工學碩士學位請求論文 HCFC22 대체자연냉매의성능평가 Performance of HCFC22 Alternative Natural Refrigerants for Air-conditioning and Heat Pump Applications 2006 年 2 月 仁荷大學校大學院 機械工學科 ( 熱및流體工學專攻 ) 黃智渙
Performance of HCFC22 Alternative Natural Refrigerants for Air-conditioning and Heat Pump Applications 2006 年 2 月 指導敎授鄭東壽 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校大學院 機械工學科 ( 熱및流體工學專攻 ) 黃智渙
이論文을黃智渙의碩士學位論文으로認定함 2006 年 2 月 主審 副審 委員
- i - 요약문 본연구의목적은냉동및공조설비에서매우중요하게사용해온 HCFC22가 CFC에비해서는오존층붕괴지수가낮지만여전히오존층을붕괴시킬가능성이크기때문에 HCFC22를탄화수소와 HFC계열의혼합냉매들로대체하려는데목적이있다. 본연구에서는혼합냉매의성능을실험하고자냉매와물이대향류가되도록설계한히트펌프를제작하여 40개이상의열전대와 4 부분의압력작동유체의질량유량그리고압축기에들어가는일을측정하였다. 혼합냉매의선정과혼합비의선정은컴퓨터시뮬레이션으로얻은데이터를이용하여가장타당하다고생각되는것들을취하였으며, 본연구에사용된혼합냉매로는자연냉매인 R290(Propane), R1270(Propylene) 과 HFC계열의냉매인 R152a 그리고 RE170(DME, Dimethyl ether) 을사용하였다. 실험은공조기및열펌프의냉방조건을기준으로하여과열도는 5 (±1 ) 과냉도는 5 (±1 ) 를유지하였다. 실험한모든냉매들조성의성능계수는 R22 보다좋거나비슷했다. 45%R1270/40%R290/15%RE170로이루어진 3중혼합냉매의경우에성능계수와냉동능력에있어서 R22보다 5.7% 높아가장높은성능계수의향상을보였다. R290과 20%R1270/80%R290 혼합한유체는각각 R22 보다 11.5% 와 6.6% 낮은냉동용량을보였고, 다른유체들은 R22와비슷한용량을나타내었다. 본연구에서실험한모든대체혼합냉매의압축기토출온도는 R22에비해 11.2~17.3 낮게나타나시스템의안정성이나수명에는 R22보다모두좋은것으로나타났다. 또한모든냉매들의충전양은탄화수소의특유의저
- ii - 밀도액체특성에의거하여 R22 보다최대 55% 까지감소되었다. 본연구에서사용된모든냉매는오존층붕괴를일으키지않고지구온난화지수가 60이하로친환경적이므로앞으로지구온난화문제를해결할수있는장기적대체냉매라할수있다.
- iii - ABSTRACT In this study, performance of 2 pure hydrocarbons and 7 mixtures was measured in an attempt to substitute HCFC22 used in air-conditioners and heat pumps. The mixtures were composed of R1270 (propylene), R290(propane), HFC152a, and RE170(Dimethyl ether, DME). The pure and mixed refrigerants tested have GWPs of 3~58 as compared to that of CO 2 and the mixtures are all near-azeotropic showing the gliding temperature difference (GTD) of less than 0.6. Thermodynamic cycle analysis was carried out to determine the optimum compositions and actual tests were performed in a laboratory heat pump test bench at the evaporation and condensation temperatures of 7.5 and 45.1, respectively. Test results show that the coefficient of performance (COP) of these mixtures is up to 5.7% higher than that of HCFC22. While propane showed 11.5% reduction in capacity, most of the fluids tested had the similar capacity to that of HCFC22. Compressor discharge temperatures were reduced by 11~17 with these fluids. There was no problem with mineral oil since the mixtures were mainly composed of hydrocarbons. The amount of charge was reduced up to 55% as compared to HCFC22. Overall, these fluids provide good performance with reasonable energy savings without any environmental
- iv - problem and thus can be used as long term alternatives for residential air-conditioning and heat pumping application.
