윤상국
(Sang Kook Yun)
1†
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한국해양대학교 기계공학부 교수
(Professor, Division of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University,
Busan, 52852, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
증기 압축식 냉동 사이클(Vapor compression refrigeration cycle), 증기 분리(Vapor separation), 이단 팽창(Two-stage expansion), 성능계수(Coefficient of performance)
기호설명
COP：냉동기 성능계수
Qe：증발기 냉동능력
W：압축기 일량
1. 연구배경 및 목적
현재와 미래의 인류 삶에 있어서 냉동기는 필수적으로 필요한 설비중의 하나이다. 그러나 냉동기는 현재의 주위 온도보다 낮게 유지되어야 하는 관계로 대소
용량의 규모를 막론하고 에너지의 소비가 발생하게 된다. 냉동기를 가동하기 위한 주된 에너지원은 화석에너지로부터 생산되는 전력을 사용하게 된다. 이에
따라 현재 냉동기도 열기기와 마찬가지로 지구 온난화 주범이 되고 있는 CO2를 배출하게 된다. 이와 같이 냉동기의 가동은 화석에너지의 소비뿐만 아니라 환경문제에도 영향을 미치고 있는 것이다. 그러므로 이러한 냉동기의 효율
개선 연구는 에너지 소비를 줄일 수 있는 현재뿐만이 아니라 미래에도 매우 중요한 일이 됨은 자명한 일일 것이다.
냉동기의 주된 공정은 증기 압축식 냉동 사이클로 이미 수세기 전에 고안되었으며, 주된 구성설비인 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기 등으로 구성된다.
이러한 냉동기의 효율을 향상시키기 위하여 압축기 등 부품 성능 개선 연구, 단열 연구 등 다양한 연구가 수행되어 왔으며, 최근에는 공정 개선으로 열펌프의
성능 개선 연구, 이젝터 팽창 냉동기 개발 등 연구[1-13]가 수행되고 있으나, 본 연구인 증기분리식 압축식 냉동공정은 전무한 상황이다. 냉동기의 냉동 효과는 증발기에서 냉매가 외부 열을 흡입하여 액체 상태에서
기체상태가 되면서 발휘하게 된다. 그러나 증기 압축식 냉동기는 팽창과정에서 압력의 저하와 함께 기체가 발생하게 되며, 이미 기체가 된 냉매는 냉동기에
냉동 기능을 전혀 수행하지 않게 된다. 이 기체의 발생량은 냉매 종류별로 다르나 온도가 낮을수록 압력강하가 클수록 발생량이 증가한다.
본 연구에서는 냉동기 효율을 높일 수 있는 새로운 방법으로 냉동 효과와는 무관한 팽창과정 중 이미 증발되어진 냉매 기체를 증발기에 유입되기 전에 분리,
제거하는 공정을 고안하였다. 이를 위하여 중간 팽창의 공정과 액기 분리기를 적용하여 액체와 기체를 분리하고, 최종 기화된 저압의 증발기 출구기체와
중압의 분리기체를 혼합하여 압축기에 유입되는 공정을 구성하였다. 이는 증발기에 유입되는 냉매액량은 증가하고 유입되는 기체량은 감소하게 되며, 압축기에
유입되는 냉매기체의 압력을 상승시켜 압축기 일량이 감소하게 됨으로써 효율이 크게 증가하게 된다. 냉동기에 이단 팽창 공정의 적용 연구는 Jung et
al.[14]의 CO2 오토캐스케이드 공정 효율 개선 연구 등이 있다.
본 공정의 효율 향상 효과를 분석하기 위하여 다양한 냉동기 중 대표적으로 냉장고의 냉동 공간 온도를 기준하였으며 냉매는 R134a를 적용하여 분석하였다.
해석에 적용 기준한 온도로는 증발기 저압측 -25℃, 고압측 응축기 출구 냉매는 40℃ 포화 액체상태를 기준하고 압축기 질량유량흐름은 1 kg/s로
하여, 증기 분리식 2단 팽창 냉동사이클의 성능에 미치는 인자들을 파악하고 분석하였다. 모든 공정 해석은 열손실과 압력손실이 없는 이론적 사이클로
기준하여 해석하였고 열역학 물성값은 Refprop를 사용하여 산정하였다.
