정일영
(Il Young Jung)
1
문경록
(Kyung Rok Mun)
2
윤상국
(Sang Kook Yun)
3†
-
LG전자 선임
(Specialist, LG Electronics Co., ChangWonSi, 51533, Korea)
-
한국해양대학교 대학원 냉동공조공학과 석사과정
(MSc. Student, Department of Refrigeration and Air-conditioning, Korea Maritime and
Ocean University, Busan, 52852, Korea)
-
한국해양대학교 기계공학부 교수
(Professor, Division of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University,
Busan, 52832, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
오토 다단 냉동기(Auto-cascade refrigerator), 2단 팽창(Two-stage expansion), 성능계수(Coefficient of performance), CO2-R134a 혼합냉매(CO2-R134A refrigerant mixture)
기호설명
COPh열펌프 성능계수
COPr냉동기 성능계수
1. 연구배경 및 목적
현재 자주 발생하고 있는 기상 이변과 함께, 석유에너지의 사용으로 지구 온난화 주범이 되고 있는 CO
2의 배출을 감소시키는 문제가 매우 중요한 과제가 되고 있다. 또한 오존층 파괴와 무관한 다양한 냉난방 시스템의 작동 냉매로 사용되고 있는 HFC 계열의
냉매 중에도 온난화 지수가 높은 냉매들이 있어 지수가 낮은 HFC 냉매뿐만 아니라 천연냉매의 이용은 필수사항이 되고 있다. 그 중에서도 R744인
이산화탄소는 다른 천연냉매들에 비하여 독성, 인화성이 없이 안전하며, 온난화 지수도 매우 낮고 오존층 파괴와 무관하므로 필연적으로 배출될 수밖에 없는
매체를 회수하여 냉매로 활용하는 연구와 관심이 매우 커지고 있다.
(1-3)
CO
2 냉동기 시스템은 고온의 응축기의 열을 온수와 난방에 사용되는 열펌프의 장점으로 인하여 일본, 유럽 등에서는 CO
2를 냉매로 하는 각종 가정용, 산업용 열펌프 및 상업용 자판기 등까지 개발하여 활발히 보급하고 있다. 그러나 이산화탄소 냉매의 문제로는 냉동기의 고압측이
초임계 압력인 130 bar 정도의 고압 압축기가 필요하고, 제반 시스템의 부품들이 고압용으로 제작되어야 한다. 또한 증발기의 온도는 0℃ 정도로
높아 동계 외기 온도가 저하될 때 CO
2 냉매의 기화를 위하여 응축기의 열을 이용하게 되어 냉난방 성능이 저하되는 문제가 발생하게 된다. 국내 CO
2를 냉매로 이용하는 냉난방 열펌프 시스템 개발은 2000년대에 개발이 시도된 바 있으나 널리 보급이 되지 않고 있는 것으로 보인다.
(4-6)
이러한 CO
2 냉난방 냉동기 시스템의 근본적인 문제를 해결할 수 있는 공정으로 혼합냉매를 사용하는 오토 캐스케이드(Auto cascade) 시스템이 있다. 임계점
이상으로 형성되는 CO
2 열펌프의 고압을 낮출 수 있는 방법으로는 주 냉매인 CO
2와 함께 포화압력이 낮은 부 냉매를 혼합하여 사용함으로써 해결할 수 있게 된다. 또한 겨울철 낮은 외기에도 증발기의 냉매액이 원활하게 기화되게 위하여
증발기 냉매 온도가 -10~-20℃의 저온을 얻을 수 있는 냉매가 바람직하며, 이 혼합 대상 냉매로는 포화 압력이 낮으면서 열역학적 물성이 우수한
냉매인 R134a, R32, R152a 등을 들 수 있다. 혼합냉매를 적용한 오토 캐스케이드 냉동시스템에 대한 종래의 연구들을 살펴보면 Kim 등이
응축압력을 낮추기 위하여 R744/R290과 R744/R134a 혼합냉매를 적용 하여 오토 캐스케이드 냉동사이클의 성능을 열역학적으로 분석하고 실험을
수행하였다.
(7) 적용한 CO
2의 혼합율은 13~36%, 압력은 30 bar를 적용하여 COP가 0.4~0.5로 매우 낮게 됨을 밝혔다.
