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1 저작자표시 - 동일조건변경허락 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 이차적저작물을작성할수있습니다. 이저작물을영리목적으로이용할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 동일조건변경허락. 귀하가이저작물을개작, 변형또는가공했을경우에는, 이저작물과동일한이용허락조건하에서만배포할수있습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 공학석사학위논문 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의히트펌프성능평가 Performance Evaluation of HFC32/HFC152a and HFC32/HFC134a Mixtures for Heat pumps 2011 년 10 월 인하대학교대학원 기계공학과 ( 열및유체공학전공 ) 김욱진

3 공학석사학위논문 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의히트펌프성능평가 Performance Evaluation of HFC32/HFC152a and HFC32/HFC134a Mixtures for Heat pumps 2011 년 10 월 지도교수 정동수 이논문을석사학위논문으로제출함

4 이논문을김욱진의석사학위논문으로인정함 年 10 月 31 日 주심 부심 위원

5 - i - 요약문 본연구에서는냉동 / 공조설비에서널리사용되어온 HCFC22의친환경대체냉매를결정하고성능을평가하는데있다. HCFC22는오존층붕괴지수 (ODP) 를가지고있어오존층파괴의원인이될뿐만아니라높은지구온난화지수 (GWP) 로인해더이상냉동 / 공조설비에사용될수없다. 이를위해친환경대체냉매개발과관련한연구가계속진행되고있는중이며오존층붕괴지수 (ODP) 가없고선진국규제에맞게낮은지구온난화지수 (GWP) 를갖는 HFC의혼합냉매에대한성능평가를수행하였다. 본연구에사용된혼합냉매로는 HFC32에다가 HFC152a와 HFC134a를각각혼합하여사용하였으며 HFC32를 10% 에서 50% 와 40% 까지 10% 간격으로각각혼합비율을변화시켰다. 혼합냉매의성능을실험하기위해벤치테스터를제작하였다. 개방형왕복동식압축기를설치하였고인버터를연결하여혼합냉매의열역학적특성에맞게 RPM을조절해서동일한냉 난방능력을얻었다. 증발기와응축기는냉매와물이대향류가되도록설계한수냉식열교환기를사용하였고 40개이상의열전대와각각의열교환기입구, 출구에압력계를설치하였다. 팽창밸브는손으로조정할수있는미세조절밸브를설치하였다. 실험조건은기준냉매인 HCFC22의증발기포화온도와응축기포화온도가각각 7 /45 ( 여름냉방조건 ), -7 /41 ( 겨울난방조건 ) 로설정하였으며증발기출구의과열도는 5 (±1 ), 응축기출구의과냉도는 5 (±1 ) 로유지하였다. HFC32/HFC152a는 HCFC22 대비성능계수가최대 15.8% 증가하였으며 HFC32 /HFC134a는최대 9.5% 증가하였다. 이는소요동력의감소로이루어진결과이며두가지혼합냉매모두각각최대 13.7%, 8.7% 의소요동력이감소하였다. 토출온도는각각최대 15.4, 10.9 정도높지만이는시스템의내구성과수명에는영향을주지않을것으로생각된다. HFC32/HFC152a의충전량은액체밀도가큰 HFC32의혼합비율이 10% 씩증가할수록 15.6~26.8% 정도줄어들었으며 HFC32/ HFC134a의충전량은 R134a보다액체밀도가작은 HFC32의혼합비율이 10% 씩증가할수록감소하는경향을나타내었다. 이와같은비공비혼합냉매는열교환기내에서온도구배매칭이일어나며이는소요동력을줄이고성능계수를높이는결과로이어졌을뿐만아니라친환경적이다.

6 - ii - ABSTRACT In this study, performance of 7 mixtures was measured in an attempt to substitute HCFC22 used in air-conditioners and heat pump. The first mixtures were composed of HFC32 and HFC152a. The second mixtures were composed of HFC32 and HFC134a. refrigerant mixtures which R32/R152a and R32/R134a with R32 varied from 20% to 50% with an interval 10% was measured. They were tested in a refrigerating bench tester with a reciprocating open compressor linked inverter. The test bench employed water and water/glycol mixture as the secondary heat transfer fluids. All tests were conducted under the same external conditions resulting in the averager saturation temperatures of summer cooling(7/45 ) and winter heating ( 7/41 ) in the evaporator and condenser, respectively. Test results show that the coefficient of performance(cop) of HFC32/HFC152a mixutres are up to 15.9% and 5.7% higher than that of HCFC22 in all temperature conditions. And coefficient of performance(cop) of HFC32/HFC134a mixutres are up to 9.5% and 3.0% higher than that of HCFC22 in all temperature conditions. At mixtures, as the composition of HFC32 is increased, the COP is increased about 3% gradually. Compressor discharge temperatures were reduced by 3.9~15.4 with HFC32/HFC152a mixtures and by 4~`10.9 with HFC32/HFC134a mixtures. There was no problem with POE oil since the mixtures were mainly composed of HFC152a but a little problem was occurred mainly composed of R134a. The amount of charge was reduced up to 13.7% and 8.7% as compared to HCFC22. Overall, these all mixtures have a good COP that is meaningful result besides HFC32/HFC152a mixtures are friendly environment.

7 - iii - NOMENCLATURE Roman symbols Coefficient Of Performance HTF specific heat [kj/kg ] Gliding Temperature Difference Global Wanning Potential Enthalpy [kj/kg] Heat Transfer Fluid Mass flow rate [kg/s] Ozone Depletion Potential Pressure [kpa] Capacity [Watt] Entropy [kj/kg ] Temperature [ ] Thermopile [ ] Compressor Work [Watt] Subscripts Condenser Compressor Discharge Evaporator At constant pressure Water

8 - iv - TABLE OF CONTENTS 요약문 i ABSTRACT ii NOMENCLATURE iii TABLE OF CONTENTS iv LIST OF TABLE vii LIST OF FIGURES viii 제 1 장. 서론 1 제 2 장. 이론적배경 혼합냉매의필요성및특성 열역학적특성 증기압 (Vapor pressure) 임계온도와임계압력 (Critical temperature and critical pressure) 증발잠열 (Heat of vaporization) 밀도 (Density) 12

9 - v 압축비 (Pressure ratio) 오일의혼화성 (Miscibility) 재료의호환성 (Compatibility) 가연성과독성 (Flammability and Toxicity) 16 제 3 장. 실험장치 열펌프설계및제작 데이터측정 실험조건 실험방법 윤활유선정 23 제 4 장. 결과및고찰 실험냉매조성 R32/R152a 혼합냉매의실험결과 사이클시뮬레이션 성능계수 소요동력 압축기토출온도 33

10 - vi 냉매충전량 R32/R134a 혼합냉매의실험결과 사이클시뮬레이션 성능계수 소요동력 압축기토출온도 냉매충전량 41 제 5 장. 결론 42 제 6 장. 참고문헌 43

11 - vii - LIST OF TABLE Table 1.1 Production percentage reduction as accorded in Montreal Protocol 2 Table 2.1 Fundamental thermodynamic properties (at 7 ) 8 Table 2.2 Comparison of Ideal and Experimental Hfg (at summer condition) 11 Table 2.3 Comparison of Ideal and Experimental Pressure Ratio (at summer condition) 14 Table 3.1 Uncertainties of experimental parameters 20 Table 3.2 Inlet temperature and mass flow rates of the secondary heat transfer fluid 22 Table 4.1 R32/R152a mixtures tested in this study 24 Table 4.2 R32/R134a mixtures tested in this study 24 Table 4.3 Summary results of test condition A(Summer) for R32/R152a mixtures 26 Table 4.4 Summary results of test condition B(Winter) for R32/R152a mixtures 26 Table 4.5 Summary results of test condition A(Summer) for R32/R134a mixtures 27 Table 4.6 Summary results of test condition B(Winter) for R32/R134a mixtures 27