- v - 기호 설명 COP Coefficient of performance C p HTF specific heat [kj/kg ] GWP Global Wanning Potential h Enthalpy [kj/kg] m HTF mass flow rate [kg/s] P Pressure [kpa] Q e Evaporating capacity [Watt] Q c Condensing capacity [Watt] s Entropy [kj/kg ] T Temperature [ ] T amb Ambient temperature [ ] T c, avg. Average condenser temperature [ ] T dis. Compressor discharge temperature [ ] T e, avg. Average evaporator temperature [ ] TP Thermopile [ ] W comp Compressor Work [Watt] 표 목차 표 1 몬트리얼의정서제 5 조국에대한 ODS 폐기일정 표 2 실험냉매들의조성, 온도구배및 GWP 표 3 HCFC22 대체냉매의실험결과
- vi - 그림 목차 그림 1 비공비혼합냉매의온도-조성선도 (R22/R114) 그림 2 이상적 Carnot 사이클및 Lorenz 사이클그림 3 Breadboard 형태의대체냉매실험장치그림 4 증발기및응축기연결부위그림 5 실험냉매들의냉동능력그림 6 실험냉매들의냉동능력변화그림 7 실험냉매들의성능계수그림 8 실험냉매들의성능계수변화그림 9 실험냉매들의소요동력그림 10 실험냉매들의압축기토출온도
- vii - 목차 요약문 ⅰ ABSTRACT ⅲ 기호설명 ⅴ 표목차 ⅴ 그림목차 ⅵ 목차 ⅷ 1. 서론 1 2. 이론적배경 6 2.1 혼합냉매의필요성및특성 6 2.2 탄화수소냉매의장점 9 3. 실험장치제작 10 3.1 열펌프설계및제작 10 3.2 데이터측정 13 3.3 실험조건 15 3.4 실험방법 15 3.5 실험냉매조성 17 3.6 윤활유선정 19 4. 결과및고찰 20 5. 결론 29 6. 참고문헌 31
1 1. 서론 한때는 기적의유체 라불리던염화불화탄소 (CFC) 및수소화염화불화탄소 (HCFC) 들은우수한열역학적, 화학적성질들과높은안정성때문에지난반세기동안냉동공조분야를비롯해서전자제품세정, 단열재합성, 각종에어로솔의분사기체용등우리의일상생활과밀접한관계를맺고있는여러분야에서널리사용되어왔다. 그러나 1970년대중반에 CFC들이대기권에서분해되지않은채오랜기간체류하여지구의오존층을붕괴한다는사실이알려지면서부터사람들이이들에대해경각심을갖게되었고, 급기야 1987 년에는미국및구주공동체를포함한 23개국이오존층을붕괴시키는 CFC의생산, 무역, 사용을규제하기위한몬트리얼의정서에조인을했다. (1,2) 그결과 CFC 및 HCFC를사용해오던냉동및공조산업계는큰영향을받게되었고, 미국을비롯한여러선진국들은 CFC 및 HCFC를성공적으로대체하기위해많은노력을기울여왔고계속해서새로운물질들을개발해왔다. CFC 대체가한참거론되면서지구온난화문제역시심각한환경문제로급속도로부상하기시작했다. 지구온난화현상은화석연료를사용할때발생하는이산화탄소가주원인이며, 이온난화현상을완화시킬수있는방도를강구하기위해 1992년 6월브라질의리우데자네이로에서는사상최대의국제환경회의가열렸고, 1997년에는일본의교토에서국제회의가열린바있다. (3,4) 한국은이미 1992년 2월에몬트리얼의정서에제5조국으로가입했고, 따라서현재 CFC 사용과생산의규제를받고있으며조만간이산화탄소발생량의규제도받게되리라본다. 표 1은몬트리얼의정서의제5조국에대한 CFC 및 HCFC 폐기일정을보여준다. 이일정에따라 1999년에는 CFC 사용량을동결시켜야하고 2005년에는
2 CFC 사용량의 50% 를감축시켜야한다. 한국경제의수출의존도가 높은점을감안해볼때, 이같은환경규제에묶여수출량과품목 이줄어든다는것은한국경제에큰타격이될것이다. 표 1 몬트리얼의정서제 5 조국에대한 ODS 폐기일정 연도 조치 1999 년 7 월 1 일 부속서 A 의 CFC 를 1995-1997 년도수준으로동결 2002 년 할론을 1995-1997 년수준으로동결 메틸브로마이드를 1995-1998 년수준으로동결 2003 년 부속서 B 의 CFC 를 1998-2000 년수준에서 20% 감축 메틸클로로폼을 1998-2000 년수준에서동결 2005 년 부속서 A 의 CFC 와할론을 1995-1997 년도수준에서 50% 감축 메틸클로로폼을 1998-2000 년수준에서 30% 감축 2007 년 부속서 A 와 B 의 CFC 를 1995-1997 년수준과 1998-2000 년수준에서 85% 감축 2010 년 CFC, 할론, 사염화탄소 100% 전폐 메틸클로로폼을 1998-2000 년수준에서 70% 감축 2015 년 메틸클로로폼을 100% 전폐 2016 년 HCFC 를 2015 년수준에서동결 2040 년 HCFC 전폐