본 연구에서는 CO
2의 혼합율은 크면서 열펌프 공정의 압력은 낮고 증발기의 증발이 대기에 의하여 용이하게 이루어질 수 있는 새로운 2단계 팽창 오토 캐스케이드 공정을
고안하고 이를 해석하였다. 이에 대한 선행 연구로는 Yun이 CO
2와 R32가 혼합된 다단 팽창식 오토 캐스케이드 연구가 있으며 COP가 74% 향상됨을 제시한 바 있다.
(8) 본 연구에서 적용한 혼합냉매로는 CO
2와 함께 대체 냉매로 널리 쓰이고 있는 R134a를 선정하여 분석하였다. 해석 적용 압력으로는 현재의 CO
2 열펌프의 고압측 압력인 130 bar의 절반 정도인 70 bar로 하였으며, 저압측 증발기의 온도는 최소 -10℃ 이하가 되는 공정이 이루어지도록
하여 2단 팽창 오토 캐스케이드 냉동사이클의 성능에 미치는 인자들을 파악하고 분석하였다. 모든 공정 해석은 열손실이 없는 이론적 사이클로 기준하여
해석하였고 열역학 물성값은 Refprop을 사용하여 산정하였다.
2. 개선된 2단 팽창식 CO2 오토 캐스케이드 냉동 시스템
2.1 오토 캐스케이드 공정 및 냉매 적정 혼합율 결정
종래 1단 팽창식 오토 캐스케이드 공정은
Fig. 1과 같다. 오토 캐스케이드 공정은 비점이 서로 다른 두 개의 냉매를 혼합하여 압축한 후 외기에 의하여 응축되면, 비등온도가 높은 냉매는 액화되고 낮은
냉매는 기체로 남게 되어 액기분리기에 포집된다. 이 중 하부 액체의 압력을 강하시켜 저온의 냉매를 만든 후, 열교환기에서 액기분리기의 기체를 냉각,
액화시킴으로써 증발기에 보다 낮은 온도의 냉매를 제공하는 공정이다.
Fig. 1. Analysis of present simple CO2-R134a auto-cascade heat pump system.
Fig. 2는 CO
2-R134a 혼합냉매의 경우 CO
2량이 60 mole%, 77.67 mole%, 80 mole%일 때 압력에 따라 2상이 존재하는 이슬점 온도의 비등점 온도 영역을 나타낸다. 오토
캐스케이드 공정은 응축 후
Fig. 2의 2상 영역에 위치하도록 설계하여야 하고, 본 고안 공정은 응축 후 비등 온도선인 점선의 하부의 상태인 포화액 혹은 과냉 액체 상태가 되도록 설계되어야
한다. 예를 들어, CO
2-R134a가 60 : 40 mole%로 혼합된 경우, 압력이 45 bar일 때 응축온도 40℃에서 액기 2상이 얻어지는 반면, 전부 액체를 얻기
위해서는 압력이 50 bar가 되어야 함을 알 수 있다.
Fig. 2. Temperature range of the two phase existence with the pressure of CO2-R134a mixtures.
2.2 종래 1단 팽창 오토 캐스케이드 공정
본 연구의 모든 공정에 대한 해석 기준은 응축기에서 배출되는 혼합냉매의 온도를 40℃, 증발기의 압력은 7 bar, 중간 열교환기(
Fig. 1의 d)의 열교환량 기준을 지점 4와 지점 7의 온도차 5℃로 설정하여 분석하였다. 공정의 비교 분석에서 증발기 온도가 서로 다른 것은 증발기 입구측
냉매의 혼합비율이 변화되기 때문이다.