12 - viii - LIST OF FIGURE Figure 2.1 Nonazeotropic R32/R152a mixture 6 Figure 2.2 Ideal Carnot cycle and Lorenz cycle 6 Figure 2.3 Relations between VC and Critical temperature (at summer condition) 10 Figure 2.4 Liquid density for R22 and mixtures 12 Figure 2.5 Work of compression and power required by an ideal compressor, Refrigerant 22 and 35 condensing temperature 14 Figure 3.1 Schematic of the heat pump bench tester 18 Figure 3.2 Details of the evaporator and condenser connection 19 Figure 4.1 Simulation results of COP for R32/R152a mixtures 29 Figure 4.2 Simulation results of Discharge temperature for R32/R152a mixtures 29 Figure 4.3 Experimental results of COP for R32/R152a mixtures 30 Figure 4.4 Temperature distribution in the evaporator for R32/R152a mixtures (at summer condition) 32 Figure 4.5 Experimental results of Work for R32/R152a mixtures 32

13 - ix - Figure 4.6 Experimental results of Discharge temperature for R32/R152a mixtures 33 Figure 4.7 Simulation results of COP for R32/R134a mixtures 36 Figure 4.8 Simulation results of Discharge temperture for R32/R134a mixtures 36 Figure 4.9 Experimental results of COP for R32/R134a mixtures 37 Figure 4.10 Temperature distribution in the evaporator for R32/R134a mixtures (at summer condition) 39 Figure 4.11 Experimental results of Work for R32/R134a mixtures 39 Figure 4.12 Experimental results of Discharge temperature for R32/R134a mixtures 40

14 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 서론 우수한열역학적성질들로인해지난반세기동안냉동 / 공조기의냉매로사용되어온염화불화탄소 (CFC) 및수소화염화불화탄소 (HCFC) 가오존층붕괴의주원인으로밝혀지면서사람들은이에대해경각심을갖게되었고이것이국제사회의중요한환경문제로부상하면서 1987년에는미국및구주공동체를포함한 23개국이오존층을붕괴시키는 CFC의생산, 무역, 사용을규제하기위한모트리얼의정서를체결하였다. 이에따라선진국들은 1996년 1월 1일부터 CFC를전면폐기하고 HCFC는사용량을동결하여 2019년말까지전면폐기시키기로합의하였다. (1-2) 그결과가정용및산업용냉동 / 공조분야를비롯해서전자제품세정, 단열재합성, 각종에어로졸의분사기체용등여러분야에서널리사용되어온물질을대신하여친환경대체물을개발해야하는필요성이시급해졌고이와관련된연구가진행되고있다. 한국은이미 1992년 2월에몬트리올의정서에제5조국으로가입했으며, 따라서현재 CFC 사용과생산의규제를받고있고조만간이산화탄소발생량의규제도받게되리라본다. Table 1.1은몬트리올의정서의 CFC 및 HCFC 폐기일정을보여준다. 이일정에따라우리나라는 2010년에는 CFC를전폐하여야하며 2015년부터는 HCFC 사용량또한규제를받게된다. CFC 대체가한참거론되면서지구온난화문제역시심각한환경문제로부상하기시작했다. 지구온난화현상은화석연료를사용할때발생하는이산화탄소가주원인이며이온난화현상을완화시킬수잇는방도를강구하기위해지난 20여년동안사상최대의국제환경회의가여러차례열려이산화탄소발생규제및감축을목표로하는교토의정서가제안되었다. (3-4) 한국경제의수출의존도가높은점을감안해볼때, 이같은환경규제에묶여수출량과품목이줄어든다는것은한국경제에큰타격이될것이다. 따라서현시점에서는 CFC와이산화탄소로인한에너지및환경문제를효과적으로다룰수있는기술개발이절실히요구되고있다. 하지만이러한위기는우리나름대로의독자적인대체냉매생산및이용기술을개발할경우다른선진국들과동등하게시장경쟁을할수있는긍정적인기회가될수도있다. HFCF22의경우가정용공조기분야에서거의독점적으로사용되어왔으며시장규모역시모든냉매중가장크기때문에대체냉매의개발은매우중요한의미를갖는다. 미국을비롯한여러선진국들은오존층붕괴지수가낮고지구온난화를유발

15 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Table 1.1 Production percentage reduction as accorded in Montreal Protocol Substance Reduction Percentage (for Developed Country) Reduction Percentage (for Developing Country) 0 % in 1999 CFCs 100 % in % in % in % in % in 2002 Halons 100 % in 1994 CCl % in % in % in % in % in ,1,1 - Tricloroethane 100% in % in % in % in % in 2015 HBFCs 100 % in % in % in % in 2004 HCFCs 65 % in % in % in % in % in % in 2040 시키지않는 HCFC22 대체냉매를개발하는데주력하고있다. 따라서우리나라가 HCFC22 대체냉매산업에성공적으로참여하여외국들과의경쟁에서이기기위해서는냉매의생산못지않게기본적인성능실험에관한연구도수행하여야만한다. 이를위해서는우리나라고유의혼합냉매를실제의냉동시스템에충전하여실제조건

16 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 하에서실험적으로성능을측정하고비교하는것이매우중요하다. 상업용과가정용공조기의경우 HCFC22를대체할수있는물질을개발하였고미국냉동공조학회 (ASHRAE) 에서공식적으로 R410A로명명한혼합냉매 (50%R32/50%R125, Allied Signal사의 AZ20) 와 R407C로명명한혼합냉매 (23%R32/25%R125/52%R134a DuPont사의 AC9000) 가시장에나와있다. (5) 이중에서 R410A는 GTD가 0.2 미만인근공비혼합매체로서전통적인냉매충진방법을적용할수있을뿐만아니라장비의소형화에대한잠재성과시스템효율이향상될가능성을지니고있어매우매력적이다. 그러나이냉매의증기압은 HCFC22의증기압보다무려 60% 정도높기때문에설비제조업체들은압축기의재설계 ( 소형화 ) 와관벽의두께강화, 강인한용접을위한고압용기의사용등으로인한제조비용의증가와체적용량의증대로인한제조비용의감소가어떻게경제적으로서로상쇄될수있는가를연구하여이대체냉매의사용을결정해야만한다. R410A 의등엔트로피효율은 HCFC22에비해상대적으로낮은것으로알려져있지만마찰의감소및밀도의증가로인한압력손실의감소가등엔트로피효율의감소를상쇄시킬수있으므로, 이냉매를사용하는시스템의효율은 HCFC22보다클것으로전문가들은추측하고있다. (5-6) 반면에 R407C는 6 정도의온도구배를지닌비공비혼합매체로서 HCFC22와비슷한증기압을내며, 따라서별도로현행장비를크게수정하지않고서도이를적용할수있다는장점을갖고있다. 그러나비공비혼합냉매이므로시스템누설이있는경우에는분리현상이발생하여냉매를보충하는데문제가있고또한질량전달저항으로인해열전달계수가감소하므로열교환기의성능저하가우려된다. 하지만이렇게개발된대체냉매들역시높은지구온난화계수를가지고있고많은 EU 국가들은공기조화기와히트펌프에서 HFC의사용을금지하는것을고려하고있다. (7) 예를들면, 덴마크는 2001년부터 HFC 사용을줄이기시작했고, 2007년부터는새로운장비에는 HFC를사용하지않도록하는규제를제안하였으며 HFC와에스테르오일사용에대한강력한규제사항을만들었다. 또한장기적으로는지구온난화지수 (GWP) 가 150 이하인냉매들만을냉동 / 공조기에사용할것을법으로규정하였다. (8) 또한자동차의경우신냉매 HFC134a가개발되어사용된지 10여년이된현시점에서 2010년이후에는유럽에서 HFC134a를사용할수없다는 F-gas 법률이통과되어산업계는또다시친환경냉매를개발해야하는어려움을겪고있다. (9) 지구온난화지수가 150이하인냉매만을사용해야하며쿼터제를실시하여해마다

17 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 HFC134a 장착자동차의시장도입량을줄이도록하였다. 그리고 2017년에는완전히모든차량이이규제를따라사용하도록규정하고있다. 이런환경보호법규들은시간이갈수록강화될것으로보이며이미유럽연합국가들은 F-gas 법률등에의거하여기존공조기및히트펌프의대체냉매로개발된 HFC407C와 HFC410A 등에막중한세금을매겨정책적으로탄화수소나탄화수소와 HFC의혼합냉매같이지구온난화지수가낮은친환경냉매를사용하게하고있다. 따라서이러한혼합냉매의문제점및지구온난화에영향을끼치는 HFC의사용규제를해결해줄친환경적대체냉매의개발이시급한과제이다. 현시점에서는오존층붕괴도일으키지않으며에너지를절감해서지구온난화현상도완화시킬수있는냉매들이절실히필요하며이러한대체냉매들의한종류로각광을받고있는것들이바로순수냉매들을혼합한 비공비혼합냉매 (Non-azeotropic refrigerant mixtures, NARMs) 이다. 친환경적인비공비혼합냉매를사용하면열효율을 10% 정도향상시킬수있고, 냉동, 공조기를크게변화시키지않고도시스템에적용할수도있고다른물질및윤활유와의호환성에문제가생기지않게할수있다. (10) 이에본연구에서는수열원히트펌프를모사하는벤치테스터를제작하여여름철냉방조건과겨울철난방조건하에서환경특성이우수한 HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의조성을변화시켜가면서성능을측정함으로써조성변화에따른냉난방특성을비교하고동시에기준이되는 HCFC22 냉매와의차이점도살펴보려고한다.