3 따라서현시점에서는 CFC와 CO 2 로인한에너지및환경문제를효과적으로다룰수있는기술개발이절실히요구되고있다. 한편이런기회를통해서우리나름대로의독자적인대체냉매생산및이용기술을개발해서다른선진국들과동등하게시장경쟁을할수있다는사실은이러한환경규제가가져다준긍정적인면이라할수있을것이다. 된다. 따라서우리나라가 HCFC22 대체냉매산업에성공적으로참여하여외국들과의경쟁에서이기기위해서는냉매의생산못지않게기본적인성능실험에관한연구도수행하여야만한다. 이를위해서는우리나라고유의혼합냉매를실제의냉동시스템에충전하여실제조건하에서실험적으로성능을측정하고비교하는것이매우중요하다. 표 1은 1993년도말에통과된미국의 HCFC 감소계획을보여준다. (4) 지난 5년간공조산업계는 HCFC22를대체할수있는물질에대한연구를진행해왔고, 새로운상업용기기의경우에는 HFC134a가 HCFC22를대체할수있는강력한후보로떠오르고있다. 반면에상업용과가정용공조기의경우에는미국냉동공조학회 (ASHRAE) 에서공식적으로 R410A로명명한혼합냉매 (50%HFC32/50%HFC125, Allied Signal사의 AZ20) 와 R407C로명명한혼합냉매 (23%HFC32/25%HFC125/52%HFC134a DuPont사의 AC9000) 가시장에나와있다. (5) 이중에서 R410A는 GTD가 0.2 미만인근공비혼합매체로서전통적인냉매충진방법을적용할수있을뿐만아니라장비의소형화에대한잠재성과시스템효율이향상될가능성을지니고있어매우매력적이다. 그러나이냉매의증기압은 HCFC22의증기압보다무려 60% 정도높기때문에설비제조업체들은압축기의재설계 ( 소형화 ) 와관벽의두께강화, 강인한용접을위한고압용기의사용등으로인한제조비용의증가와체적용량의증대로인한제조비용의감소가어떻게경제적으로서로상쇄될수있는가를연구하여이대체냉매의사용을결정해야만한다. R410A의등엔트로피효율은 HCFC22에비해상대적으로낮은것으로알려져있지만마찰의
4 감소및밀도의증가로인한압력손실의감소가등엔트로피효율의감소를상쇄시킬수있으므로, 이냉매를사용하는시스템의효율은 HCFC22보다클것으로전문가들은추측하고있다. (5-6) 반면에 R407C는 6 정도의온도구배를지닌비공비혼합매체로서 HCFC22와비슷한증기압을내며, 따라서별도로현행장비를크게수정하지않고서도이를적용할수있다는장점을갖고있다. 그러나비공비혼합냉매이므로시스템누설이있는경우에는분리현상이발생하여냉매를보충하는데문제가있고또한질량전달저항으로인해열전달계수가감소하므로열교환기의성능저하가우려된다. 한편최근 HFC 역시지구온난화가스로밝혀짐에따라교토의정서에서 HFC 사용을제한하도록제안되었다. (4) 따라서많은 EU 국가들은공기조화기와히트펌프에서 HFC의사용을금지하는것을고려하고있다. (7) 예를들면, 덴마크는 2001년부터 HFC 사용을줄이기시작했고, 2007년부터는새로운장비에는 HFC를사용하지않도록하는규제를제안하였으며 HFC와에스테르오일사용에대한강력한규제사항을만들었다. 또한장기적으로는지구온난화지수 (GWP) 가 150 이하인냉매들만을냉동 / 공조기에사용할것을법으로규정하려하고있다. (8) HFC 사용규제로인한문제들을풀기위한해결책가운데하나는탄화수소같은자연냉매를사용하는것이다. 지난몇세기동안탄화수소는안전성때문에대부분의냉동기와공기조화기에사용이금지되었지만탄화수소의환경친화성, 비독성, 화학적안정성그리고기존의미네랄오일과의호환성등의좋은특징때문에요즘에는이런경향이완화되고있고특히 EU 국가와호주등에서는이것들의사용이급격히증가하고있다. (9-10) 현재 EU 국가들과일본, 한국, 중국, 인도등에서는탄화수소중하나인 R600a(Isobutane) 를가정용냉동 / 냉장고에사용하고있고유럽에서는가정용에어컨, 히트펌프, 상업용자판기등에 R290(Propane) 과 R1270(Propylene) 을사용하고있다. 이에따라본연구에서는 ODP가 0이고 GWP가 3 이하인 2개의
5 순수탄화수소냉매 R290(Propane), R1270(Propylene) 의성능을측정하고동시에이냉매들과 HFC152a, RE170(Dimethyl ether, DME) 를각기공비혼합물에가까운조성으로혼합한 (GWP 60 이하 ) 혼합냉매의성능을측정하고특성을비교 / 분석하였다.
