초록 ▼

오존층 파괴 및 지구 온난화 등의 환경문제가 거론되면서 사용이제한되거나 규제되는 CFC (chlorofluorocarbon) 및 HCFC (hydrochlorofluorocarbon) 계열의냉매가 아닌 탄화수소 계열 냉매를 이용한 열펌프 시스템의 성능 및 열전달 특성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구의 목적은 크게 세가지로 나누어지는데, 탄화수소 계열 냉매의열역학적 물성치 추산, 탄화수소 이용 열펌프의 성능 고찰, 탄화수소 냉매의 응축 및 증발열전달 정량화를 들 수 있으며, 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.탄화수소

오존층 파괴 및 지구 온난화 등의 환경문제가 거론되면서 사용이제한되거나 규제되는 CFC (chlorofluorocarbon) 및 HCFC (hydrochlorofluorocarbon) 계열의냉매가 아닌 탄화수소 계열 냉매를 이용한 열펌프 시스템의 성능 및 열전달 특성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구의 목적은 크게 세가지로 나누어지는데, 탄화수소 계열 냉매의열역학적 물성치 추산, 탄화수소 이용 열펌프의 성능 고찰, 탄화수소 냉매의 응축 및 증발열전달 정량화를 들 수 있으며, 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.탄화수소 냉매와 이들의 2성분 혼합냉매에 대한 열역학적 물성치를 상태방정식을 이용하여 추산하였으며, 엔탈피와 엔트로피 등의 열역학적 성질을 온도, 압력 및 성분비의 함수로 표시하였다. 혼합물에 대한 상호작용계수를 구하여 기상-액상 평형상태에서의 온도,압력, 성분비의 관계를 비교적 정확하게 추산하였으며, 혼합물의 성분비에 따른 압력-엔탈피 선도 및 온도-엔트로피 선도를 구성하였다. 이러한 선도는 혼합물을 이용한 열펌프 사이클의 성능을 시뮬레이션할 때 유용하게 이용된다.탄화수소 냉매로 충전된 열펌프 시스템의 성능을 실험적으로 고찰하였다. 열펌프의냉방 및 난방 운전 조건에 대하여, 압축기의 회전속도를 변화시켰을 때 각 냉매에 대한 냉방 및 난방용량을 실험적으로 측정하였으며, 시스템의 경제성을 나타내는 성능계수를 구하였다. 열펌프 시스템에서의 작동유체는 순수 탄화수소냉매(프로판, 이소부탄, 부탄, 프로필렌)와 프로판/이소부탄, 프로판/부탄의 변온비등혼합냉매를 택하였다. 일부 탄화수소 냉매들은 기존냉매(R-22)보다 더 뛰어난 성능을 나타내는 것을 실험적으로 보였으며, 탄화수소혼합물은 순수 탄화수소냉매 및 기존냉매보다 넓은 질량성분비에 대하여 우수한 성능을 보여주었다.선택된 냉매들의 국소 응축 및 증발 열전달계수를 총괄열전달의 계측을 통하여 구하였다. 여러 질량유속에서의 평균 열전달계수와 열전달율을 구하여 기존냉매와 비교하였다.순수 탄화수소 냉매들은 기존냉매 보다 열전달계수가 크게 나타났으며, 혼합물에 대해서는탄화수소 혼합물의 열전달계수가 순수 물질의 열전달계수를 성분비로 선형보간한 값보다 감소하였다. 측정된 응축 및 증발 열전달계수들을 유용한 상관식들에 의해서 계산된 값들과비교하였으며, 순수 및 혼합 탄화수소냉매들의 열절달계수를 예측하기 위한 경험적인 상관식을 제시하였다. 제시된 상관식들과 실험 결과는 비교적 잘 일치하였다.

Abstract ▼

Thermodynamic properties of hydrocarbon refrigerants and therebinary zeotropic refrigerant mixtures are estimated by using the modifiedCarnahan-Starling equation of state. Thermodynamic properties such as enthalpy andentropy are calculated at a given temperature and pressure.

Thermodynamic properties of hydrocarbon refrigerants and therebinary zeotropic refrigerant mixtures are estimated by using the modifiedCarnahan-Starling equation of state. Thermodynamic properties such as enthalpy andentropy are calculated at a given temperature and pressure. For mixtures, the binaryinteraction coefficients are found to minimize the pressure deviations at the vapor-liquidequilibrium state and the estimation of the vapor-liquid equilibrium state for therefrigerant mixtures has been done. Pressure-enthalpy and temperature-entropy diagramsare plotted for the refrigerant mixtures of specific composition. Performance of a heatpump system filled with hydrocarbon refrigerants are experimentally investigated.Performance of each refrigerant is obtained at several compressor speeds andtemperature levels of secondary heat transfer fluids. Cooling or heating capacity andcoefficients of performance are obtained as test results. Single component hydrocarbonrefrigerants (propane, isobutane, butane and propylene) and binary mixtures ofpropane/isobutane and propane/butane are considered as working fluids in the heat pumpsystem. Experimental results show that some hydrocarbon refrigerants have bettercharacteristics than R22. The hydrocarbon mixtures show better performance in a widerange of mass fraction than pure hydrocarbon refrigerants or R22.Local condensation andevaporation heat transfer coefficients of selected refrigerants are obtained from overallconductance measurement. Average heat transfer coefficients at different mass fluxesand heat transfer rates are shown and compared with those of R22. Pure hydrocarbonrefrigerants have higher values of heat transfer coefficient. Heat transfer degradation hasbeen found for hydrocarbon refrigerant mixtures due to composition change. Measuredcondensation and evaporation heat transfer coefficients are compared with the valuespredicted by available correlations. Empirical correlations for the heat transfercoefficients of pure hydrocarbons and hydrocarbon mixtures are developed. They showgood agreements with the experimental data.

목차 Contents

• 1. 서론...7
• 2. 탄화수소 냉매 및 혼합물의 열역학적 성질 계산...8
• 2.1 개요...8
• 2.2 상태방정식의 선정...8
• 2.3 혼합물에 대한 혼합법칙...8
• 2.4 물성치 계산 결과 및 검토...9
• 2.4.1 순수냉매에 대한 계산 결과...9
• 2.4.2 혼합냉매에 대한 기액평형...10
• 2.4.3 혼합냉매에 대한 열역학적 물성치...10
• 3. 탄화수소 냉매를 사용하는 열펌프의 성능 실험...14
• 3.1 개요...14
• 3.2 성능실험장치의 구성...14
• 3.3 실험조건 및 방법...16
• 3.4 실험자료의 처리...17
• 3.5 성능실험 결과...17
• 3.5.1 냉방운전시의 성능...17
• 3.5.2 난방운전시의 성능...22
• 4. 탄화수소 냉매의 응축열전달...26
• 4.1 개요...26
• 4.2 응축열전달계수의 측정...26
• 4.3 탄화수소 냉매의 응축열전달계수...28
• 4.4 탄화수소 냉매의 응축열전달 상관식...33
• 5. 탄화수소 냉매의 증발열전달...35
• 5.1 개요...35
• 5.2 탄화수소 냉매의 증발열전달계수...35
• 5.3 탄화수소 냉매의 증발열전달 상관식...38
• 6. 결 어...41
• 참고문헌...42
• 연구수행관련 논문발표목록서...44
• 자체평가서...46