2. 새로운 증기 분리식 2단 팽창 냉동 시스템
2.1 기준 냉동 시스템
본 분석에서 비교 기준한 냉장고의 증기 압축식 단단 압축 냉동 공정은 Fig. 1과 같으며, Fig. 1의 표는 공정을 해석한 것이다. 공정을 보면, 응축기에서는 10.166 bar로 압축된 고온 고압의 기체가 응축온도 40℃ 포화액체까지 응축된다.
이 고압의 포화액은 팽창장치인 모세관에서 증발기 압력인 1.064 bar로 강하되면서 기체가 41.257% 발생한다. 이에 따라 증발기에 유입되는
냉매액은 0.58743 kg/s가 흐르면서 주위 열을 흡입, -25℃의 냉동능력을 제공하게 된다. 압축기에 유입되는 저압 측 증발기 출구 냉매 기체의
압력과 온도는 1.064 bar, 포화 기체로 기준하였고, 이는 압력 10.166 bar, 54℃까지 등엔트로피 과정으로 압축기에서 압축된다.
Fig. 1. Current typical refrigeration cycle and the cycle conditions of freezer.
이에 따른 냉장고 냉동 사이클의 성능계수는 식(1)에 의하여 2.696으로 얻어진다.
2.2 새로운 증기 분리식 2단 팽창 냉동 사이클
새로운 공정인 Fig. 2는 Fig. 1의 기존 공정을 변형하여 제1 팽창장치와 제2 팽창장치 그리고 액기분리기가 추가된다. Fig. 2의 표는 이 공정을 해석한 것으로, 대표적 해석 기준은 제1 팽창 후 중간 압력을 5 bar로 한 것이다.
Fig. 2. Analysis of vapor separation process in two-stage expansion refrigeration system.
공정을 보면, 응축기에서는 지점 1의 10.166 bar로 압축된 고온 고압의 기체가 응축온도 40℃ 포화액체까지 응축된다. 이 고압의 포화액은 제1
팽창장치인 모세관에서 중간 압력인 5 bar로 강하되면서 건도 즉 기체 발생률은 0.18771이 된다. 이 액기 혼합 냉매는 액기 분리기에서 분리된
후, 액체는 제2 팽창장치에서 최종 압력인 1.064 bar, -25℃로 유입되며, 이때 건도는 0.25114가 되어 액체 상태의 유입냉매 총량은
0.608291 kg/s가 된다. 이는 종래 공정의 액체상태 냉매보다 3.55%, 열량으로는 3.53%가 증가된 것이다. 이 냉매가 증발기에서 저온을
제공하면서 기화되어 1.064 bar, -25℃의 포화기체가 된다. 한편, 액기분리기 상부 지점 4의 기체는 5 bar의 상태로 0.18771 kg/s가
증발기 출구지점 7의 기체와 혼합된다. 이는 서로 압력과 온도가 다른 냉매기체이며, 이들이 합하여지는 지점 8의 압력과 엔탈피 값은 식(2)와 식(3)과 같이 질량에 비례하여 형성된다. 예를 들면, 질량비 0.5:0.5의 혼합 기체의 압력은 분압법칙에 의하여 평균값이 되는 것이다.
식(2)에 의한 지점 8의 혼합기체 압력은 1.8028 bar가 되며, 이 압력에서 혼합 기체의 상태는 건도 0.9852로 일부 액체가 생성된다. 이는 응축된
냉매액의 과냉 등에 이용될 수 있으나 본 연구에서는 과냉이 없는 상태에서 성능 향상 효과를 비교하기 위하여 가열 후 포화기체로 압축기에 유입되는 것으로
분석하였다. 압축은 등엔트로피 과정으로 10.166 bar, 토출가스 온도는 46.9℃가 된다. 이 냉동기 사이클의 성능계수는 증발기 냉동 효과량에서
가열에 소요되는 열량을 차감하는 식(4)에 의하여 3.524가 된다. 이는 종래 냉동기 공정인 Fig. 1 보다 COP가 30.7% 증가된 것이다. 만약 가열량을 응축기 냉매액의 예냉 등에 적용한다면 COP는 3,649가 되어 35.3%의 향상된다. 이
공정은 액기분리기와 팽창장치의 추가에 의하여 매우 큰 효율 증대를 얻게 됨을 알 수 있다. 또한 종래 공정보다 증발기 내부에 흐르는 냉매 질량유량흐름이
18.8%가 감소하게 되어 증발기의 전열면적의 감소와 함께 규격이 감소하는 효과도 제공하게 된다.