6 2. 이론적배경 2.1 혼합냉매의필요성및특성 현재까지는 HCFC22를성공적으로대체할수있는순수냉매가발견되지않았다. 따라서이미개발된순수냉매들을혼합한혼합냉매들이앞으로냉동 / 공조기에서 HCFC22를대체할것으로전망되고있다. 이같은시점에서오존층붕괴도일으키지않으며, 에너지를절감해서지구온난화현상도완화시킬수있는냉매들이절실하게요구되고있고, 이러한대체냉매들의한종류로서각광을받고있는것들이바로 비 ( 非 ) 오존층붕괴 순수냉매들을혼합한혼합냉매들인것이다. 혼합냉매들의특징은아래와같다. 1. 열효율의개선가능성 (10% 정도 ) 2. 오존층붕괴지수없음 3. 지구온난화지수낮음 4. 냉동 / 공조기를크게변화시키지않고도이들을적용할수있음 5. 이미생산이되어오고있고, 다른물질및기존냉동유와의호환성이있음 위에열거된특성들때문에비공비혼합냉매 (Non-azeotropic refrigerant mixtures, NARMs) 들은냉동 / 공기조화분야에서에너지효율을현저하게높일수있는방안중의하나로서부각되어왔고, 외국의경우에는여러연구소에서이들의열역학적특성에대해많은연구를진행해왔다. (6,11-14) NARMs는등압상태에서증발이일어날때순수냉매와는달리증발온도가올라가며반대로응축시에는응축온도가감소하게
7 된다. 이와같은특이한현상은 온도구배현상 (Gliding temperature phenomenon) 이라불린다. 혼합냉매들의증발이시작되는점과끝나는점간의온도차이를 온도구배차 (Gliding temperature difference, GTD) 라고하며, 이 GTD는선택된혼합냉매의종류와조성에따라변한다. 그림 1은이같은전형적인비공비혼합냉매의온도-조성선도로서비공비혼합냉매의특징을잘보여주고있다. 증기압축식사이클에의해작동되는냉동 / 공조기는 Heat source 와 Heat sink 로서공기나물등의 열전달매체 (Heat transfer fluid) 를필요로한다. 그림 2는온도-엔트로피 (Temperature-entropy) 선도상에이상적인 Carnot cycle 및 Lorenz cycle을보여주고있다. Carnot cycle에서작동되는순수냉매의경우에는열교환기의한쪽끝에반드시 Pinch point가생기게되고, 따라서 Pinch point가생기지않는다른쪽에는냉매와열전달매체간의온도차가필요이상으로커지게되므로결국열교환시에많은양의엔트로피가형성된다. 그러나비공비혼합냉매를사용하는경우에는, 그림 2에서 Lorenz cycle이보여주는것처럼, 사용자가냉매와열전달매체의온도를평행이되도록조절해줄수있다. 따라서두매체간의온도차가줄어들므로 열역학적인비가역성 (Thermodynamic irreversibility) 이줄어들게되고, 결국열교환효율의증대가이루어진다. 그러나이렇게유체들의온도가평행이되도록하려면반드시 대향류열교환기 (Counter-current heat exchangers) 를사용해야만한다. 비공비혼합냉매를사용하는 Lorenz cycle의경우에는, 열교환효율의증대뿐만아니고 압축기가필요로하는일 (Compression work) 역시 Carnot cycle에비해줄어들게된다 ( 그림 2의빗금친부분 ). 따라서비공비혼합냉매를사용하게되면, 냉동기의성적계수 (COP) 가많게는 30-40% 까지도증가할수있다.
