2.1 실험장치

Fig. 1은 냉매 증기응축 장치의 개략도를 나타낸 그림이다. 냉매 충전 시 냉매 충전 라인으로 냉매를 충전하였다. 충전되는 냉매량은 정밀도 0.01 g의 저울을 사용하여 측정했다. 테스트 셀 상부에 연결된 공압 실린더는 고압의 질소 기체를 이용하여 테스트 셀을 기존 부피에서 절반으로 압축되도록 제작되었다. 실린더의 피스톤 잠금장치를 이용하여 압축된 테스트 셀의 부피를 고정했다. 또한, 항온수조와 항온챔버를 이용하여 테스트 셀 주위의 온도를 일정하게 유지하였다.

온도와 압력 데이터를 통해 셀 내부의 평형상태를 확인하고, 셀 내부의 냉매가 압축되며 발생하는 압력 변화를 측정하여 상변화 과정을 관찰하였다. 온도측정은 T-type의 열전대를 사용하였고 열전대의 측정오차는 ± 0.3℃이다. 테스트 셀의 바닥면으로부터 2 cm 간격으로 5개의 열전대를 설치하여 셀 내부 수직방향으로의 냉매 온도를 측정하였다.

또한, 냉매가 압축되는 약 0.4초 동안 급격한 상변화가 발생하며 압력측정을 위해 높은 정밀도와 빠른 반응속도의 압력계가 요구된다. 본 연구에서는 BSL(Best Straigith Line) 0.08%의 내에서 0.001 Hz 속도로 압력을 측정할 수 있는 디지털 압력계를 사용하였다. 압력계는 바닥에서 수직방향으로 4 cm 위치에서 냉매 기상의 압력을 측정하였다.

2.2 실험조건

본 연구에서 평형상태는 두 물체의 온도가 같고 더 이상의 열전달이 일어나지 않아 유지되는 상태인 열평형과 상평형을 함께 고려하였다. 이에 따라, 셀 내부 냉매의 온도분포는 열전대의 측정오차 내에 있고 압력 값은 측정된 온도에서의 포화압력으로 유지될 때 셀 내부를 평형상태로 가정했다.

냉매에 일정한 외부압력을 가하므로 두 냉매의 응축과정을 비교하기 위해 압축전의 환산압력을 0.111로 동일한 조건으로 실험을 수행하였다. 환산압력은 실제 냉매의 압력과 임계압력의 비로, 두 냉매가 동일한 환산압력에서 동일한 열역학적 상태로 간주할 수 있다. 이 값은 냉매 R-600a를 사용하는 냉장고 응축기 출구에서 냉매 측의 온도(30℃)를 참고하였다. 실험의 온도와 압력조건은 각 냉매의 환산압력에 의해 결정되었다. 또한 응축률 변화에 미치는 초기건도의 영향을 비교하기 위해 0.1/0.2/0.4/0.8 경우로 나누어서 실험을 수행하였다. 자세한 실험조건은 Table 1에 나타내었다.

2.3 실험방법

테스트 셀 내부를 진공펌프를 이용하여 진공상태로 만든 후, 각 초기건도에 따른 냉매량을 테스트 셀의 냉매주입구를 통해 충전한다. 초기건도에 따른 냉매 충전량은 포화상태로 가정한 냉매의 온도(또는 압력)와 테스트 셀의 부피를 이용하여 계산하였다. 테스트 셀에 냉매가 정밀히 주입되었는지 확인하기 위해 주입 전의 냉매용기의 무게를 측정하고, 주입후의 용기의 무게를 재 측정하였다. 냉매가 충전된 테스트 셀은 항온수조 내에서 실험조건의 평형상태에 도달한다. 그 후, 공압 실린더를 이용한 압축 과정과 주위와의 열전달을 통해 새로운 평형으로 도달하는 과정의 압력변화를 측정하였다.

테스트 셀의 부피와 충전 냉매량, 측정된 냉매의 압력데이터를 통해 상태량을 계산할 수 있다. 이때 사용한 R-600a와 R-134a의 열물성값 계산은 NIST의 ‘REFPROP’^[7]을 이용하였고 식 (1)~식 (4)를 통해 냉매의 단위시간당 응축률을 계산하였다.

셀 내부의 온도분포가 균일하고 포화 상태라면, 다음과 같이 테스트 셀 내부의 밀도변화와 압력변화를 통해 단위시간당 냉매의 응축률을 나타낼 수 있다.

여기에서 $\dfrac{d C}{dt}$, $P$, $\rho$는 각각 단위시간당 액상의 질량분율($C=1-x$, $x$는 건도)변화, 압력, 밀도를 나타낸다. 기-액의 2상에서 전체 밀도는 식 (2)과 같이 각 상의 부피분율($\alpha$)과 밀도의 함수로 나타낼 수 있고, 부피분율은 식 (3)으로 정의된다.

