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문제 정의
- 본 연구에서는 공조용 실외기의 고효율화 및 소형화를 위해 공조기의 응축 열교환기로 사용되고 있는 핀-관 열교환기를 동일한 전면면적의 PF 열교환기로 변경하여 성능평가를 수행하고자 하였다. 이를 위해 3종의 PF 열교환기를 적용하여 핀 피치에 따른 공조기의 성능을 조사하였다.
- 본 연구에서는 자동차용으로 사용되고 있는 FP 열교환기를 가정용 공조기에 적용하여 열교환기에 따른 성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 핀 피치가 다른 PF 열교환기 3종을 선정하여 기존 핀-관 열교환기가 적용된 공조기의 성능과 비교하였으며, 또한 실내기의 토출공기의 속도에 따른 거동을 파악하여, 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- 각부의 온도 측정을 위해 응축기와 증발기의 각 패스와 입 · 출구부 그리고 압축기와 수동팽창밸브의 입 · 출구부에 열전대를 부착하였다.
- 5RT급의 정속형 압축기를 사용한 냉방용 공조기로 그림 1에 개략도를 나타내었다. 공조기 내의 응축압력과 증발압력 측정을 위해 압축기의 입구 측과 출구 측에 압력계를 부착하였다. 각부의 온도 측정을 위해 응축기와 증발기의 각 패스와 입 · 출구부 그리고 압축기와 수동팽창밸브의 입 · 출구부에 열전대를 부착하였다.
- 각부의 온도 측정을 위해 응축기와 증발기의 각 패스와 입 · 출구부 그리고 압축기와 수동팽창밸브의 입 · 출구부에 열전대를 부착하였다. 공조기 운전 시, 응축기 출구와 증발기 출구의 냉매상태를 확인하기 위해 가시창을 부착하였으며 과열도 조정을 위해 수동팽창밸브를 부착하였다.
- 공조기의 각부 온도 측정을 위해 압축기 입 · 출구, 실내기 입 · 출구, 실외기 입 · 출구 그리고 팽창밸브 입 · 출구에 T형 열전대를 관 외벽에 부착한 후 그 외부는 단열처리한 후에 측정하였다.
- 공조기의 압력 측정을 위해 압축기의 입 · 출구에 디지털 압력계를 부착하여 측정하였다.
- 동일 공조기에서 핀-관 열교환기 대신에 3종의 PF 열교환기로 교체하여 동일 실험조건에서 반복 실험을 수행하였다. 공조기의 과열도는 수동팽창밸브의 개도조절을 통해 제어하였고, 과열도가 약 4℃일 때에 데이터를 수집하였다.
- 본 실험연구에서는 핀-관 및 PF 열교환기가 적용된 가정용 공조기의 성능평가를 위해 공기 엔탈피식 칼로리미터를 이용하였다. 본 연구에 사용된 공조기는 약 2.
- 본 연구에서는 자동차용으로 사용되고 있는 FP 열교환기를 가정용 공조기에 적용하여 열교환기에 따른 성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 핀 피치가 다른 PF 열교환기 3종을 선정하여 기존 핀-관 열교환기가 적용된 공조기의 성능과 비교하였으며, 또한 실내기의 토출공기의 속도에 따른 거동을 파악하여, 다음의 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 공조용 실외기의 고효율화 및 소형화를 위해 공조기의 응축 열교환기로 사용되고 있는 핀-관 열교환기를 동일한 전면면적의 PF 열교환기로 변경하여 성능평가를 수행하고자 하였다. 이를 위해 3종의 PF 열교환기를 적용하여 핀 피치에 따른 공조기의 성능을 조사하였다.
- 증발압력과 응축압력은 압축기 입 · 출구의 냉매배관에 구멍을 뚫어 관을 연결하고 그 끝에 디지털 압력계를 부착하여 측정하였으며 압력계의 오차범위는 ±1% 이내이다.
대상 데이터
- 동일 공조기에서 핀-관 열교환기 대신에 3종의 PF 열교환기로 교체하여 동일 실험조건에서 반복 실험을 수행하였다. 공조기의 과열도는 수동팽창밸브의 개도조절을 통해 제어하였고, 과열도가 약 4℃일 때에 데이터를 수집하였다. 공조기의 각부 온도 측정을 위해 압축기 입 · 출구, 실내기 입 · 출구, 실외기 입 · 출구 그리고 팽창밸브 입 · 출구에 T형 열전대를 관 외벽에 부착한 후 그 외부는 단열처리한 후에 측정하였다.
- 본 실험연구에서는 핀-관 및 PF 열교환기가 적용된 가정용 공조기의 성능평가를 위해 공기 엔탈피식 칼로리미터를 이용하였다. 본 연구에 사용된 공조기는 약 2.5RT급의 정속형 압축기를 사용한 냉방용 공조기로 그림 1에 개략도를 나타내었다. 공조기 내의 응축압력과 증발압력 측정을 위해 압축기의 입구 측과 출구 측에 압력계를 부착하였다.