8 그림 1 비공비혼합냉매의온도-조성선도 (R22/R114) 그림 2 이상적 Carnot 사이클및 Lorenz 사이클
9 2.2 탄화수소냉매의장점 탄화수소는친환경적인냉매로요즘가장각광을받는냉매이다. 탄화수소계열의냉매에는 R290(Propane), R1270(Propylene), R600a(Iso-butane) 등이있으며, 이런탄화수소계열냉매의장점은다음과같다. (15) 1. ODP가 0이다. 2. GWP가굉장히낮다. 3. 독성이없다. 4. 기존냉동유인광유와용해성및혼화성이좋다. 5. 냉동장치에쓰이는물질들과호환성이좋다. 6. 가격이저렴하다. 7. 비체적이커냉매봉입량을줄일수있다. 위와같은장점등으로탄화수소를냉매로이용한소형냉장고적용연구가활발하게진행되어왔고, 성능실험은물론이고, 안정성실험까지마친상태이다. 이런연구결과를토대로유럽에서는 Color라는냉매제조회사에서 Care시리즈를시판중이고, 유럽가정용냉장고의약 30% 정도가탄화수소를적용한냉장고로시판되고있는중이다. 또한기존의냉동유인광유와의용해성및혼화성이나쁜 HFC계열의냉매들도약 5% 이상의탄화수소와혼합한결과광유와의용해성및혼화성이현저하게향상된다는연구결과도있고, 이러한연구결과들이탄화수소혼합냉매의사용을증진시키고있다. (16,17)
10 3. 실험장치 3.1 열펌프설계및제작 이론적해석을통해선정한중저온용냉동기보충냉매및대체냉매의성능을실험적으로측정하기위해본연구에서는냉매와물이대향류를이루고흐르며압축기등을원하는대로쉽게바꿀수있는가변형냉동기를설계하고제작하여몇가지냉매의성능을측정하였다. (18) 그림 3은 HCFC22 대체혼합냉매의성능을측정하기위한냉동기구성도를개략적으로보여준다. 본연구에서는압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기등을조합하여약 3.5kW(1 냉동톤 ) 의용량을낼수있는냉동기를설계, 제작하였다. 본실험에서증발기와응축기로사용한열교환기는내경 19.01mm, 외경 25.4mm, 길이 740mm의이중관형태의동관을 8개씩직렬로연결하여만들었다. 그림 4는동관연결부위를상세히보여준다. 증발기와응축기의총길이는각각 5.92m이며내벽면을기준으로한열교환기의면적은각각 0.3536m 2 이다. 이중관열교환기의내관으로는 2차유체가흐르도록하였으며, 냉매는내관과외관사이의환상공간으로흐르게하였다. 한편혼합매체의특성을살리기위해열교환기의형태는대향류가되도록하였다. 본실험장치의압축기로는왕복동식압축기 (Bock사) 를사용하였고, 증발기로들어가는냉매의양과압력을조절하기위해미세조절이가능한수동식팽창밸브를사용하였다. 응축기를통과한냉매가완전히과냉되었는지확인하기위해유리로된가시화장치를설치하였으며팽창밸브전에필터드라이어를설치하여냉매속에있을지도모르는불순물이나수분등을제거하였다.
11 Water Chiller Water Heater 그림 3 Breadboard 형태의대체냉매실험장치 그림 4 증발기및응축기연결부위
12 혼합냉매를충전할때는분리현상을방지하기위해냉매를액상으로충전해야하며이를위해압축기입구뿐만이아니라증발기입구에도냉매주입구를만들었다. 냉동사이클의특성상응축기압력은 25기압까지올라갈수있기때문에이같은고압에서도시스템이견딜수있도록하기위해모든접합부는은납을사용하여용접하였다. 한편 2차유체로는증발기및응축기쪽모두물을사용하였고, 혼합액의온도를일정하게맞추기위해응축기에는칠러를사용하였으며, 증발기에는히터를사용하였다. 그리고열교환기의물측입구에는필터를설치하여물속에섞여있을지도모르는불순물을제거하였다. 또한칠러와히터의부하를최소화하기위해응축기에서나오는뜨거운혼합액과증발기에서나오는차가운혼합액을열교환시켜각각의용량을줄였다. 본실험에서는열손실을최소화하기위해열교환기외벽에 3mm 두께의스펀지테이프를두겹으로감고, 그위에 25mm 두께의단열폼을덮었으며그뒤열교환기전체를 50mm 두께의유리섬유로덮어단열시켰다.