Table 1은 CO
2-R134a가 77.67 : 22.33 mole%(mass%는 60 : 40), 고압측 압력이 50 bar, 응축온도 40℃를 기준한 종래 1단 팽창
오토 캐스케이드 공정을 해석한 것이다. 공정을 보면, 압축된 50 bar 고압의 혼합냉매가 응축기에서 40℃로 액기 2상 상태가 되어 액기분리기에
포집된다. 이때 기체의 CO
2-R134A 평형 조성은 84.39%, 15.61%이고, 액체의 평형 조성은 65.8%, 34.2%가 된다. 이 중 액체는 50 bar에서 7 bar로
저하되면서 건도 0.4131, -24.2℃(지점 4)로 열교환기에 주입되어 40℃(지점 6)의 기체를 29.1℃(지점 7)까지 강하시킨다. 지점 7의
50 bar 기체 냉매는 압력 7 bar(지점 8), -34.7℃가 되어 증발기에서 외기 열을 흡입하면서 -19℃(지점 9) 포화기체가 된다. 이
기체는 열교환기 출구 기체와 합하여져 7 bar, -12.3℃(지점 10)가 되고, 압축기에서 50 bar까지 등엔트로피 압축 후 토출가스 온도는
106.6℃가 된다.
Table 1. State conditions ofFig. 1process
|
No.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
P(bar)
|
50
|
50
|
50
|
7
|
7
|
50
|
50
|
7
|
7
|
7
|
|
T(℃)
|
106.6
|
40
|
40
|
-24.2
|
-15.4
|
40
|
29.1
|
-34.7
|
-19
|
-12.3
|
|
flow rate(kg/s)
|
1.0
|
1.0
|
0.4054
|
0.5946
|
1.0
|
|
h(kJ/kg)
|
513.4
|
368.2
|
277.3
|
277.3
|
429.3
|
430.2
|
326.6
|
326.6
|
437
|
433.8
|
|
s(kJ/kgK)
|
1.9866
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.9866
|
|
x(Quality)
|
-
|
0.5946
|
0
|
0.4131
|
1.0
|
0
|
-
|
0.619
|
1.0
|
-
|
|
Mole ratio(CO2-R134a)
|
0.7767 : 0.2233
|
0.65807 : 0.34193
|
0.84391 : 0.15609
|
|
이 열펌프 사이클 성능계수는
식(1)에서 1.824이고, 냉동기 사이클의 성능계수는
식(2)에 의하여 0.824이 된다. 즉, 통상의 CO
2 열펌프 압력인 130 bar 대신에 중압 30 bar~50 bar를 적용한 종래 오토 캐스케이드 공정은 성능계수가 적으나, 증발기의 온도가 낮아지는
장점을 갖게 됨을 알 수 있다. 그러나 만약 고압측 압력이 70 bar가 되면, CO
2의 임계점(31.03℃, 73.8 bar) 영역에 근접하게 되어 응축온도 40℃에서 액기 2상을 얻을 수 없게 된다.
여기서 Qc는 응축기의 방열량이며 Qe는 증발기의 흡열량이고, W는 압축기의 일량이다.
2.3 CO2/R134a 2단 팽창식 오토 캐스케이드 공정
Fig. 3은
Fig. 1의 오토 캐스케이드와 동일한 공정에 팽창을 2단으로 구성한 것이다. 2단 팽창식 공정에서는
Fig. 1과 달리 응축기 출구의 혼합냉매의 상태가 과냉이나 포화액으로 전부 액체가 되어야 한다. 이 공정의 문제점으로는 압축기 입구의 혼합냉매에 액체가 존재하는
것이다. 액체가 혼합된 냉매가 압축기에 유입되면 압축기 고장의 원인이 되므로 포화기체가 되도록 가열을 필요로 하게 되고, 이 가열은 응축기 방열량을
이용하게 되어 그 열량만큼 열펌프의 COP가 감소하게 된다.
Fig. 3. Analysis of two-stage expansion system of CO2-R134a auto-cascade heat pump.
2.4 개선된 CO2-R134a 2단 팽창, 증발기 입구측 혼합식 오토 캐스케이드 공정
2.4.1 고압 70 bar 공정의 성능 해석
Fig. 4는
Fig. 3의 공정을 개선한 것으로 2단계의 팽창과정과 함께 열교환기 출구 냉매를 증발기 입구측에 주입 혼합하는 공정이다. 이는
Fig. 3의 열교환기에서 토출되는 냉매 중 액체가 존재하는 경우 이 액체냉매 (지점 5)를 증발기로 유입시킴으로써 가열 공정을 해소하여 냉동효과를 증가시키는
것이다.