18 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 이론적배경 2.1 혼합냉매의필요성및특성 몬트리올의정서의규제조치에따라유럽국가들에서는이미 2000년대초반부터 HCFC22의사용이금지되었고미국의경우에도 2010년이후부터제조되는신제품에대해서는 HCFC22를사용할수없지만현재까지 HCFC22를성공적으로대체할수있는순수냉매가발견되지않았다. 따라서이미개발된순수냉매들을혼합한혼합냉매들이앞으로냉동 / 공조기에서 HCFC22를대체할것으로전망되고있다. 이같은시점에서오존층붕괴도일으키지않으며, 에너지를절감해서지구온난화현상도완화시킬수있는냉매들이절실하게요구되고있고, 이러한대체냉매들의한종류로서각광을받고있는것들이바로 비 ( 非 ) 오존층붕괴 순수냉매들을혼합한혼합냉매들인것이다. 혼합냉매들의특징은아래와같다. 1. 열효율의개선가능성이 10% 정도있음 2. 오존층붕괴지수없음 3. 지구온난화지수낮음 4. 냉동 / 공조기를크게변화시키지않고도이들을적용할수있음 5. 이미생산이되어오고있고, 다른물질및기존냉동유와의호환성이있음 위에열거된특성들때문에비공비혼합냉매 (Non-azeotropic refrigerant mixtures, NARMs) 들은냉동 / 공기조화분야에서에너지효율을현저하게높일수있는방안중의하나로서부각되어왔고, 외국의경우에는여러연구소에서이들의열역학적특성에대해많은연구를진행해왔다. (6,11-14) NARMs는등압상태에서증발이일어날때순수냉매와는달리증발온도가올라가며반대로응축시에는응축온도가감소하게된다. 이와같은현상은 온도구배현상 (Gliding temperature phenomenon) 이라불린다. 혼합냉매들의증발이시작되는점과끝나는점의온도차이를 온도구배차 (Gliding temperature difference, GTD, Figure 2.1에서 ) 라고하며, 이 GTD는선택된혼합냉매의종류와조성에따라변한다. Figure 2.1은이같은전형적인비공비혼합냉매의온도-조성선도로서비공비혼합냉매의특징을잘보여주는 HFC32/HFC152a의온

19 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 도-조성선도이다. 증기압축식사이클에의해작동되는냉동 / 공조기는열원 (Heat source) 과열방출구 (Heat sink) 로서공기나물등의 2차열전달매체 (Heat transfer fluid) 를필요로한다. Figure 2.2 (a) 는온도-엔트로피 (Temperature-entropy) 선도상에이상적인 Carnot cycle 및 Lorenz cycle을보여주고있다. Carnot cycle에서작동되는순수냉매의경우에는열교환기의한쪽끝에반드시 Pinch point가생기게되고, Temperature( o C) Dew line Two-phase region Bubble point Subcooled liquid region Xo R32/R152a Pressure = 300 kpa Dew point.tg Bubble line Superheated vapor region R152a R32 Composition(Mole frac. R32) Figure 2.1 Nonazeotropic R32/R152a mixture Figure 2.2 Ideal Carnot cycle and Lorenz cycle.

20 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 따라서 Pinch point가생기지않는다른쪽에는냉매와열전달매체간의온도차가필요이상으로커지게되므로결국열교환시에많은양의엔트로피가형성된다. 그러나비공비혼합냉매를사용하는경우에는, Figure 2.2 (b) 에서 Lorenz cycle이보여주는것처럼, 냉매의온도구배와열전달매체의온도구배를이용하여사용자가냉매와열전달매체의온도를평행이되도록조절해줄수있다. 따라서두매체간의온도차및 열역학적인비가역성 (Thermodynamic irreversibility) 이줄어들게되고, 결국열교환효율의증대가이루어진다. 그러나이렇게유체들의온도가평행이되도록하려면반드시 대향류열교환기 (Counter-current heat exchangers) 를사용해야만하며동시에온도구배매칭을해야한다. 대체냉매를선정할때친환경성의평가기준은냉매자체의환경영향뿐만아니라시스템운전에필요한에너지생산시에발생되는이산화탄소에의한간접적인영향을함께고려하는것이필요하다. 이러한냉매의직접적인영향과간접적인영향을함께나타내는척도가총등가온난화지수 (TEWI, Total equivalent warming impact) 이며이를기준으로보면친환경냉매의선정은물론시스템의효율을향상시켜 TEWI를최소화하는것이중요하다. (15) 비공비혼합냉매를사용하는 Lorenz cycle의경우에는, 열교환효율의증대뿐만아니고 압축기가필요로하는일 (Compression work) 역시 Carnot cycle에비해줄어들게된다 (Figure 2.2의빗금친부분 ). 따라서비공비혼합냉매를사용하게되면, 냉동기의성능계수 (COP) 가많게는 30 40% 까지도증가할수있다. (16)

21 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 열역학적특성 Table 2.1 Fundamental thermodynamic properties(at 7 ) Refrigerant R22 R32 R152a R134a R32/R152a R32/R134a (35/65) (30/70) 끓는점 ( ) 증발잠열 (kj/kg) 임계온도 ( ) 임계압력 (MPa) 지구온난화지수 (GWP) 기준이되는단일냉매와비교할혼합냉매의열역학적특성을 Table 2.1에정리하였다. 혼합냉매의혼합비율선정은실험결과를통해서가장타당하다고생각되어지는혼합비율을이용하여열역학적물성치를계산하였다. 끓는점, 임계온도, 임계압력은냉매의고유한성질이고증발잠열은증발기온도조건인 7 에서나타나는값을계산하였다. 증발잠열은냉동 / 공조기의냉방능력과난방능력을결정하기때문에중요하다. 또한증기압에따라냉매의질량유량에서차이가생기게되어냉 난방능력이다르게나타날수도있다. 단일냉매와혼합냉매의증발잠열만을놓고보았을때는 R32/R152a의혼합냉매가단일냉매 R152a에비해 3.7% 정도높고 R32에비해서도 2.3% 높다. R32/R134a의혼합냉매는단일냉매 R134a에비해서 20.7% 정도높은반면 R32에비교했을때는 23.4% 정도낮다. R32는열역학적특성이뛰어나지만 R152a에비해 GWP가높다. R32와 R152a를혼합하여사용하면열역학적특성이더좋아질뿐만아니라 GWP가절반이상줄어들게되어환경규제에적합한냉매가된다. R134a는 R12를대체로나온저온에특화된냉매로서자동차에어컨과산업용냉장고에주로쓰인다. R32를혼합함으로서순수 R134a 보다 GWP가줄어들었고증발잠열이좋아졌다. 또한 R32의비율이커질수록 POE 오일과의혼화성이좋아져시스템이안정적인성능을내는것을확인하였다.