13 3.2 데이터측정 증발기및응축기내에서냉매및물의온도를측정하기위해각각 20 개이상의 T-type 열전대를열교환기연결부위의냉매및물이흐르는관속에삽입하였고모든열전대는사용에앞서정도 0.01 의정밀온도계로보정했다. 증발기의용량을결정하기위해서는증발기로흐르는 2차유체의유량및온도차를정확히측정해야한다. 2차유체측의온도차를정확히측정하기위해 6 개의열전대를연결하여 Thermopile을제작했고이역시정밀온도계로보정한뒤물측입출구에삽입하여직접온도차를측정하였다. 압축기의흡입온도와토출온도도측정하여압축기의안정성이나냉매의혼합비에따른변화도살펴보았다. 한편증발기와응축기의입출구에는모세관을삽입하여압력측정포트를만들었고정도가 0.1% 미만인정밀압력변환계를이용하여냉매측압력을측정하였다. 압축기의소요동력은정도가 0.5% 미만인정밀토크미터를이용하여측정하였다. 냉동기의용량을정확히결정하기위해서는증발기측 2차유체의질량유량을정확하게측정해야하며냉매측및 2차유체측의에너지균형이맞는가를살펴보기위해서는냉매측의유량을측정해야한다. 이를위해본연구에서는코리올리스힘의원리를이용하여점도나밀도등유체의물성치에영향을받지않고 0.2% 의고정도를갖는질량유량계를이용하여증발기측 2차유체의유량과시스템내부를순환하는냉매의유량을정확하게측정하였다. 끝으로온도, 압력, 유량등의데이터는 PC와 HP3852 Data Logger를상호연결하여 15-30초간격으로수집하였으며, 이렇게수집한데이터는 PC의하드디스크에저장하여추후에데이터해석을위한프로그램을이용하여분석할수있게했다.
14 냉동용량을구하기위해서본연구에서는다음과같은계산식을사용하였다. Q e = mċ pδt Q e : 냉동능력 (kw) m : 증발기로유입되는열전달유체의질량유량 (kg/s) C p : 열전달유체의비열 (kj/kg ) ΔT : 증발기출입구에서의열전달유체의온도차 ( ) 냉동기의성능계수는다음과같은식으로구하였다. COP = Q e W comp COP : 냉동기의성능계수 W comp : 압축기의소요동력 (kw)
15 3.3 실험조건 냉매의성능을공정하게비교하기위해서는동일한실험조건하에서데이터를취해야한다. 이를위해본연구에서는공조기및열펌프의냉방실험조건하에서모든실험을진행했다. 실험조건으로는증발기물측온도는 21.6 와 10.5 로고정하였으며, 응축기측물의입출구온도는 35.0 와 43.2 로고정하였다. 이렇게설정하면대부분의실험냉매들에대해증발기및응축기의포화온도가각각. 7.5 와 45.1 가된다. 외부유체온도를고정하였으므로실험냉매들의포화온도는열전달계수등에따라조금씩다르면이렇게실험데이터를구해야공정한비교와평가를할수있다. 한편증발기출구의과열도와응축기출구의과냉도를각각 5 로, 그리고그편차는 ±1 로유지하였다. 3.4 실험방법 실험방법은다음과같다. (1) 먼저냉매주입구와압축기흡입구에진공펌프를연결하여작동시키고게이지의압력이더이상떨어지지않는것을확인한뒤약 2시간가량계속해서작동시켜시스템의내부를완전히진공으로만든다. (2) 칠러와히터를작동시킨상태에서 0.1g의정도를지닌전자저울로냉매의양을측정해가면서조금씩냉매를주입한다. 순수냉매의경우에는기체상태로압축기흡입부로충전하고혼합냉매의경우에이미제조사에서혼합시켜용기에담겨있을때는증발기입구에서액체로충전한다.
