최정
(Jeong Choe)
1
정종민
(Jongmin Jung)
1
전용석
(Yongseok Jeon)
†
-
전남대학교 냉동공조공학과 대학원 대학원생
(
Graduate Student, Department of Refrigeration and Air-conditioning Eng, Graduate Schcool
Chonnam National University, Yeosu, 59626, Korea.
)
-
전남대학교 냉동공조공학과 조교수
(
Assistant Professor, Department of Refrigeration and Air-conditioning Eng, Chonnam
National University, Yeosu, 59626, Korea.
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Liquid injection(액인젝션), Showcase(쇼케이스), Satuation compression cycle(포화압축사이클)
기호설명
COP：
성능계수
EEV：
전자식팽창밸브
LI：
액인젝션
˙minj：
인젝션 질량 유량 [kg/h]
Pinj：
인젝션 압력, 중간 압력 [kPa]
Qcooling：
냉동용량 [W]
Tdis：
압축기 토출 온도 [K]
VI：
가스인젝션
1. 연구배경 및 목적
쇼케이스는 육류, 어류, 유제품 등의 냉동, 냉장식품들을 진열 및 보관하기 위한 냉각장치이며, 최근 식생활 및 생활 패턴 변화에 따라 즉석식품, 가공식품,
육가공품 등의 수요가 급격히 증가하여 쇼케이스의 수요 역시 증가하고 있다. 쇼케이스는 대형 백화점, 할인마트, 편의점에 주로 설치되지만 그중 최근
COVID-19에 의한 경기불황에도 1인 가구 증가 및 가정간편식 시장의 확대로 인해 소형 쇼케이스에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다.(1) 또한 쇼케이스는 365일 24시간 내내 가동되어야 하므로 사이클의 안전성과 효율향상이 필수적이다.
대부분의 쇼케이스는 케이스, 압축기, 응축기, 증발기, 팬 등으로 구성되어 있으며 압축기와 응축기가 건물 외부 별도의 장소에 설치된다. 따라서 외부
공기와의 열교환을 통해 냉매가 응축되어야 하지만 외기 열원의 온도에 따라 사이클의 성능감소 문제와 압축기 토출 가스온도 상승에 의한 신뢰성 문제를
안고 있다. 특히 여름철 편의점에 위치한 쇼케이스들은 토출온도 상승 및 냉동용량 저하로 인해 많은 문제가 발생하고 있다. 시스템의 효율과 안정성 확보를
위해 점차 인버터를 통한 용량가변형 압축기를 이용한 쇼케이스 사이클이 늘어나고 있지만 압축기가 고속으로 작동될수록 압축기 토출가스의 온도는 더욱 높아져서
시스템의 신뢰성 확보가 매우 중요하다. 이런 문제점을 개선하기 위해 압축기에 냉매를 분사하는 인젝션 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 그
중 가스인젝션 사이클은 압축기 토출 가스온도를 낮추며 사이클의 효율을 향상
시킬 수 있어 특히 난방 사이클에서 많은 연구가 진행되고 있다.(2,3) 하지만 가스인젝션은 기액 분리기 또는 내부 열교환기 등의 추가적인 장치가 필요하므로 시스템 가격 상승 및 비정상 작동의 가능성을 높일 수 있다.
액인젝션 사이클은 유량 제어용 밸브를 이용하여 응축기에서 토출되는 냉매를 팽창시켜 압축기로 직접 분사
하여 제작 단가 및 사이클 신뢰도 면에서 장점이 있다.(4) 특히 액상의 냉매를 분사하므로 액압축의 위험이 있지만 압축과정이 포화 곡선에 더 가까워져 압축효율 향상 및 토출온도 제어에 매우 효과적이다.(5)
액인젝션 기술의 연구동향을 살펴보면, Haselden(6)이 특허를 통해 스크류 압축기에 액인젝션을 적용하는 방법을 처음으로 발표하였다. Sami and Tulej(7)은 R410A, R407C 등의 냉매를 사용하는 사이클에서 액인젝션을 통해 효과적으로 압축기 토출온도 감소를 확인하였다. Liu et al.(8)은 로터리 압축기를 사용한 급탕시스템에서의 액인젝션에 관한 연구를 진행하였다. 연구 결과 액인젝션 기술은 토출온도 제어에 매우 효과적이었음을 보고
하였다. 최근에는 Jeon et al.(9)이 액압축 위험을 줄이며 효과적으로 토출온도를 제어할 수 있는 최적 인젝션 홀의 설계조건을 해석적으로 제시하였다.