Fig. 4. Analysis of advanced two-stage expansion system of CO2/R134a auto-cascade heat pump.
Fig. 4 공정을 해석한
Table 2는 CO
2-R134a가 80 : 20 mole%로 혼합된 70 bar, 중간압력 30 bar의 경우이다.
Fig. 3의 공정과 차이점은 냉매 5와 냉매 8이 합하여져 지점 9의 -36.1℃, 건도 0.4448로 증발기에 유입되면서 열을 흡입하여 -14.5℃ 포화기체로
유출되는 것이다. 이 때 열펌프의 성능계수는
식(3)에서 2.518이 되고, 냉동기의 성능계수는 1.518이 된다. 만약 응축기 출구인 지점 1에서 5℃만큼 과냉된다면 냉동기의 COP는 1.66으로
증가한다.
Table 2. State conditions ofFig. 3process with high pressure as 70 bar
|
No.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
|
P(bar)
|
70
|
30
|
30
|
7
|
7
|
30
|
30
|
7
|
7
|
7
|
70
|
|
T(℃)
|
40
|
9.56
|
9.56
|
-35.8
|
-19.2
|
9.56
|
-30.8
|
-47.2
|
-36.1
|
-14.5
|
131.3
|
|
flow rate(kg/s)
|
1.0
|
0.6942
|
0.3058
|
1.0
|
|
h(kJ/kg)
|
286.2
|
286.2
|
217.9
|
217.9
|
351.8
|
440.8
|
137.1
|
137.1
|
286.1
|
434.8
|
532.7
|
|
s(kJ/kgK)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.0004
|
|
x(Quality)
|
-
|
0.3058
|
0
|
0.256
|
0.679
|
1.0
|
-
|
0.0936
|
0.4448
|
1.0
|
-
|
|
Mole ratio(CO2/R134a)
|
0.8 : 0.2
|
0.72806 : 0.27194
|
0.93108 : 0.06892
|
0.8 : 0.2
|
본 공정은
Fig. 1의 종래 공정과 동일한 조건은 아니지만 압력 70 bar에서 CO
2 혼합율은 80%로 상승하고 COP도 약 138% 향상된 결과를 보여준다. 또한, 증발기의 입출구 온도도 -36.1℃~-14.5℃로 외기가 낮은 경우에도
원활한 증발을 기대할 수 있는 장점을 보유한 공정이 됨을 알 수 있다.
Fig. 5는
Fig. 4의 공정을 Mollier 선도에 도시한 것이다. CO
2-R134a의 혼합물 선도는 Refprop로 그린 것이며, 지점 6은 액기 분리기 내부 냉매 중 포화기체의 상태이고 이것이 열교환기에서 냉각되어 지점
7인 과냉각 액체가 되어 최종 압력까지 팽창되는 것을 보여 준다. 또한 선도에서 지점 9는 지점 5와 지점 8의 액기 혼합물이 합체된 상태를 나타낸다.
Fig. 5. Mollier diagram of advanced two-stage expansion system of CO2/R134a auto-cascade heat pump.
2.4.2 고압 50 bar 공정의 성능 해석
Table 3은
Fig. 1의 오토 캐스케이드 공정과의 성능 비교를 위하여
Fig. 3의 2단 팽창 공정에 고압측을 50 bar로 설정하여 공정을 분석한 것이다. 응축 후 액체가 되도록 CO
2 혼합율을 낮추어 CO
2 : R134a를 60 : 40 mole%로 하였다.