16 (3) 팽창밸브를조절하여과열도와과냉도를맞추어가면서위에서언급한실험조건에맞추어실험을수행한다. (4) 시스템이 60분이상정상상태에다다르면 30초간격으로 30 분이상데이터를취한다.
17 3.5 실험냉매조성 본연구에서는 HCFC22를효과적으로대체하기위해 HCFC22를기준으로하여증기압이비슷한탄화수소자연냉매인 R1270(Propylene) 와 R290(Propane) 의성능실험을우선시행하였다. 그리고 2개의순수하이드로카본냉매와 HFC152a, RE170(Dimethyl ether) 를포함한혼합냉매를근공비점에서조성을선택하여성능평가를실행하였다. (6) 대체혼합냉매의조성을결정하기위해 Radermacher and Jung (19) 이만든사이클해석프로그램을이용하였으며냉매의물성치는미국의표준연구소에서개발한 REFPROP 6.0 (20) 을이용하여구하였다. 이들에대한조성및온도구배, GWP 등은표 2에나타나있다. 본연구에서는우선 HCFC22를성능실험을실행하였고, 순수냉매로는 Propylene, Propane 만을실험했고, 6 개의 2원혼합냉매와 1 개의 3원혼합냉매의성능을측정했다.
18 표 2 실험냉매들의조성, 온도구배및 GWP Ref. No. Refrigerant (Mass fraction) GTD (P=0.3 MPa) GWP 1 HCFC22 0.11 1700 2 R290(Propane) 0 <3 3 R1270(Propylene) 0 <3 4 20%R1270/80%R290 0.41 <3 5 50%R1270/50%R290 0.57 <3 6 80%R1270/20%R290) 0.21 <3 7 60%R290/40%R152a 5.01 57.8 8 71%R290/29%R152a 8.5 42.7 9 75%R290/25%R152a 5.8 37.3 10 45%R1270/40%R290/15%DME 1.92 <3
19 3.6 윤활유선정 압축기에들어가는윤활유는냉매와혼합되어시스템내부에서순환하기때문에대체냉매의성능평가시올바른윤활유를선정하는것은매우중요한일이다. 그러나본연구에서는가능한한기존의압축기나윤활유를바꾸지않아도되는냉매를선정하는데초점을맞추었으므로기존에 HCFC22 시스템에사용되어온미네랄오일을그대로사용했다.
20 4. 결과및고찰 본연구에서는왕복동식압축기를사용하는수냉식벤치테스터에서 HCFC22와두종류의탄화수소순수냉매, 탄화수소냉매와 HFC152a, RE170(Dimethyl ether, DME) 로구성된 7개의혼합냉매의성능을측정하였다. 모든냉매에대해최소한 2번씩반복실험을수행해서각각의편차가 1% 미만이되는것을확인하여데이터로간주했다. 표 3은본연구에서사용한냉매들의각종측정지수들을보여준다.
21 표 3 HCFC22 대체냉매의실험결과 Ref. No. COP Qe (W) T dis. ( ) Charge (g) T e,avg. ( ) T c,avg. ( ) 1 3.78 3600 80.2 1170 6.9 44.8 2 3.85 3187 63.0 520 7.7 44.9 3 3.75 3808 69.1 540 7.4 45.0 4 3.90 3362 63.8 525 7.7 45.2 5 3.91 3589 65.5 550 7.4 45.1 6 3.92 3729 67.4 530 7.5 45.0 7 3.84 3572 64.9 630 7.6 45.2 8 3.91 3533 64.4 600 7.5 45.3 9 3.91 3527 64.6 600 7.5 45.3 10 3.99 3551 67.5 540 7.5 45.2
22 4.1 냉동능력 냉동능력은냉동 / 공조기에서성능계수만큼중요하다. 대체냉매와비교해냉동능력이큰차이를보인다면압축기를다시설계해야만하기때문이다. 그림 5 와그림 6은실험한여러냉매들과 HCFC22의냉동용량차이를보여준다. R290(Propane) 은 HCFC22에비해 11.5% 낮은용량을가진것으로나타났고, R1270(Propylene) 은 5.8% 높은용량을가지고있다. 다른모든혼합냉매들은 HCFC22와비슷한용량을가지고있고, 다섯번째와일곱번째냉매는 HCFC22와거의같은용량을가지고있다.
