탄화수소계 냉동공조 시스템의 성능특성에 관한 실험 논문자료

 

탄화수소계 냉동공조 시스템의 성능특성에 관한 실험
Performance Characteristics of Refrigeration and 
Air Conditioning System Using Hydrocarbon Refrigerants

오존층 파괴와 지구 온난화로 인한 어려움으로 인해 냉장고와 에어컨에는 오존층 파괴 지수가 0인 친환경 냉매의 사용이 요구되고 있습니다. 오존층 파괴 지수가 0인 새로운 냉매를 새로운 유체로 채택하기 전에 시스템 성능에 대한 엄격한 연구가 불가피합니다. HFC(수소불화탄소) 잠재력이 대안으로 권장되었습니다. 이 논문에서. R-290, R-600a를 이용하여 히트펌프 시설의 시스템 성능을 연구하였다. 친환경 냉매 R-1270입니다. HCFC의 냉매로서 R-22. 실험장치는 기존의 증기 압축형 히트펌프 시스템으로 설정하였다. 테스트 섹션은 수평 이중관 열교환기입니다. 이 조사에는 직경 12.70mm, 벽 두께 1.315mm의 튜브가 사용되었습니다. 시험결과, 탄화수소계 냉매의 COP는 R-22에 비해 우수한 것으로 나타났으며, COP의 최대 증가율은 R-1270에서 나타났다. 탄화수소계 냉매의 냉동능력은 R-22보다 높았다. 압축기 작업은 R-1270에서 최대값, R-22에서 최소값으로 얻어졌습니다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구에서는 작동유체로 규제냉매인 R-22를 대상으로 하는 냉동, 공조장치를 제작하여 대체냉매인 R-290과 R-600a, RT270으로 작동유체를 변화시켜 평활관에서의 R-22와 탄화 수소 냉매의 시스템 성능 특성을 비교 분석하여 탄화수소계 냉매를 대체냉매로 사용하는 시스템 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

지구 환경 파괴로 인해 규제되고 있는 R-22와 대체 냉매로 기대되는 탄화수소계 자연냉매인 R-290, R-600a 및 R-1270을 이용하여 시스템 성능 특성에 대하여 규명하고자 하였다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

압축기는 R-22용 2기통 개방형 압축기로 인버터를 사용하여 압축기의 회전수를 변화시켰으며 디지털 타코메타를 설치하여 압축기의 회전수를 측정하였다.

또한 압축기에 파워메터 (Yokogawa사)를 부착하여 각 운전조건에 따라 압축기에서 소요되는 동력을 측정하였다.

팽창장치는 수동식 팽창밸브를 설치하여 냉매유량 및 증발온도를 조절하였다.

각각의 내관이 12.77mm, 외관이 22.22mm이고, 열교환기의 총길이가 6m인 수평 평활 동관으로 제작하였고 입구측으로부터 등간격으로 10개의 소구간으로 나누어 냉매, 열원수, 열교환기 내 관의 벽면온도를 소구간 입출구에서 측정하였다.

냉매온도와 열원수 온도를 측정하기 위한 열전대는 관길이에 따라 등간격으로 구분된 소구간에 설치하였다.

수액기에서 나오는 냉매유량을 측정하기 위해 질량유량계를 설치하였다.

응축기 및 증발기에 공급하는 이차유체의 온도조절을 위해 항온조와 히터를 설치하였고, 이차유체의 유량 측정을 위해 수유량계를 각각 설치하였다.

열교환기 및 장치 내 배관의 모든부분은 고무 발포보온재와 보온재 테입을 사용하여 충분히 단 열함으로써 외부와의 열교환이 없도록 하였다.

본 연구에서 작동유체로 사용되는 R-22와 대체 냉매인 R-290, R-600a, R-1270의 열물성값 계 산은 NIST(National Institute of Standards and Technology) 에서 개발한 냉매 물성 계산 프로그램인 REFPROP(Ver. 6.0)를 이용하였으 며 시스템 성능 특성을 파악하기 위한 실험 데이터의 분석에 사용된 계산식은 다음과 같다.

위와 같은 계산식을 바탕으로 시스템의 성능을 나타내는 중요한 지표인 성능계수 COP와 압축비 PRe 다음과 같이 계산하였다.

2. 대상 데이터

실험장치는 물을 열원으로 사용하는 증기 압축식 열펌프 사이클의 기본적인 구성 요소로 제작하였고, Fig.1과 Fig.2에 실험 장치의 실제 사진과 개략도를 나타내었다.

실험장치는 냉매가 순환 되는 경로와 응축기 및 증발기를 위한 이차유체인 물이 순환되는 경로로 구성되어 있다.

냉매온도 측정을 위한 센서는 1.6mm Sheath형 T-type 열전대를 사용하였고, 관벽온도를 측정하기 위한 온도센서는 정밀 수은 온도계로 보정하여 ±0.2%의 오차 범위를 가지는 0.1mm T형 열전대 (thermocouple)로 소구간의 입출구에 관의 상

주요 실험 조건은 Table 1에 나타내었으며, 냉매의 포화압력 및 온도가 30분 이상 평형상태를 유지하는 정상상태에서의 데이터를 취득하였다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

압축 일량은 증발온도가 증가할수록 증가하는 경향을 보이며, 탄화수소계 냉매가 R-22에 비해 미소한 차이지만 보다 크게 나타났다.

냉동능력은 증발온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 증발온도에 따른 냉동 능력의 증가가 탄화수소계 냉매가 R-22에 비해 높은 것으로 나타났다.

성능계수는 증발온도가 증가할수록 선형적으로 증가하였으며, R-1270이 가장 높은 것으로 나타났다.

1. 열평형을 검토한 결과 냉매의 종류에 관계없이 대체적으로 20%정도 내외로 거의 일치 하며 비교적 열평형의 우수함을 확인할 수 있었다.

2. 압축일량은 증발온도가 증가할수록 점차 선형적으로 증가하며 냉매 물성치의 영향으로 탄화수소계 냉매가 R-22보다 크게 나타남을 알 수 있었다.

3. 냉동능력은 증발온도가 증가함에 따라 상승하며 탄화수소계 냉매가 R-22에 비해 높게 나타났으며 Propylenee 고질량 유속일 때 다른 탄화수소계 냉매보다 높게 나타났다.

4. 성능계수는 증발온도가 증가할수록 증가하는 경향

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200411922595767

[논문]탄화수소계 냉동공조 시스템의 성능특성에 관한 실험