Table 3. State conditions ofFig. 3process with high pressure as 50 bar
|
No.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
|
P(bar)
|
50
|
30
|
30
|
7
|
7
|
30
|
30
|
7
|
7
|
7
|
50
|
|
T(℃)
|
40
|
23.5
|
23.5
|
-20.8
|
-12.1
|
23.5
|
-15.8
|
-43.4
|
-20.2
|
0.5
|
108.3
|
|
flow rate(kg/s)
|
1.0
|
0.8381
|
0.1619
|
1.0
|
|
h(kJ/kg)
|
272.7
|
272.7
|
240.2
|
240.2
|
292.9
|
441.8
|
169.0
|
169.0
|
272.8
|
427.0
|
493.7
|
|
s(kJ/kgK)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.8955
|
|
x(Quality)
|
-
|
0.1619
|
0
|
0.264
|
0.438
|
1.0
|
-
|
0.152
|
0.3841
|
1.0
|
-
|
|
Mole ratio(CO2/R134a)
|
0.6 : 0.4
|
0.5395 : 0.4605
|
0.83735 : 0.16265
|
0.6 : 0.4
|
이 열펌프의 성능계수는 3.31이고, 냉동기의 성능계수는 2.31이 되어 종래 오토 캐스케이드 공정에 비하여 180%로 크게 향상되었다. 그러나 증발기의
온도가 상승하게 되어 입구 온도 -20.2℃, 출구 온도 0.5℃가 된다. 이는 겨울철 증발의 문제가 될 수 있는 것으로 본 공정의 적정 설계를 위해서는
CO
2의 혼합비율, 적용 압력을 필수적으로 고려되어야 하는 인자들임을 알 수 있다.
3. 개선된 2단 팽창식 오토 캐스케이드 시스템의 성능분석
3.1 중간 팽창 압력에 따른 성적계수의 변화
Fig. 6은 혼합율 80 : 20 mole%에서 중간 팽창된 압력이 변화될 때의 성적계수 변화를 보여준다. 고압은 70 bar, 저압 7 bar 그리고 응축온도는
35℃로 5℃가 과냉된 조건으로 분석하였다. 중간 팽창압력의 변화에 성적계수는 거의 동일한 값이 되었으며, 이는 중간 팽창을 자유롭게 설계할 수 있는
장점을 제공하는 것이다.
Fig. 6. COP with medium expansion pressure in advanced two-stage auto-cascade heat pump.
3.2 고압의 변화에 따른 성적계수
Fig. 7은 CO
2-R134a의 혼합비율 80 : 20 mole%이고 중간 팽창 압력 35 bar, 저압 7 bar를 기준하여, 압축기 토출측 고압의 변화에 따른 냉동과
열펌프 사이클의 COP의 변화 그리고 증발기 입구 측 건도의 변화를 보여준다. 압력이 높을수록 건도가 감소하면서 증발기의 능력은 증가하나, 반면 압축
압력의 상승으로 압축일량이 증가하여 COP가 감소하게 된다. 압력이 높을수록 건도가 감소하는 것은 응축 후 팽창 전 엔탈피 값이 낮아지기 때문이다.
공정 해석에 의하면 고압측 압력이 낮을수록 성적계수가 높게 되므로 압력이 낮을수록 바람직하게 되겠으나,
Fig. 2에서 보는 바와 같이 적정압력은 응축기에서 배출되는 혼합냉매의 상태가 액체가 되는 조건 이상의 압력이 되어야 한다.
Fig. 7. COP with high pressure in advanced two stage auto-cascade heat pump.
4. 결 론
본 연구에서는 종래 오토 캐스케이드 냉동기를 개선한 2단 팽창 증발기 입구 혼합식 오토 캐스케이드 공정을 고안, 혼합냉매로 CO
2와 R134a를 80 : 20 mole%로 혼입하여 시스템을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 개선된 2단 팽창식 CO
2 오토 캐스케이드 냉동기는 압력 70 bar에서 성능계수가 현재의 오토 캐스케이드 공정보다 1.38배, 동일한 압력 조건에서는 180% 향상되었다.
이는 CO
2의 혼합 비율이 높으면서도 70 bar 정도의 중압을 적용하여 새로운 CO
2 혼합 열펌프 공정을 구성할 수 있음을 밝혔다.
(2) 70 bar 공정에서 증발기의 증발 온도가 -10℃ 이하로 형성되어 동계 낮은 외기에도 증발이 용이하게 발생되는 공정이 되었다.
(3) 중간 팽창압력의 변화에 성능계수는 거의 동일한 값으로 중간 팽창에 무관한 공정이다.
(4) 고압측 압력이 증가하면 성능계수는 감소하게 되며, 적정 설계압력은 응축 후 액체를 얻을 수 있는 압력이 되어야 한다.
향후 본 연구의 개선된 2단 팽창 공정을 활용한 보다 다양한 냉매의 성능계수 변화 특성을 분석하고자 한다.