evaporator, gas-liquid separator and cascade condenser, etc. Two main causes to this failure were considered as follows. First, the pressure ratio in the compressor was extremely increased at the beginning of the experiment. Second, the outlet temperature in compressor was higher than its limited temperature. For a stable operation of the compressor, a portion of the mixed refrigerant was by-passed at the inlet of the heat exchanger and transferred directly to the suction of the compressor in the modified system. The experimental parameters were changed weight of R-134a(1800g, 2800g), R-23(700, 800, 900g) and R-14(300, 400, 500g). The results showed that the best performance in case of R-134a of 2800g, R-23 of 900g and R-14 of 500g.
The purpose of this study is to investigate the performance of an autocascade refrigeration system using the refrigerant mixtures of R-134a(64${\sim}$72wt%), R-23(20${\sim}$25wt%) and R-14(8${\sim}$12wt%) as working fluids by experiment. The experimental apparatus consisted of a autocascade system with a compressor, condenser, evaporator, gas-liquid separator and cascade condenser, etc. Two main causes to this failure were considered as follows. First, the pressure ratio in the compressor was extremely increased at the beginning of the experiment. Second, the outlet temperature in compressor was higher than its limited temperature. For a stable operation of the compressor, a portion of the mixed refrigerant was by-passed at the inlet of the heat exchanger and transferred directly to the suction of the compressor in the modified system. The experimental parameters were changed weight of R-134a(1800g, 2800g), R-23(700, 800, 900g) and R-14(300, 400, 500g). The results showed that the best performance in case of R-134a of 2800g, R-23 of 900g and R-14 of 500g.
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제안 방법
Table 2는 각 냉매의 충전량 및 전체 충전량 대비 비율을 나타낸 것으로 최초 냉매를 최소단위로 충전 후 일정량을 늘려가며 실험하도록 하고, 냉매 충전량 변화에 따라 증발기 입구의 온도 변화 및 목표온도 도달 시간을 측정하였다. 그러나 혼합냉매는 일단 충전하여 혼합되면 특정의 냉매를 다시 줄일 수는 없기 때문에 다른 조성비의 실험을 하기 위해서는 혼합냉매를 모두 빼고 재충전해야 하는 불편함이 있다.
또한 압축기 구동에 필요한 전력을 측정하는 전력계 및 시스템의 수분을 제거하기 위한 드라이어(Dryer), 불순물을 제거하기 위한 스트레이너(Strainer)를 설치하였고, 냉매를 정확히 충전하기 위하여 정밀 냉매 충전기를 사용하였다. 그리고 과도한 압력상승으로부터 시스템을 보호하기 위하여 안전밸브(Relief Valve)를 압축기 출구에 설치하였다.
냉각수 입·출구에 열전대와 유량계(2~20ℓ/min)를 설치하여 냉각수 온도 및 유량을 측정하여 응축열량을 계산할 수 있도록 하였으며, 냉각수의 온도는 항온조에서 일정온도로 공급할 수 있도록 하였다.
응축기는 2중관 형식의 대향류 열교환기를 사용하였고 증발기는 판형형식의 대향류 열교환기를 사용하였다. 또한 압축기 구동에 필요한 전력을 측정하는 전력계 및 시스템의 수분을 제거하기 위한 드라이어(Dryer), 불순물을 제거하기 위한 스트레이너(Strainer)를 설치하였고, 냉매를 정확히 충전하기 위하여 정밀 냉매 충전기를 사용하였다. 그리고 과도한 압력상승으로부터 시스템을 보호하기 위하여 안전밸브(Relief Valve)를 압축기 출구에 설치하였다.
본 실험의 대상냉매 R134a, R23, R14를 이용하여 최단시간에 목표 온도인 -100℃까지 도달하는 시스템 대비 최적 충전량을 실험으로 파악하고자 R134a : 1800g~2800g, R23 : 700g~900g, R14 : 300g~500g 으로 일정량을 변화하여 실험하였고, 냉각수의 온도 및 유량 역시 일정하게 유지되도록 하였다.
브라인 펌프는 운전시간 60min 이후 증발온도를 확인하고 수동으로 운전하도록 하였으며 입구 및 출구에 설치된 밸브를 이용하여 브라인 유량을 조절하였다.
시스템 각 부분의 압력과 온도를 측정하기위해 고 · 저압 압력계와 T-type 열전대를 설치하였으며, 측정된 온도는 다채널 온도기록장치(DA100, 30CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
실험은 저압의 냉매를 먼저 충전하고 고압의 냉매를 충전하였으며 시스템 안정화를 고려해 일정시간(약 10min) 후에 시스템을 운전하였다.