22 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 증기압 (Vapor pressure) 대체냉매를선정할때가장먼저비교해봐야할것중하나는증기압이다. 냉매에따라서같은온도에서도증기압은매우다르며, 증기압에로그를취한값과온도의역수는근사적으로직선관계를가진다. 냉동시스템의구성요소들은주로 1-25 bar의압력으로작동되는냉매를선택하여사용하고있다. 대기압보다낮은증기압을가진냉매는시스템내로공기가유입이될수있다. 냉매의증기압이높아지면비등점은낮아지고압축기의행정체적이작아진다. 즉동일한행정체적의압축기에대하여냉동능력이크다. 또한비등점이낮은냉매는저압과고압사이의압축비가작다. 하지만너무높은응축압력은압축기및배관의내압강도를높여야하며토출온도의상승으로인해윤활유가변질되기쉽고체적효율이감소를초래하기때문에증기압이높은냉매는사용시에유의하여야한다. 터보냉동기와동일한작동원리는갖는원심압축식터보히트펌프는고온의열원을얻기위해서고압부가 30 bar까지올라가기도하며시스템설계시단일설계점에서의성능이외에연간운전형태를고려하여다양한운전조건에서의운전안정성및성능최적화가필요하다. (17) 본연구에서는대체가필요한 HCFC22를기준으로제시한외부조건을기준으로비교할혼합냉매들의단일성능을비교하여측정하였으며응축기쪽고압부작동증기압은 13~20 bar 사이에서작동하였고증발기쪽저압부작동증기압은 2.5~7 bar 사이에서작동하여실험을위한작동유체로서의문제는발생하지않았다.

23 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 임계온도와임계압력 (Critical temperature and critical pressure) 물질의고유한특성에따라임계온도와임계압력이결정되며입계온도가높아지게되면상대적으로작동증기압이낮아지게되고팽창밸브에서의교축작용이후플레쉬가스의발생이적어지게되어고유하게냉동효율이좋아지는장점이있다. (18) 반면에증기압이감소하게되면냉매들의특성은체적용량이감소하는경향이나타나기때문에이는냉난방용량의부족함으로이어질수있어이것을고려한시스템설계가필요하다. Figure 2.3은실험결과를바탕으로임계온도에따른체적용량의변화를나타내며괄호안의숫자는각각의혼합비율을의미한다. 두가지혼합냉매모두 R32의혼합비율이증가할수록임계온도가상승하게되고이에따라체적용량이감소하는것을볼수있다. 본연구에서는동일한냉난방용량을기준으로시스템해석을하였기때문에체적용량에감소에따라압축기의 RPM 회전수를증가시켜동일한냉난방용량을얻도록하였다. 냉매가높은압력과온도까지상승하면이상상태가존재하지않는초임계유체가되어기체와액체의구분상태가없어지게되고응축현상이일어나지않는다. 따라서증기압축식사이클에서임계점보다높은압력과온도를적용할수가없기때문에임계온도와임계압력이하에서의설계가필요하다. Figure 2.3 Relations between VC and Critical temperature(at summer condition)

24 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 증발잠열 (Heat of vaporization) 증발잠열이란주어진온도와압력에서포화액체와포화증기의엔탈피의차이를말한다. 하지만실제시스템에서얻을수있는증발잠열은보통이상적인증발잠열의 70% 수준이다. 이는팽창밸브에서일어나는교축작용에의한에너지손실이주요한원인이고, 손실에대한크기는앞서설명한임계온도의비교를통해서어느정도예상할수있음을알수있다. 다음은증발잠열과냉난방용량의관계를나타내는식이다. Table 2.2는 Refprop 9.0 (19) 프로그램을이용하여구한이론적증발잠열과실험결과를통해서구한증발잠열값을비교하였다. 실험결과값이 23~28% 정도낮음을알수있다. 위식을통하여필요한질량유량을얻을수있는데이것은압축기의소요동력을예상할수있다. 동일한냉난방용량조건에서혼합냉매의증발잠열이 R22 에비해크고 R32의혼합비율이증가할수록증발점열도증가하기때문에 R22보다적은소요동력으로동일한냉난방용량을얻을수있고 R32의혼합비율이증가할수록소요동력도감소할것이다. Table 2.2 Comparison of Ideal and Experimental Hfg (at summer condition) Refrigerant Ideal Hfg Experimental Hfg (kj/kg) (kj/kg) R R32/R152a(20/80) R32/R152a(30/70) R32/R152a(40/60) R32/R152a(50/50) R32/R134a(20/80) R32/R134a(30/70) R32/R134a(40/60)

25 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 밀도 (Density) 냉매의밀도는압축기에의한질량유량을결정하는기준이된다. 냉매의밀도가높다는것은비체적이작다는것이고이는압축기로유입되는냉매의질량유량의증가로이어져소요동력이상승하게된다. 또한냉매의액체밀도를통해실험을하기전에시스템의충전량을예측할수있다. 액체밀도는증기밀도보다훨씬크며냉매는응축기끝부분에과냉되어쌓이기때문에관내에서많은부피를차지한다. Figure 2.4는 R22와각각혼합냉매의액체밀도를나타낸다. R32/R152a의액체밀도는 R22보다 22~23% 정도작기때문에혼합냉매의충전량이더작을것으로예측할수있다. 또한액체밀도가높은 R32의혼합비율이커질수록혼합냉매의액체밀도가증가하게되고이것을통해충전량이증가할것이라고동일하게예측할수있다. R32/134a의액체밀도는 R22보다 4~11% 정도작으며 R134a 액체밀도가 R32보다높기때문에 R134a의혼합비율이작아질수록액체밀도가감소하게된다. 혼합냉매의작은밀도로인한충전량의감소및질량유량의감소는냉매의환경에대한직. 간접적영향을줄일수있다. 하지만증발잠열을고려한소요동력의변화도고려하여시스템을평가해야한다. Figure 2.4 Liquid density for R22 and mixtures

26 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 압축비 (Pressure ratio) 냉동기에서압축비는고압측의압력을저압측의압력으로나눈값이다. 본실험에서는냉매의온도조건이여름철, 겨울철로이미정해져있으므로압축비가정해져있다고생각할수있다. 압축기는질량이아닌체적과상관관계가있으며비체적이작은냉매가유입되면압축기가밀어내는질량유량을증가시킨다. 따라서낮은압축비를가진냉매는압축기효율및체적효율이증가한다. 반대로높은압축비는에너지소비의증가를가져오며높은응축압력은누수의위험과토출온도의증가로인한냉매의붕괴를야기하므로압축기의효율이감소하는원인이된다. 압축기토출온도를고정시키고흡입구증발기의온도를증가시키면압축비가감소하고온도차가작아지면서엔탈피차이가감소하여압축기가하는일이줄어든다. 하지만소요동력을살펴보면압축기흡입구온도증가로인해증기의체적이감소하게되고이는동력의증가로이어진다. 소요동력은계속증가하다가압축기가하는일의영향이체적감소의영향보다더커지게되면감소하여소요동력의피크점을만드는현상이발생하는데이는실제로다양한운전조건에서발생할수있는동력손실로서이를고려하여시스템을설계하는것이필요하다. Figure 2.5는등엔트로피과정에서의 EES (20) 시뮬레이션결과를보여준다. 다음은소요동력을나타내는식이다. 증발기에서는압력강하로인해실제압축기흡입구의압력이여름철온도조건인 7 의포화압력보다낮다. 반면압축기토출구의고압부분은 45 조건보다높게나타난다. 결국실제압축비는등엔트로피압축비보다높게나타난다. Table 4.1은이러한결과를보여준다. R22는실제압축비가등엔트로피압축비보다 5.4% 높게나타나고 R32/R152a는 4.8~6.8% 높게, R32/R134a는 5.9~7.9% 높게나타난다. 혼합냉매는 R22보다높은압축비로인해토출온도는높아지지만온도구배로인한열효율개선으로오히려소요동력은줄어드는것을알수있다.