23 5000 4000 Qe(W) 3000 2000 1000 0 그림 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigrerants 실험냉매들의냉동능력 8 4 Change in Qe(%) 0-4 -8-12 그림 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigerants 실험냉매들의냉동능력변화
24 4.2 성능계수 지구온난화를줄이기위해서는냉동 / 공조기의에너지변환장치들의에너지효율즉성능계수는향상되어야한다. 그림 7 과그림 8 는실험한여러냉매의성능계수와 HCFC22와비교한성능계수의변화량을보여준다. 이그림들에서볼수있듯이모든대체냉매들은세번째냉매가 HCFC22보다 0.7% 낮은것을제외하면, HCFC22보다최대5.7% 까지높다. 이런결과는실험한모든유체는에너지효율측면에서 HCFC22의대체냉매가될수있다는것을보여준다.
25 5 4 COP 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigerants 그림 7 실험냉매들의성능계수 6 Change in COP(%) 4 2 0-2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigerants 그림 8 실험냉매들의성능계수변화
26 4.3 소요동력 소요동력은에너지효율에있어서고려해야할사항이고, 대체시스템의안정성에도영향을미치는사항이다. 그림 9은본연구에서실험한냉매들의소요동력을나타낸것이다. 세번째냉매는 Propylene으로냉동능력은크나소요동력또한증가를하게되어다른냉매들과비슷한성능계수를나타낸다. 전체적으로증기압이낮은냉매들이많이들어갈수록소요동력은작게나옴을알수있다. 1200 Work(W) 800 400 0 그림 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigerants 실험냉매들의소요동력
27 4.4 압축기토출온도 대체냉매적용을고려할때는시스템의수명이나윤활유및냉매의안정성등도고려해야하며압축기의토출온도를측정비교함으로써간접적으로나마이런특성을비교할수있다. 그림 10은각냉매의압축기토출온도를보여준다. 그림을통해알수있듯이실험한냉매들이 HCFC22와비교해서 11.2~17.3 만큼감소함을알수가있다. 이는 Propane, Propylene 의비열이 HCFC22에비하여 2배가량높기때문이다. 또한압축기오일로사용된미네랄오일과탄화수소계열의냉매들이잘수용 (Miscible) 되기때문이다. 이결과로미루어볼때실험한냉매들은윤활유및냉매의안정성에관해큰문제점이없을것이라고생각된다. (21) 100 80 T dis. ( o C) 60 40 20 0 그림 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Refrigerants 실험냉매들의압축기토출온도
28 4.5 냉매충전 대부분의하이드로카본은할로카본의밀도보다작은밀도를가지고있기때문에충전양은현저히작다. (22) 실험냉매모두가연성문제가있긴하지만표 3에서보듯이냉매충전양이 55% 이상감소하고, 지구온난화지수가 60이하의혼합냉매이므로지구온난화문제해결에큰기여를할것이라판단된다. (23,24)
29 5. 결론 본연구는 HCFC22를기본으로 2개의순수하이드로카본, 하이드로카본과 HFC152a, RE170(Dimethyl ether) 로구성된 7개의혼합냉매를선정하여그성능을측정하였다. 이를위해왕복동식압축기가장착된수냉식 Breadboard 열펌프를제작하였으며, 가정용공조기의실험조건하에서총 10가지냉매의성능을측정하고, 그특성을분석하여다음과같은결론을얻었다. 1. 실험한모든냉매들조성의성능계수는 HCFC22보다좋거나비슷했다. 45%R1270(Propylene)/40%R290(Propane)/15%RE170 (Dimethyl ether) 3원혼합냉매는 HCFC22 보다 5.7% 높아가장높은성능계수의향상을보였다. 2. R290(Propane) 과 20%R1270(Propylene) /80%R290(Propane) 혼합한유체는각각 HCFC22보다 11.5% 와 6.6% 낮은냉동용량을보였고, 다른유체들은 HCFC22와비슷한용량을나타내었다. 3. 실험한모든유체의압축기토출온도는 HCFC22 보다 11.2-17.3 만큼낮으므로이들을사용하는시스템의안정성에 매우좋을것이라판단된다. 4. 본연구에서사용된모든냉매들의충전량은탄화수소의특유 의저밀도액체특성에의거하여 지감소되었다. HCFC22 보다최대 55% 까
30 5. 본연구에서사용된모든냉매는오존층붕괴를일으키지않고 지구온난화지수가 60 이하로친환경적이므로앞으로지구온 난화문제를해결할수있는장기적대체냉매라할수있다.
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