성능/효과
- (1) 공조기의 적정 냉매량은 핀-관 열교환기를 적용한 경우보다 PF 열교환기를 적용한 공조기의 경우에 약 19.4～25.0% 정도 감소하였다.
- (2) PF 열교환기를 적용한 공조기의 경우에 핀관 열교환기 보다 냉방능력은 0.7%～4.7% 증가, 소비전력은 2.6～4.6% 감소하여 COP는 3.6～9.7% 향상되었으며, 핀 피치가 가장 작은 PF-1 열교환기가 가장 우수한 성능을 보였다. 이는 핀 피치가 작을수록 핀의 열전달면적이 늘어나 냉방능력은 증가하고 응축압력의 감소로 소비전력은 감소하여 COP가 증가하는 것이다.
- 22 mm 일 때 공조기의 COP가 가장 크게 나타났다. PF 열교환기의 핀 피치가 증가함에 따라 공조기의 냉방능력은 감소하고 소비전력은 증가하여 공조기의 COP는 감소하였다.
- 그림 5는 냉방표준 온도조건에서 실내기 토출공기 속도변화에 따른 PF-1, PF-2 그리고 PF-3 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력 변화를 나타낸다. PF-1 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 실내기의 토출공기 속도가 0.55 m/s에서 0.95 m/s로 증가함에 따라 6,768 W에서 8,573 W로 약 26.6% 증가, PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 6,712 W에서 8,404 W로 약 25.2% 증가 그리고 PF-3 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 6,621 W에서 8,246 W로 약 24.5% 증가하였다. 실내기의 설정 토출공기 속도가 증가함에 따라 공조기의 냉방 능력은 거의 선형적으로 증가하였으며, 이는 실내기의 토출공기 속도가 증가함에 따라 증발 열교환기를 흐르는 냉매와 실내 공기의 열전달이 점차 활발하게 이루어지게 되어 공조기의 냉방능력은 상승되었기 때문이다.
- 이를 개선하기 위해 자동차용 공조기에 사용되고 있는 PF(parallel flow) 열교환기를 가정용 공조기에 적용하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.[2] PF 열교환기는 평판관을 사용하여 원관의 후류형성에의한 저항을 감소시킬 수 있으며 핀과 관을 브레이징 용접하므로 접촉저항을 감소할 수 있다. 또한 평판관 내부에는 여러 개의 미세 유로가 형성되어 있어 관내측 단위면적당 열전달 향상을 기대할 수 있다.
- 50 mm이다. 공조기의 냉방능력은 PF 열교환기의 핀 피치가 2.22 mm 일 때 냉방능력이 가장 우수한 것으로 나타났다. 핀 피치가 클수록 냉방능력은 감소하였으며 이러한 결과는 핀 피치가 증가함에 따라 핀의 열전달면적이 상대적으로 감소하므로 열교환기의 열전달효율이 감소하였기 때문이다.
- 또한 열전달 효율 증대에 따른 PF 열교환기의 체적감소 효과를 이용하면 공조기의 냉매량을 줄일 수 있다. 그리고 관과 핀 모두 알루미늄으로 제작되어 무게와 제작단가를 핀－관 열교환기에 비해 줄일 수 있을 것으로 판단된다. Bae 등[3]은 핀－관 열교환기에 비해 PF 열교환기의 체적이 40% 축소되어도 동일 능력을 가지며, 이때 냉매량도 22% 감소한다고 보고하였다.
- 그림 2에 핀-관 및 PF 열교환기 3종을 적용한 공조기의 적정 냉매량을 나타내었다. 냉매량은 핀-관 열교환기가 적용된 공조기에 비해 PF-1의 경우 25.0%, PF-2의 경우 22.2% 그리고 PF-3의 경우 19.4% 감소함을 보였다. 이렇게 핀-관 열교환기를 적용한 공조기에 비해 PF 열교환기를 적용한 공조기의 냉매량이 감소하는 것은 PF 열교환기의 체적이 핀-관 열교환기에 비해 약 35% 작아 상대적으로 내부체적이 감소하였기 때문이다.
- 5% 이내로 나타나 큰 차이를 보이지 않았다. 반면 응축 압력은 핀-관 열교환기를 적용한 경우와 비교할 때 핀 피치가 2.22 mm인 PF-1 열교환기를 적용할 경우 5.9%를, 핀 피치가 2.35 mm인 PF-2 열교환기를 적용할 경우 4.9% 그리고 핀 피치가 2.35 mm인 PF-3 열교환기를 적용할 경우 4.3% 증가함을 보였다. PF 열교환기를 적용한 경우 증발압력은 변화하지 않고 응축압력이 감소하므로 공조기의 압축비는 낮아지게 된다.
- PF 열교환기를 적용한 경우 증발압력은 변화하지 않고 응축압력이 감소하므로 공조기의 압축비는 낮아지게 된다. 핀-관 열교환기를 적용한 공조기에 비해 PF 열교환기를 적용한 공조기의 압력비는 5.7～6.4% 감소하였다. 이러한 압축비 감소로 인해 공조기의 소비전력은 낮아지게 된다.
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