대부분의 용량가변형 소형 쇼케이스는 R410A를 사용하고 있지만 지구 온난화 지수(GWP)가 2088로 매우 높다는 문제가 있어 추후 많은 제조업체들이
냉매를 변경해야만 하는 문제가 있다. R32는 GWP가 R410A에 비해 매우 낮으며 높은 성능특성, 그리고 냉매의 특성이 유사하여 시스템의 큰 변화없이
이용가능하다는 점
에서 R410A의 대체 냉매로 대두되고 있다.(10) 하지만 R32의 경우 냉매 비열비의 영향으로 인해 R410A에 비해 높은 토출온도를 가지므로 토출온도 제어가 매우 중요하다.(11)
기존에 많은 연구들은 사이클 효율 측면에서 장점이 있는 가스인젝션에 집중되어 왔으며 대부분 추운환경
에서의 난방용량 확보를 목표로 연구가 진행되었다. 하지만 소형 쇼케이스의 경우 여름철 토출온도 제어가 매우 중요하며 이를 효과적으로 제어할 수 있는
액인젝션에 대한 연구가 필수적이지만 전무한 실정이다. 특히, R410A의 대체 냉매로 대두되고 있는 R32를 이용한 쇼케이스 사이클은 토출온도 문제로
설치 환경이 매우 제한적이다. 이에 본 연구에서는 소형 쇼케이스 사이클에 가스인젝션과 액인젝션 시스템을 적용하여 기존 사이클 대비 효율 및 토출온도
변화를 해석적으로 비교 평가하는 연구를 수행하였다. 또한 R410A와 R32를 적용한 쇼케이스 사이클에서의 액인젝션을 통한 포화 압축과정의 효용성을
토출온도 측면에서 고찰하였다. 마지막으로 multi-stage 액인젝션 제어을 통해 준포화압축(quasi-saturation compression)
사이클이 되었을 때 토출온도 감소 효과 및 쇼케이스 사이클에서의 대체냉매 R32 적용 가능성을 검토함으로써 차세대 쇼케이스 사이클 기초설계자료를 제공하고자
한다.
2. 쇼케이스 용 인젝션 사이클 성능 해석
본 논문에서는 앞서 설명한 가스인젝션 사이클과 액인젝션 사이클에 대한 성능 해석을 진행하였다. 기초
설계단계에서의 냉동 사이클 해석을 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 이용하여 계산하였다.(12) 해석 대상 시스템은 R410A와 R32를 냉매로 사용하는 소형 쇼케이스용 냉동 사이클이며 다중 인젝션을 위한 스크롤 압축기로 가정하였다.
쇼케이스 용 인젝션 사이클의 성능 해석을 위해 냉동용량과 COP를 아래와 같이 각각 계산하였다.
Fig. 1은 기본 사이클, 가스인젝션 사이클, 액인젝션 사이클의 P-h선도를 나타낸다. P-h선도상에서 모든 사이클은 한 번의 인젝션 과정이 있는 Two-stage
cycle로 가정하였으며, 가스인젝션 사이클은 기액분리기가 있는 사이클로 가정하였다. 먼저 가스인젝션 사이클의 경우 냉매가 응축기를 통과한 후 1차
팽창 후 기액분리기로 이동한다. 포화상태의 액상 냉매는 재팽창 후 증발기로 유입되고 포화상태의 기상 냉매는 압축기 실린더 내로 분사된다. 그 이후
증발기를 통해 기화된 냉매가 1단 압축되고 인젝션되어 들어온 기상 냉매와 혼합된 후 2단 압축된다. 다음 액인젝션 사이클의 경우 냉매가 응축기를 통과하여
응축된 후 인젝션 포트와 증발기로 유입되는 냉매가 나뉘어진다. 그리고 인젝션 유량은 최적 제어되어 인젝션 냉매와 1단 압축된 냉매의 혼합 냉매는 포화상태가
되는 것으로 가정하였다. P-h선도에 나타났듯이 액인젝션 사이클의 인젝션 유량 최적 제어를 통해 압축기 토출온도가 감소하며 압축과정이 포화곡선에 가까워짐을
알 수 있다.