27 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Table 2.3 Comparison of Ideal and Experimental Pressure Ratio (at summer condition) Refrigerant Ideal P.R. Experimental P.R. R R32/R152a(20/80) R32/R152a(30/70) R32/R152a(40/60) R32/R152a(50/50) R32/R134a(20/80) R32/R134a(30/70) R32/R134a(40/60) Work comp Power Work of compression, kj/kg Evaporating temperature, o C Figure 2.5 Work of compression and power required by an ideal compressor, Refrigerant 22 and 35 condensing temperature

28 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 오일의혼화성 (Miscibility) 압축기의효율적인작동과시스템의효율을위해선적절한오일을선정하는것이중요하다. 오일은윤활작용, 냉각작용, 밀봉작용, 방청작용, 응력 분산작용의기능이있으며적절치못한오일을용해할경우, 베어링의고착, 밸브의파손, 각밀봉부 ( 로터와케이싱, 피스톤과피스톤링, 실린더부 ) 의누설로성능저하와함께수명을단축시킨다. 또한저온영역인증발기부분에서상분리가일어나압축기로의회수가불가능해지며이러한현상은오일이증발기열전달부에잔류되어열전달방해를유발하며, 결국냉동능력을급격히감소시킬수있다. 또한모세관이나팽창밸브를막히게하는요인이된다. (21-27) 오일의기능은다음과같다. 1. 윤활작용 : 마찰표면에유막을형성하여금속간마찰감소. 2. 냉각작용 : 마찰에의해생긴열을순환냉각하여과열방지. 3. 밀봉작용 : 이물질의침입을방지하고압력이누설방지. 4. 방청작용 : 금속표면에형성된유막으로산소나물또는부식성가스와의접촉을방지함으로써산화방지. 5. 응력 분산작용 : 마찰면에걸리는부하를균일하게분산시켜충격및마모를줄이는작용. 물리적특성중중요한것은점도, 점도지수, 각종냉매와의상호용해성, 저온부에서의유동성, 왁스의분리, 수분용해성, 공기용해성, 휘발성, 포밍현상 (foaming) 등이며, 화학적특성에는경계면에서의유막형성능력, 열안정성, 냉매와의반응성, 혼합물과첨가제의영향등이있다. 오일과냉매는적절히혼화되어야하며적정오일량에관한연구는열교환기의적확한해석과압축기의파손을예방할수있다. (28) 오일이냉매에용해되어서로잘혼화된다면증발기에서순수냉매보다낮은증기압을갖게되며소요동력이줄어들어효율이올라갈수있는가능성이있다. 오일은크게광유와합성유로나누어지며광유는 Mineral oil(mo) 이라불리고비극성오일로서비극성물질인 CFC, HCFC 냉매와윤활성이양호하고수분관리에장점을가지고있어시스템순환시특별한관리가없어도된다, 합성유에는대표적으로 Alkyl benzene(ab), Poly alkylen glycol(pag), Poly alpha olefin(pao), Poly ester(poe) 등이있으며극성을띄는 HFC 냉매와잘혼화되는극성합성유이다.

29 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 PAG 오일은혼화성을높이기위해산소분자를넣어개선하였고 POE 오일은염소원자가없어윤활성이떨어지는 HFC 냉매의단점을보완하기위해첨가제를넣어개선을하였다. 하지만 HFC134a에주로쓰이는 PAG는탄화수소냉매와부분적적용이가능하며수분흡수성이높고상분리현상등의문제가있어안정성이높은 POE 오일의사용이요구되었다. (29) 재료의호환성 (Compatibility) HFC 냉매는기존의냉동장치에쓰이는물질들과혼화성이좋은장점이있다. 철, 주철, 황동, 구리, 주석, 납, 알루미늄등대부분의금속재료와호환성이좋다. 하지만최악의온도조건에서는가수분해와열분해를일으켜장치를부식시키고냉매의고유성질을변질시킬수도있다. (29) 고무는 HFC 냉매를흡수하여팽창하며종류에따라서팽창율이달라진다. 냉매를사용할때는팽창율을고려하여고무를선정해야한다. 또한노출된고무의인장강도, 경도, 추출량등다른요인도고려할필요가있으며탄성체와냉매의호환성에관한광범위한연구를 Hamed et al. 이하였다. HFC 냉매는천연고무와호환성이떨어져부식을시키기때문에기밀성을위한패킹재료를선정할시피해야한다. 플라스틱은최소두가지이상의복합재이기때문에냉매와의호환성을예측하기가어렵다. Cavestri가 23 종류의플라스틱, 10 종류의냉매, 7 종류의오일, 17 종류의냉매-오일혼합물을포함하는호환성에대해연구를하였으며 Acrylonitrile butadiene styrene(abs 수지 ), Polyphenylene oxide, Polycarbonate(PC) 세가지가호환이잘되지않는재료임을제시하였다 가연성과독성 (Flammability and Toxicity) 냉매의가연성에는세가지단계가있다. (29-30) Class 1 : 21, 101kPa에서화염이생기지않는다. Class 2 : 21, 101kPa에서희박가연한계 (Lower flammability limit, LFL) 가 0.10kg/m 3 이상이며연소열이 19000kJ/kg 이하이다. Class 3 : 21, 101kPa에서희박가연한계 (Lower flammability limit, LFL) 가 0.10kg/m 3 이하이며연소열이 1900kJ/kg 이상이다.

30 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Class 숫자가커질수록가연성을지니며 R32와 R152a는 Class 2로약간의가연성이있고 R134a는 Class 1로비가연성냉매이다. 가연성이높은냉매는누출을고려하여시스템이환기가잘되는곳에있어야하고이를대비한설계가필요하다. 또한비가연성냉매와혼합하여사용하여가연성을줄일수있다.(94) 냉매의가연성을명확하게분류하기위해서는희박가연한계 (LFL) 에대한자료가필요하다. R32는가연하한농도가 14% 이고가연상한농도가 31% 이고 R152a는가연하한농도가 3.9% 이고가연상한농도가 16.9% 이다. 냉매의독성에는두가지단계가있다. (29) Class A : 400ppm 이하의농도에서독성이검출되지않는다. Class B : 400ppm 미만의농도에서독성이검출된다. R32, R152a, R134a 는 Class A 로모두무독성냉매이며인체에무해하다.

31 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 실험장치 3.1 열펌프설계및제작 이론적해석을통해선정한중 저온용냉동기보충냉매및대체냉매의성능을실험적으로측정하기위해본연구에서는냉매와물이대향류를이루고흐르며압축기등을원하는대로쉽게바꿀수있는가변형냉동기를설계하고제작하여몇가지냉매의성능을측정하였다. (31) Figure 3.1은 HCFC22 대체혼합냉매의성능을측정하기위한냉동기의구성을개략적으로보여준다. 본연구에서는증기압축식냉동기의중요요소인압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기등을조합하여약 3.5kW(1 냉동톤 ) 의용량을낼수있는냉동기를설계, 제작하였다. 본실험에서증발기와응축기로사용한열교환기는내경 19.0mm, 외경 25.4mm, 길이 740mm의이중관형태의동관을 8개씩직렬로연결하여만들었다. Figure 3.2는동관연결부위를상세히보여준다. 증발기와응축기의총길이는각각 5.92m이며내벽면을기준으로한 Figure 3.1 Schematic of the heat pump bench tester

32 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Figure 3.2 Details of the evaporator and condenser connection 열교환기의면적은각각 m 2 이다. 이중관열교환기의내관으로는 2차유체가흐르도록하였으며, 냉매는내관과외관사이의환상공간으로흐르게하였다. 한편혼합매체의특성을살리고열교환을극대화시키기위해열교환기의형태는대향류가되도록하였다. 본실험장치에서는개방형왕복동식압축기를전기모터와인버터에연결하여사용하였다. 본실험의목적은동일한냉동용량하에서 HCFC22와 HFC32/HFC152a, HFC32/HFC134a 혼합냉매의성능을비교하는것이기때문에각각혼합냉매의경우조성에따라용량이변하므로회전수 (rpm) 를변화시켜 HCFC22와동일한냉동용량을낼수있도록하였다. 응축기를통과한냉매가완전히과냉되었는지확인하기위해유리로된가시화장치 (Sight glass) 를설치하였으며팽창밸브전에필터드라이어를설치하여냉매속에있을지도모르는불순물이나수분등을제거하였다. 그리고증발기로들어가는냉매의양과압력을조절하기위해미세조절이가능한수동식팽창밸브를사용하여증발기로들어가는냉매의양과압력을조절하였다. 혼합냉매를충전할때는분리현상을방지하기위해냉매를액상으로충전해야하며이를위해압축기입구뿐만아니라증발기입구에도냉매주입구를만들었다. 냉동사이클의특성상응축기압력은 25기압까지올라갈수있기때문에이와같은고압에서도시스템이견딜수있도록하기위해모든접합부는은납을사용하여용접하였다. 증발기의 2차유체로는에틸렌글리콜이 35wt% 혼합된물-에틸렌글리콜혼합물을사용하였고, 응축기에는물을사용하였다. 물의온도를일정하게맞추기위해응축기에는칠러를사용하였으며, 증발기에는히터를사용하였다. 그리고열교환기의물측입구에는필터를설치하여물속에섞여있을지도모르는불순물을제거하였다. 또한칠러와히터의부하를최소화하기위해응축기에서나오는뜨거운물과증발기에