대상 데이터
장치는 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 팽창밸브(Expansion Valve), 증발기(Evaporator), 열 교환기(Heat Exchanger)로 구성되고, 2상상태의 냉매를 기상과 액상으로 분리하기 위한 기액분리기(Gas-Liquid Separator)를 사용하였다.
성능/효과
1) 비공비 혼합냉매를 이용한 다단 응축, 증발 극저온 냉동 시스템의 원리 및 구성에 관한 개념을 확립하였다.
2) 본 연구의 실험범위 중에서 냉매 충전량이 가장 많은 실험 No.5의 증발온도가 107℃로 가장 낮게 나타났으며, 실험 No.1이 압축기의 온도상승으로 인하여 시스템이 가장 불안정하게 운전되었다.
3) 본 연구에서 실험한 오토캐스케이드 냉동 사이클은 압축기 한대로 운전하여 경제성과 장비의 소형화를 만족시킬 수는 있으나, 높은 성능을 요구하는 시스템에서는 증발기가 용량이 커짐에 따라 시스템의 용량 역시 커져야 할 것으로 판단 된다.
4) 비공비 혼합냉매의 조성 시 저온용 냉매는 시스템이 안정화 될 때까지 기체상태로 남아 시스템의 압력을 상승시켜 불안정하게 운전이 되는 요인이 되므로 적절한 양의 혼합이 필요하다.
No.1과 No.5의 전체적인 결과를 비교해 볼 때 냉매 충전량이 작을수록 소요동력이 작은 반면, 증발온도가 낮고 전체적인 시스템이 불안정하게 운전되고, 냉매량이 많을수록 소요동력은 크지만 시스템 안정화와 각각 냉매의 증발과 응축이 원활히 되는 것을 알 수 있다.
후속연구
향후연구에는 오토캐스케이드 냉동시스템의 냉동능력 및 COP를 개선시킬 수 있는 연구를 진행할 예정이며, 혼합냉매 특성과 효율 개선이 뒤따르면 경제성과 소형화를 동시에 만족하고, 반도체 공정에 적합한 오토캐스케이드 방식 극저온 Chiller의 실용화가 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오토캐스케이드(Autocascade) 냉동시스템이란?
하부사이클의 응축온도가 낮기 때문에 기존의 냉동시스템보다 낮은 저온을 얻을 수 있으나, 상부사이클과 하부사이클을 독립적으로 압축하기 때문에 2개의 압축기가 필요하다. 하지만 오토캐스케이드(Autocascade) 냉동시스템은 하나의 회로로 구성된 냉동사이클로써 변온비 등(Non-azeotropic) 혼합냉매를 사용하며, 하나의 냉매가 다른 냉매에 비하여 응축 또는 증발이 상대적으로 잘 되는 성질을 이용함으로써 이들 상호간의 열교환을 통하여 저온을 얻는 방법이다. 따라서 1개의 압축기로 시스템을 운전할 수 있어 캐스케이드 냉동시스템에 비하여 경제성은 있으나, 시스템 성능이 저하되는 단점이 있다.
캐스케이드(Cascade) 냉동시스템은 어떻게 구성되는가?
캐스케이드(Cascade) 냉동시스템은 각각의 다른 냉매를 작동유체로 하는 2개의 독립적인 냉동시스템으로 구성되고 상부사이클의 증발기와 하부 사이클의 응축기에서의 상호 열교환을 통하여 시스템이 구성된다. 하부사이클의 응축온도가 낮기 때문에 기존의 냉동시스템보다 낮은 저온을 얻을 수 있으나, 상부사이클과 하부사이클을 독립적으로 압축하기 때문에 2개의 압축기가 필요하다.
오토캐스케이드(Autocascade) 냉동시스템의 단점은?
하지만 오토캐스케이드(Autocascade) 냉동시스템은 하나의 회로로 구성된 냉동사이클로써 변온비 등(Non-azeotropic) 혼합냉매를 사용하며, 하나의 냉매가 다른 냉매에 비하여 응축 또는 증발이 상대적으로 잘 되는 성질을 이용함으로써 이들 상호간의 열교환을 통하여 저온을 얻는 방법이다. 따라서 1개의 압축기로 시스템을 운전할 수 있어 캐스케이드 냉동시스템에 비하여 경제성은 있으나, 시스템 성능이 저하되는 단점이 있다.(1) 하지만 비교적 온도변화가 작고 컴팩트한 Chiller를 요구하는 반도체 공정으로의 사용은 가능하다.
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