Fig. 2는 쇼케이스용 인젝션 해석 프로그램의 순서도를 나타낸다. 우선 중간압력과 인젝션 유량을 가정하고 입력된 운전조건에 따라 해석한 후 인젝션 압축기에서의
질량 및 에너지 평형을 통해 인젝션 유량을 결정한다. 이를 통해 압축기 토출온도와 사이클 COP(coefficient of performance)를
계산한 후 최적 중간압력을 도출할 때까지 계산을 반복한다. 대부분의 2단압축 냉동사이클의 경우 응축압력과 증발압력의 기하평균으로 단순화하여 계산하지만
본 해석 프로그램에서는 중간압력을 변화시켜가며 토출온도가 최소가 되며 COP가 최대가 될 수 있는 중간온도를 결정할 수 있도록 모델링 하였다. 또한
중간압력이나 인젝션 유량에 따라 중간 압축기 토출온도가 최종 토출온도에 비해서 높을 수 있으므로 가장 높은 토출온도를 기준으로 최대온도가 최소가 되는
최적 중간 압력 도출하였다.
Fig. 1 P-h diagrams of baseline, vapor and liquid injection cycle.
Table 1. Thernodynamic perperites of refrigerants
|
|
R410A
|
R32
|
|
Compression ratio
|
2.35
|
2.40
|
|
Critical pressure(kPa)
|
4926
|
5783
|
|
Critical temperature(℃)
|
72.1
|
78.1
|
|
Discharge temperature(℃)
|
73.8
|
89.6
|
|
Liquid density(kg m-3) @ 25℃
|
1065
|
961
|
|
Vapor density(kg m-3) @ 10℃
|
41.9
|
30.2
|
|
Latent heat(kJ kg-1)
|
213
|
299
|
|
Cooling capacity per unit mass(kJ kg-1)
|
45.0
|
66.4
|
|
Boiling point(℃)
|
-48.5
|
-52.0
|
|
GWP
|
2088
|
675
|
|
Safety class
|
A1
|
A2L
|
Fig. 2 Flow chart of modelling of injection cycle.
ISO 규격 ISO 16358-1
(13)에 명시된 조건에서 정격운전에 해당하는 응축온도 51℃, 증발온도 8℃를 기준으로 해석을 진행하였다. 여름철 외기 온도가 비정상적으로 상승하여 사이클
응축온도가 정격운전에 비해 상승할 경우 성능특성 및 토출온도의 영향을 고찰하기 위해 응축온도를 정격조건인 51℃에서 최대 60℃까지 상승시켜 해석하였다.
또한, 과열도와 과냉도는 3℃로, 압축기의 등엔탈피효율은 70%로 가정하였다. 냉매 R410A와 R32에 대한 열물성 값을
Table 1에 나타내었다. R32는 R410A에 비해 잠열이 크고 GWP가 낮지만 토출온도가 높다는 문제가 있다. 모델링된 해석 프로그램을 이용하여 R410A와
R32를 이용하는 기존 사이클, 가스인젝션 사이클 그리고 액인젝션 사이클의 성능특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 먼저 각 인젝션 사이클에서 인젝션 압력 별 성능특성을 분석하고 최적 인젝션 압력을 제시
하였다. 그 이후 R410A와 R32사이클에서 응축온도 상승 시 인젝션의 효과를 해석적으로 확인하였다. 마지막
으로 다단 액인젝션 사이클에서의 토출온도 및 성능 계수를 분석하여 여름철 R32 이용 쇼케이스 사이클에서의 다단 액인젝션의 가능성을 고찰하였다.