33 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 서나오는차가운물을열교환시켜각각의용량을줄였다. 본실험에서는열손실을최소화하기위해열교환기외벽에 3 mm 두께의스펀지테이프를두겹으로감고, 그위에 25 mm 두께의단열폼을덮었으며그뒤열교환기전체를 50 mm 두께의유리섬유로덮었다. 3.2 데이터측정 증발기및응축기내에서냉매및물의온도를측정하기위해각각 20개이상의 T-type 열전대를열교환기연결부위의냉매및물이흐르는관속에삽입하였고모든열전대는사용에앞서정도 0.01 의정밀온도계로보정했다. 응축기의냉매와물의온도를측정하기위해서는 T-type 열전대를열교환기표면에부착하였다. 증발기의용량을결정하기위해서는증발기로흐르는 2차유체의유량및온도차를정확히측정해야한다. 2차유체측의온도차를정확히측정하기위해 6개의열전대를연결하여 Thermopile을제작했고이역시정밀온도계로보정한뒤물측입출구에삽입하여직접온도차를측정하였다. 압축기의흡입온도와토출온도도측정하여압축기의안정성이나냉매의혼합비에따른변화도살펴보았다. 한편증발기와응축기의입출구에는모세관을삽입하여압력측정포트를만들었고정도가 3.4kPa 미만인정밀압력변환계를이용하여냉매측압력을측정하였다. 압축기의소요동력은정도가 0.5% 미만인정밀토크미터를이용하여측정하였다. 냉동기의용량을정확히결정하기위해서는증발기측 2차유체의질량유량을정확하게 Table 3.1 Uncertainties of experimental parameters Parameters Uncertainty Temp.(RTD) ±0.01 Temp.(Thermocouple) ±0.1 Pressure ±3.4kPa Mass flow rate ±0.2% Work(Wattmeter) ±0.5%

34 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 측정해야한다. 이를위해본연구에서는코리올리힘의원리를이용하여점도나밀도등유체의물성치에영향을받지않고 0.2% 의고정도를갖는질량유량계를이용하여증발기측 2차유체의유량을정확하게측정하였다. 끝으로온도, 압력, 유량등의데이터는 PC와데이터로깅시스템 (HP3852A) 상호연결하여 15-30초간격으로수집하였으며, 이렇게수집한데이터는 PC의하드디스크에저장하여추후에데이터해석을위한프로그램을이용하여분석할수있게했다. 실험에사용된계측장치의정확도를 Table 3.4에나타내었다. 냉동용량을구하기위해서본연구에서는다음과같은계산식을사용하였다. : : 냉동능력 (kw) 난방능력 (kw) : 증발기로유입되는열전달유체의질량유량 (kg/s) : 응축기로유입되는열전달유체의질량유량 (kg/s) : 열전달유체의비열 (kj/kg ) : 증발기출입구에서의열전달유체의온도차 ( ) : 응축기출입구에서의열전달유체의온도차 ( ) 냉동기의성능계수는다음과같은식으로구하였다. : 냉동기의성능계수 : 압축기의소요동력 (kw)

35 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 실험조건 냉매들의성능을공정하게비교하기위해서는동일한실험조건하에서데이터를취해야한다. 이를위해본연구에서는 HCFC22를대체하기위해선정한 HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매들이냉방조건과난방조건에서 HCFC22를대체하는것이적절한지알아보기위해서기준이되어비교할수있는 HCFC22의실험을앞서수행하여결과를얻었다. 기준이되는시스템의조건은기존의여름철에어컨의냉방온도조건인 7 /45 와겨울철히트펌프의난방온도조건인 -7 /41 이며 2가지온도조건에서 HCFC22의성능을테스트하였다. HCFC22가이러한 2가지온도조건과 3.5kW의냉난방용량을만족할때이것을비교하고자하는시스템으로결정하였고그때의 2차유체의외부온도조건을결정하고비교하기위해정해놓은혼합냉매를 HCFC22의실험조건과동일한조건에적용하여그성능을비교하였다. Table 3.2는본연구에서적용된 2차유체의입구온도와유량조건을나타낸다. 외부유체의입구온도와유량을고정하였으므로실험냉매들의포화온도는열전달계수등에따라조금씩다르며이렇게실험데이터를구해야공정한비교와평가를할수있다. 한편본실험에서증발기출구의과열도와응축기출구의과냉도를각각 5 로그리고그편차는 ±1 로유지했다. Table 3.2 Inlet temperature and mass flow rates of the secondary heat transfer fluid Test condition A (summer) B (winter) ( ) ( ) (g/s) (g/s)

36 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 실험방법 실험방법은다음과같다. 1) 먼저냉매주입구와압축기흡입구에진공펌프를연결하여작동시키고게이지 의압력이더이상떨어지지않는것을확인한뒤약 2 시간가량계속해서작동시켜 시스템의내부를완전히진공상태로만든다. 2) 칠러와히터를작동시킨상태에서 1g의정도를지닌전자저울로냉매의양을측정해가면서조금씩냉매를주입한다. 순수냉매의경우에는기체상태로압축기흡입부로충전하고혼합냉매는증기압이다른두가지이상의냉매이므로증발기입구에서액체로충전한다. 3) 압축기와칠러, 히터를작동시켜시스템을작동시킨다. 압축기는저단부터서서 히작동시켜무리가없도록하고칠러와히터는외부조건에맞도록온도와질량유 량을조절하여설정한다. 4) 팽창밸브를조절하여과열도를 5 로맞추고과냉도는부족할경우냉매를추 가로충전하여 5 를유지하도록한다. 5) 조건과부합하는온도와냉난방용량을만족하게되면시스템을완전히안정적인 상태가되도록 60 분이상작동시켜정상상태에서데이터를취한다. 이결과는 30 초 간격으로 30 분이상데이터를취한다. 3.5 윤활유선정 압축기에들어가는윤활유는냉매와혼합되어시스템내부에서순환하기때문에대체냉매의성능평가시올바른윤활유를선정하는것은매우중요한일이다. 본연구에서는각각의냉매특성에맞추어서 HCFC22에는미네랄오일 (Mineral oil) 을사용하였고 HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a의혼합냉매에는 HFC계냉매와호환성이있는동일점도의 POE 오일을사용하였다.

37 결과및고찰 4.1 실험냉매조성 본연구에서는먼저기준냉매로서 HCFC22의성능을측정하고 HFC32와 HFC152a, HFC134a를각각혼합한네가지조성의비공비혼합냉매의성능을측정하였다. 혼합냉매의조성을결정하기위해 Radermache and Jung (32) 이만든사이클해석프로그램을이용하였으며냉매의물성치는미국의표준연구소에서개발한 Refprop 9.0 (19) 을이용하여구하였다. Table 4.1과 Table 4.2는각각번호에따른혼합냉매조성을나타내고온도구배 (GTD) 와지구온난화지수 (GWP) 를보여준다. 각냉매의조성은 R22를대체하기위해 Table 4.1 R32/R152a mixtures tested in this study Ref. No. Refrigerant (Mass fraction) GTD (Psat at 7 ) GWP 1 HCFC R32/R152a(20/80) R32/R152a(30/70) R32/R152a(40/60) R32/R152a(50/50) Table 4.2 R32/R134a mixtures tested in this study Ref. No. Refrigerant (Mass fraction) GTD (Psat at 7 ) GWP 1 HCFC R32/R134a(20/80) R32/R134a(30/70) R32/R134a(40/60)

38 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 비슷한수준의체적용량을기준으로계산된것이며기존의 R22에비해 GWP가낮기때문에환경적으로개선되었다. 특히 R32/152a는모든조성에서 GWP가 500이하이기때문에친환경적이다. 두혼합냉매모두 GTD가증가하다가감소하는추세를보였으며 R32/R152a와 R32/R134a 모두비공비혼합냉매의특성이잘나타났다. GTD가거의비슷한 R32/R152a의 3번과 5번혼합비율과 R32/R134a의 3번과 4번혼합비율은비슷한경향을보였다. R22와각각혼합냉매를비교하여실험하였으며 R32/R152a와 R32/R134a도비교하여살펴보았다. Table 4.3부터 Table 4.6은모든실험결과를정리한것이다. 대체적으로성능계수 (COP) 는증가하고소요동력은감소하는경향이있다. 토출온도는 R22보다높게나왔으며충전량은감소하는방향으로진행되었다. R32/R134a 겨울철실험은 R134a와 POE 오일이증발기내부에서는저온으로인해혼화성이많이저감된것으로보이며 R134a의혼합비율이증가할수록정상상태에서시스템이운전되지않았다.