여기서 $V$는 각 상의 부피를 나타내고 하첨자 $l,\: v$는 각각 액상과 기상을 나타낸다. 식 (2)에서 냉매의 전체 밀도는 주입한 냉매 충전량과 테스트 셀의 부피로 계산할 수 있다. 또한, 밀도는 포화상태에서 온도에 관한 함수로 표현할 수 있고 각 냉매에 따라 실험상관식^[8,9]이 적용됐다. 포화상태의 온도는 다음과 같이 포화압력으로 나타낼 수 있다.

이때, $T_{sat}$, $P_{s}$은 포화온도, 압력을 나타낸다. 위에서 언급된 식 (1)~식 (4)를 통하여 압력변화와 밀도변화로 단위시간당 응축률을 구할 수 있다.

3.1 P-h 선도

각 초기건도에 따라 실험을 수행한 R-600a와 R-134a의 p-h 선도를 Fig. 2에 나타내었다. 측정한 압력변화 값과 계산된 밀도 값으로 각 상태의 엔탈피를 계산하여 실험 과정 동안의 냉매 거동을 나타내었다. 모든 실험은 2상 조건 하에서 수행되었고 냉매는 선도의 우측에서 좌측으로 변화하였다.

선도의 우측 끝에서 냉매는 평형상태이고, 압축과정을 통해 가압된다. 가장 높은 압력에서 압축이 완결되고 주위와의 열교환을 통해 압력이 다시 감소하며 좌측 끝에 도달하면서 새로운 평형상태에 이르게 된다.

또한 초기건도가 증가할수록 건도의 초기 값과 최종 값의 범위가 넓어지는데, 이는 건도가 높을수록 단위질량당 엔탈피가 높고 충전 냉매량이 적기 때문에 부피변화에 민감하게 대응하는 것을 알 수 있다.

3.2 환산 압력 변화

Fig. 3에는 R-600a와 R-134a의 환산압력 변화에 대하여 나타내었다. 모든 초기건도 경우에 대하여 R-600a의 압력변화가 R-134a보다 급격하게 나타났으며 그 차이는 압축이 시작하는 2초부터 4초 사이에서 가장 크게 나타났다. 또한 초기건도가 낮을수록 압력의 피크 값이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 압축과정은 0.5초 사이에 종결되므로 압축이 끝난 2.5초 후의 압력변화는 주위와의 열전달을 통한 응축과 온도변화에 의해서 발생한 것이다.

따라서 2.5초 이후의 압력변화가 R-600a가 R-134a보다 급격하게 이루어진 것은 R-600a의 정적열용량이 R-134a 보다 낮기 때문에 R-600a가 R-134a보다 빠르게 온도변화가 일어남을 알 수 있다.

각 실험조건에서의 포화기체상태의 정적열용량 값은 R-600a가 1.69 kJ/kg-K로, 이는 R-134a의 70%에 달하는 값이다. 또한, 시간이 지남에 따라 주위와의 열평형에 도달하면서 R-600a와 R-134a는 동일한 환산압력에 수렴한다.

3.3 단위시간당 응축률 변화

냉매의 압력변화를 측정하여 단위시간당 응축률을 계산하여 Fig. 4에 나타내었다. 이 계산에서 압축과정동안 부피변화율이 일정하다고 가정하였다. 실험 결과, 모든 초기건도조건에서 냉매 R-600a가 R-134a보다 빠르게 응축하였다.

평형상태의 각 냉매는 압축이 시작하자마자 급격한 응축률 증가를 나타내었다. 이는 부피가 감소하면서 액적이 생성되기 시작하기 때문이다. 그 후, 약 0.2초 동안 R-600a의 응축률은 현저히 R-134a보다 높다. R-600a는 응축률을 0.2초간 일정하게 유지하고 응축률이 증가하며 압축이 종결되는 반면, R-134a는 응축초기상태보다 응축률이 0.2초간 감소하고 다시 R600-a와 근접한 속도로 증가한 후 압축이 종결되었다. 그리고 Fig. 2의 결과와 동일하게 건도가 가장 높은 0.8의 경우에서 응축률이 가장 민감하게 변하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 모든 실험 경우에서 압축과정이 R-600a가 R-134a보다 빠르게 종결되었다. 이 차이는 약 0.1~0.2초 정도이다.

두 냉매의 압축과정이 종결된 후 응축률의 차이는 크게 나지 않음을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 Fig. 3에서 2.5초 후의 압력변화는 주위와의 열전달을 통한 응축과 온도변화에 의해서 발생한 것임을 알 수 있다.