Fig. 3은 Fig. 2의 공정을 Mollier 선도에 도시한 것이다. 지점 3은 액기 분리기 내부 냉매 중 상부 포화기체의 상태이고 지점 4는 하부의 포화액체의 상태이다.
또한 선도에서 지점 7은 지점 6과 지점 3의 기체가 혼합된 상태를 나타낸다.
Fig. 3. Mollier diagram of vapor separation process in two-stage expansion refrigeration system.
3. 증기 분리식 2단 팽창 냉동 시스템의 성능분석
3.1 중간 팽창 압력에 따른 성능계수의 변화
Fig. 4는 중간 팽창된 압력이 변화될 때의 성능계수 변화를 보여준다. 고압은 10.166 bar, 저압 1.064 bar 그리고 응축온도는 40℃의 조건으로
중간 팽창 압력 5 bar에서 최대 성능계수인 3.524를 나타내었으며, 3 bar에서 3.299로 6.4% 감소, 7 bar에서 3.426으로 2.8%
감소하였다. 즉 성능계수의 향상은 중간 팽창 압력이 1/2 즉 중간정도의 압력이 제일 크게 되며, 낮은 것보다 일부 높게 설계하는 것이 바람직함을
알 수 있다.
Fig. 4. COP with meddle expansion pressure.
3.2 증발 온도에 따른 성능계수 변화
Fig. 5는 동일한 조건을 기준하여, 증발기 온도가 변화될 때 COP의 변화를 보여준다. 증발기 온도가 높을수록 압축기 입구 측 혼합기체의 압력이 높아지면서
COP가 증가하게 된다. 증발기 온도 -5℃에서는 중간 압력이 5 bar, -25℃ 기준 COP가 5.78로 60.8% 증가하며, 증발압력이 낮은
-35℃의 경우는 3.05로 14%가 감소하였다. 중간 압력이 낮은 3 bar의 경우는 각각 44.6% 증가, 13% 감소를 보이나, 이 들 모두
종래 냉동기 공정보다 효율이 크게 높아지게 된다. 즉, 온도가 높은 냉동기에 본 공정이 적용될 경우 획기적인 성능 향상을 이룰 수 있음을 알 수 있다.
Fig. 5. COP with evaporation temperature.
3.3 증발 기체의 흐름 해석
본 냉동 사이클은 중간 팽창 후 분리된 기체와 증발기의 증발 기체의 혼합되어 압축기에 유입되는 것으로 두 유체의 원활한 흐름이 요구된다. Fig. 6(a)는 대표적 흐름을 구성한 것으로 유량이 80% 정도인 저압의 증발기의 증발기체가 중앙부로 유입되고, 중압의 분리된 잔여 기체가 외부에서 유입되어 압축기로
흡입되는 구조이다. Fig. 6(b)는 두 유체의 흐름을 해석한 것으로 두 유체의 압력 차이에도 불구하고 원활한 흐름을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Fig. 6. Simulation of combined refrigerant vapor streams.
4. 결 론
본 연구에서는 종래 증기 압축식 냉동기를 개선한 증기 분리식 2단 팽창 냉동 사이클을 고안하여, 냉장고 냉동 공간을 기준한 냉매 R134a를 적용한
시스템을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 증기 분리식 2단 팽창 냉동기는 중간팽창 압력 5 bar에서 성능계수가 종래의 증기 압축식 공정보다 30.5% 향상되었다. 이는 에너지를 크게
절약할 수 있는 새로운 고효율 냉동 사이클이 될 수 있음을 밝혔다.
(2) 성능 향상은 중간 팽창 압력이 중간의 압력이 제일 크게 되며, 중간 압력을 기준하여 낮은 것보다 높게 운전되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
(3) 증발기 온도 -5℃~-35℃ 범위에서 중간 압력 5 bar, -25℃를 기준하여 COP 대비하면 60.8%~-14%로 변화되나, 이 들 모두
종래 냉동기 공정보다 효율이 크게 높으며, 증발온도가 높은 냉동기에 본 공정이 적용될 경우 50% 이상 획기적인 성능 향상을 이룰 수 있음을 알 수
있다.
(4) 중간 팽창 5 bar의 경우 종래 공정보다 증발기 내부에 흐르는 냉매 질량유량흐름이 18.8%가 감소하게 되어 증발기의 규격이 크게 감소하게
된다.