39 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Table 4.3 Summary results of test condition A(Summer) for R32/R152a mixtures Refrigerant COP Work(W) T dis( ) RPM Charge(g) HCFC R32/R152a(20/80) R32/R152a(30/70) R32/R152a(40/60) R32/R152a(50/50) Table 4.4 Summary results of test condition B(Winter) for R32/R152a mixtures Refrigerant COP Work(W) T dis( ) RPM Charge(g) HCFC R32/R152a(20/80) R32/R152a(30/70) R32/R152a(40/60) R32/R152a(50/50)

40 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Table 4.5 Summary results of test condition A(Summer) for R32/R134a mixtures Refrigerant COP Work(W) T dis( ) RPM Charge(g) HCFC R32/R134a(20/80) R32/R134a(30/70) R32/R134a(40/60) Table 4.6 Summary results of test condition B(Winter) for R32/R134a mixtures Refrigerant COP Work(W) T dis ( ) RPM Charge(g) HCFC R32/R134a(20/80) R32/R134a(30/70) R32/R134a(40/60)

41 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 R32/R152a 혼합냉매의실험결과 사이클시뮬레이션 대체냉매를실험적으로연구하기전에컴퓨터시뮬레이션을통해실험결과를예측하고분석, 검토하는것이중요하다. 따라서히트펌프에적용할수있는 UA 모델의증기압축식사이클모사프로그램을 (32-33) 를이용해실험을수행할냉매의성능계수 (COP) 와토출온도및소요동력을동일한냉동용량하에서수치적으로예측하였다. 사이클성능분석에서는냉동용량을두가지온도조건에서 1 냉동톤 (3.5 kw) 으로고정하고압축기효율을 80% 로하여실제실증실험에서의조건과유사하게설정하였다. 열역학사이클시뮬레이션은실험을수행하기전에실험결과를상대적으로예측하기위한작업이므로결과에서절대적수치는큰의미가없고변수에따른상대적변화량과경향성에초점을맞추어분석하여야한다. Figures 은사이클모사프로그램을이용해분석한결과를보여준다. 결과에서확인할수있듯이 Table 4.1의조성에서 HFC32/HFC152a 혼합냉매의성능계수는 HFC32의비율이 10% 씩증가할수록 HCFC22에비해최대 10.9% 나높은값을보였다. 압축기토출온도또한 HFC32의비율이높아질수록증가하는경향을보이며 R22에비해최대 10.8 정도높은것으로나타났다.

42 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Figure 4.1 Simulation results of COP for R32/R152a mixtures Figure 4.2 Simulation results of Discharge temperature for R32/R152a mixtures

43 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 성능계수 지구온난화를줄이기위해서는에너지변환장치들의에너지효율이향상되어야한다. 냉동 / 공조기기에서성능계수 (COP) 는특정냉매를주입한장치에서의에너지효율의척도이다. 따라서무엇보다대체냉매를선택할때에는기준유체에대한여러냉매들의성능계수를조사하는것이중요하다. Fig. 8은여름철, 겨울철조건에서취한 HCFC22와 HFC32/HFC152a 혼합냉매의 COP를보여준다. Fig. 8에서볼수있듯이여름철과겨울철조건모두에서 HFC32의비율이 10% 씩증가할수록 COP는증가하는경향을보이며 R22와비교해서최대 15.9% 까지높은것으로드러났다. HFC32의비율이증가할수록 COP가증가하는경향은 Fig. 4에있는열역학사이클모사결과와거의비슷하였다. 실제시스템에서이같이 COP가향상된것은에너지보존차원에서대단히의미가있는결과이다. Figure 4.3 Experimental results of COP for R32/R152a mixtures

44 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 소요동력 에너지효율에가장큰영향을미치는것은압축기소요동력이다. Fig. 6은 HCFC22와체적에따라 RPM을변화시켜가며측정한 HFC32/HFC152a 혼합냉매의소요동력을보여준다. Fig. 6을통해알수있듯이 HFC32의조성이 10% 씩증가할수록소요동력은 R22와비교해서최대 13.7% 나적은것으로나타났다. 또한 HFC32의비율이증가할수록소요동력이더크게감소하는경향을보였다. 이런경향은 HFC32의비율이높아질수록비공비혼합냉매의온도구배 (GTD) 와열전달유체의온도구배가잘매칭이되어성능증대특성이나타났기때문으로판단된다. Fig. 7은증발기에서냉매와열전달유체 (HTF) 의온도분포를보여준다. R22의경우증발기를타고가면서압력강하로인해온도가떨어지다가끝부분에가서과열이되는것으로나타났다. 반면에 R32/R152a 냉매는압력강하에도불구하고온도가꾸준히상승해서외부의열전달유체와평행으로온도매칭이잘되는것을볼수있다. 물론 R32의조성이증가할수록온도구배매칭은더잘되는것을알수있다. 이런현상으로인해 R32의조성이증가할수록압축기소요동력이줄어들고궁극적으로이것이성능계수의증대로이어진것으로보인다.

45 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Figure 4.4 Temperature distribution in the evaporator for R32/R152a mixtures (at summer condition) Figure 4.5 Experimental results of Work for R32/R152a mixtures

46 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 압축기토출온도 대체냉매를적용할때는시스템의수명이나윤활유및냉매의안정성등을반드시고려해야하는데이경우압축기토출온도는간접적으로이런특성을알려주는지표가된다. Fig. 9는혼합냉매들의압축기토출온도를보여준다. Fig. 9를통해알수있듯이 HFC32/HFC152a 혼합냉매의압축기토출온도는 R22에비해최대 15.4 정도높은것으로나타났다. 하지만이정도의변화는시스템장기안정성과내구성에큰문제를일으키지않을것으로보인다. (34) 한편열역학모사결과와마찬가지로실험에서도 HFC32의비율이높아질수록토출온도가증가하는경향을보였다. Figure 4.6 Experimental results of Discharge temperature for R32/R152a mixtures

47 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 냉매충전량 본연구에서는각각의실험조건에대하여응축기끝부분의과냉도와증발기끝부분의과열도가각각 5 로될때의충전량을적정충전량으로결정하였으며 Table 4는이값들을보여준다. Table 4에서볼수있듯이여름철, 겨울철조건에서 HFC32/HFC152a 혼합냉매의충전량은 R22와비교하여 15.6~26.8% 정도줄어드는것으로나타났다. 한편 HFC32의비율이커질수록충전량은증가했는데이는 HFC32의액체밀도가크기때문이다.

48 R32/R134a 혼합냉매의실험결과 사이클시뮬레이션 대체냉매를실험적으로연구하기전에컴퓨터시뮬레이션을통해실험결과를예측하고분석, 검토하는것이중요하다. R32/R134a 시뮬레이션결과도위실험과마찬가지로 UA 모델의증기압축식사이클모사프로그램을 (32-33) 을이용하였으며실험을수행할냉매의성능계수 (COP) 와토출온도및소요동력을동일한냉동용량하에서수치적으로예측하였다. 사이클성능분석에서는냉동용량을두가지온도조건에서 1 냉동톤 (3.5 kw) 으로고정하고압축기효율을 80% 로하여실제실증실험에서의조건과유사하게설정하였다. 열역학사이클시뮬레이션은실험을수행하기전에실험결과를상대적으로예측하기위한작업이므로결과에서절대적수치는큰의미가없고변수에따른상대적변화량과경향성에초점을맞추어분석하여야한다. Figures 은사이클모사프로그램을이용해분석한결과를보여준다. 결과에서확인할수있듯이 Table 4.1의조성에서 HFC32/HFC134a 혼합냉매의성능계수는 HFC32의비율이 10% 씩증가할수록 HCFC22에비해최대 3.9% 나높은값을보였다. 압축기토출온도또한 HFC32의비율이높아질수록증가하는경향을보이며 R22에비해최대 -8.5 정도낮은것으로나타났다.

49 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Figure 4.7 Simulation results of COP for R32/R134a mixtures Figure 4.8 Simulation results of Discharge temperture for R32/R134a mixtures

50 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 성능계수 지구온난화를줄이기위해서는에너지변환장치들의에너지효율이향상되어야한다. 냉동 / 공조기기에서성능계수 (COP) 는특정냉매를주입한장치에서의에너지효율의척도이다. 따라서무엇보다대체냉매를선택할때에는기준유체에대한여러냉매들의성능계수를조사하는것이중요하다. Fig. 8은여름철, 겨울철조건에서취한 HCFC22와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 COP를보여준다. Fig. 8에서볼수있듯이여름철성능계수는 HFC32의혼합비율이 10% 씩증가할수록최대 9.5% 까지높아지는것과달리겨울철성능계수는오히려낮아지는경향이나타나고크기는최대 7% 까지높다. 여름철성능계수는 Fig. 4에있는열역학사이클모사결과와거의비슷하다. 겨울철실험결과도사이클모사와비교하였을때성능계수의향상에대한결과는같지만경향성은반대로나타난다. 이는겨울철실험의증발기쪽온도조건이낮아 POE 오일과 HFC134a 사이에혼화성이떨어져분리가일어난것으로보이며이로인해겨울철실험이정상상태에서안정적으로운전이이루어지지않았고정확한실험결과를얻는데안좋은영향을미친것으로생각된다. Figure 4.9 Experimental results of COP for R32/R134a mixtures

51 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 소요동력 에너지효율에가장큰영향을미치는것은압축기소요동력이다. Fig. 6은 HCFC22와체적에따라 RPM을변화시켜가며측정한 HFC32/HFC134a 혼합냉매의소요동력을보여준다. Fig. 6을통해알수있듯이 HFC32의조성이 10% 씩증가할수록소요동력은 R22와비교해서최대 8.7% 나적은것으로나타났다. 또한 HFC32의비율이증가할수록소요동력이감소하는경향을보였다. 이런경향은 HFC32의비율이높아질수록비공비혼합냉매의온도구배 (GTD) 와열전달유체의온도구배가잘매칭이되어성능증대특성이나타났기때문으로판단된다. Fig. 7 은증발기에서냉매와열전달유체 (HTF) 의온도분포를보여준다. R22의경우증발기를타고가면서압력강하로인해온도가떨어지다가끝부분에가서과열이되는것으로나타났다. 반면에 R32/R134a 냉매는압력강하에도불구하고온도가꾸준히상승해서외부의열전달유체와평행으로온도매칭이잘되는것을볼수있다. 물론 R32의조성이증가할수록온도구배매칭은더잘되는것을알수있다. 이런현상으로인해 R32의조성이증가할수록압축기소요동력이줄어들고궁극적으로이것이성능계수의증대로이어진것으로보인다. 겨울철실험에서역시혼합냉매의특성을보이며관내압력보강이이루어졌지만그효과는미미한수준이며온도구배가잘매칭이되지않았다. 소요동력은전체적으로 3.9~5.8% 정도감소하였고 HFC32의혼합비율이증가할수록커지는경향을나타내었다. 다른혼합냉매와달리소요동력면에서보강은보이지않지만 HFC32 의높은증기압에도불구하고증가율이작은것을감안할때어느정도동력의보강은이루어진것으로판단된다.

52 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 Figure 4.10 Temperature distribution in the evaporator for R32/R134a mixtures (at summer condition) Figure 4.11 Experimental results of Work for R32/R134a mixtures

53 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 압축기토출온도 대체냉매를적용할때는시스템의수명이나윤활유및냉매의안정성등을반드시고려해야하는데이경우압축기토출온도는간접적으로이런특성을알려주는지표가된다. Fig. 9는혼합냉매들의압축기토출온도를보여준다. Fig. 9를통해알수있듯이 HFC32/HFC134a 혼합냉매의압축기토출온도는 R22에비해최대 10.9 정도높은것으로나타났다. 하지만이정도의변화는시스템장기안정성과내구성에큰문제를일으키지않을것으로보인다. (34) 한편열역학모사와비교하였을때 HFC32의비율이높아질수록토출온도가증가하는경향은동일하지만전체적으로 HCFC22의토출온도보다낮은것에비하여높게나타났다. 이러한결과를바탕으로 HFC32/HFC134a 혼합냉매가 POE 오일과의혼화성이부족하여압축시에불안정성이높아져전체적으로토출온도가높은것으로판단된다. Figure 4.12 Experimental results of Discharge temperature for R32/R134a mixtures

54 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 냉매충전량 본연구에서는각각의실험조건에대하여응축기끝부분의과냉도와증발기끝부분의과열도가각각 5 로될때의충전량을적정충전량으로결정하였으며 Table 4는이값들을보여준다. Table 4에서볼수있듯이여름철, 겨울철조건에서 HFC32/HFC134a 혼합냉매는 HCFC22보다낮은액체밀도에도불구하고충전량이더많았고 HCFC32의비율이커질수록충전량이감소하면서 HCFC22와비교하여 1.3~5.1% 정도줄어드는것으로나타났다. 한편 HFC32의비율이커질수록충전량은감소하는데이는 HFC32의액체밀도가 HFC134a 보다작기때문이다.

55 HFC32/HFC152a 와 HFC32/HFC134a 혼합냉매히트펌프성능평가 결론 본연구에서는 HCFC22를대체할수있는 7가지의혼합냉매를선정하여그성능을측정했다. 이를위해인버터와연결된개방형왕복동식압축기를장착한수냉식벤치테스터를설계 제작하였다. 그리고기준이되는냉매인 HCFC22의증발기와응축기내냉매의포화온도가기존의여름철에어컨의냉방온도조건인 7 /45, 겨울철히트펌프의난방온도조건인 -7 /41 가되는 2차유체의 2가지입구온도및유량조건하에서실험냉매들의성능을측정하고특성을분석하여다음과같은결론을얻었다. (1) HFC32/HFC152a 혼합냉매의소요동력은 HCFC22와비교하여최대 13.7% 의감소를보였고 HFC32의비율이높아지면서열전달유체와의온도구배매칭이잘이루어지면서소요동력이더욱감소하였다. HFC32/HFC134a 혼합냉매의소요동력은 HCFC22와비교하여최대 8.7% 의감소를보였고여름철은온도구배매칭이잘이루어졌으나겨울철은증발기쪽에생기는저온의영향으로인해혼화성이더떨어지게되어매칭이잘이루어지지않은것으로판단된다. (2) R32의조성을 10% 씩변화시키면서측정한 HFC32/HFC152a 혼합냉매의성능계수는 HCFC22와비교해최대 15.8% 의향상을보였으며 HFC32/HFC134a 혼합냉매성능계수도최대 9.4% 증가하였다. 따라서 HFC32/HFC152a와 HFC32/ HFC134a 혼합냉매는에너지효율측면에서 HCFC22에비해뛰어난것으로나타났다. (3) HFC32/HFC152a 혼합냉매의압축기토출온도는 HCFC22 와비교하여최대 15.4 높았고 HFC32/HFC134a 혼합냉매의토출온도도최대 10.9 높은것으로 나타났다. (4) HFC32/HFC152a 혼합냉매의냉매충전량은 R22와비교하여 15.6~26.8% 정도줄어들었고액체밀도가큰 HFC32의비율이커질수록증가하였다. HFC32/ HFC134a는 HCFC22와크게차이가없었고 HFC134a에비해액체밀도가작은 HFC32의비율이커질수록충전량이감소하였다.

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