3. 해석 결과 및 고찰
3.1 인젝션 압력의 영향
Fig. 3은 R410A를 사용하는 기본, 가스인젝션, 액인젝션 사이클의 COP, 냉방 용량, 압축기 일, 그리고 최대 토출온도를 인젝션 압력에 따라 나타내고
있다. 인젝션 압력은 포화온도에 해당하는 사이클의 중간온도를 변화시키며 해석하였다. 기본사이클과 액인젝션 사이클의 COP는 거의 비슷하지만 액인젝션
사이클의 COP가 다소 낮았다. 그 이유는 앞에서 설명한 바와 같이 액인젝션 사이클의 경우 인젝션 냉매와 1단 압축된 냉매의 혼합 냉매는 포화상태가
되는 것으로 가정하였으므로 인젝션 압력이 증가할수록 인젝션 유량이 증가하는데, 인젝션 유량이 증가할수록 압축효율을 증가하지만 증발기로 흐르는 냉방
용량이 감소하기 때문이다. Fig. 3(b)에서 나타난 바와 같이 중간온도가 증가할수록 포화상태를 만들기위해 더 많은 유량이 인젝션 되어 냉방용량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 하지만 Fig. 3(c)에서 나타난 바와 같이 액인젝션 사이클에서 중간온도가 오를수록 압축과정이 포화곡선에 가까워져 압축기 일도 같이 감소하였다. 가스인젝션의 경우 기본
사이클이나 액인젝션 사이클에 비해 높은 COP를 보였으며 기본 사이클보다 낮은 토출온도를 나타냄을 확인하였다. 가스인젝션은 중간온도에 따른 토출온도가
큰 변화가 없으므로 최적 중간온도는 최대 COP를 기준으로 선정하였으며 최적 중간온도는 30℃였다. Fig. 3(d)에서 나타난 바와 같이 액인젝션 사이클의 경우 중간온도에 따라 최고 토출온도의 변화가 가장 컸다. 중간온도가 상승할수록 압축기 최종 토출온도는 감소하지만
중간온도가 너무 높을 경우에는 1단 압축에서 토출되는 냉매의 온도가 최종 토출온도보다 높으므로 최고 토출온도 그래프에서 변곡점을 나타냈다. 따라서
액인젝션 사이클의 최적 중간온도는 최소 토출온도를 기준으로 36℃로 선정하였다.
Fig. 3 Comparison between various cycles of (a) COP, (b) cooling capacity, (c) compressor power, and (d) discharge temperature.
Fig. 4는 각각의 최적 중간온도에서 R410A와 R32를 이용하는 각 사이클들의 COP와 최대 토출온도를 나타
낸다. R32를 이용하는 사이클은 R410A에 비해 모든 사이클에서 더 높은 COP를 나타내어 대체 냉매로서 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다.
하지만 토출온도의 경우 모든 사이클에서 높게 나타났으며 기본 사이클의 경우 99.95℃라는 매우 높은 토출온도를 보여 토출온도 제어가 필수적임을 다시
한 번 확인하였다. 가스인젝션 사이클은 각각의 냉매에서 최적 중간온도 기준으로 R410A의 경우 기본 사이클 대비 10.1%의 성능 향상, 3.2℃
토출온도 감소를 보였으며 R32의 경우 기본 사이클 대비 6.5%의 성능 향상, 3.7℃의 토출온도 감소를 확인하였다. 액인젝션 사이클의 경우 각각의
냉매에서 최적 중간온도 기준으로 R410A의 경우 1.4%의 성능 감소, 22.2℃의 토출온도 감소를 보였으며 R32의 경우 기본 사이클 대비 동일한
성능에서 34.1℃의 토출온도 감소를 확인하였다. 요약하자면, 가스인젝션 사이클은 기본 사이클 대비 더 높은 COP를 나타냈으며 약간의 토출온도 감소
효과를 확인하였다. 특히 R410A를 사용한 사이클에서 가스인젝션의 성능향상 효과가 더 컸으며 R32를 사용할 경우 토출온도가 매우 높아 가스인젝션
만으로는 토출온도 제어 효과가 미미한 것을 확인하였다. 반면 액인젝션 사이클의 경우 중간온도를 적절히 제어할 경우 거의 동일한 성능을 나타내며 토출온도는
획기적으로 줄일 수 있는 것으로 확인되었다. R410A를 사용하는 기본 사이클 대비 R32로 냉매를 교체하고 액인젝션을 사용할 경우 COP는 4.7%
상승하며 토출온도는 15.6℃ 감소시켜 R32를 사용하는 액인젝션 사이클은 여름철 소형 쇼케이스용 사이클로 GWP, COP, 그리고 토출온도 측면에서
모두 기존 사이클에 비해 적합한 것으로 나타났다.
Fig. 4 Variations in COP and discharge temperature at optimum injection pressure.
Fig. 5 Variations in COP and discharge temperature of cycles.
3.2 응축 온도의 영향
앞의 해석 결과들은 실험 규격에 따른 정격운전을 기준으로 사이클들의 성능특성을 분석하였지만 여름철 온도상승에 따라 사이클 응축 온도가 상승할 수 있다.
응축 온도가 비정상적으로 상승하였을 때의 사이클의 성능특성을 분석하고 최적 인젝션을 통해 인젝션 사이클의 효과를 분석하였다. Fig. 5는 R410A와 R32를 이용
하는 각 사이클들의 응축온도에 따른 (a) COP와 (b) 최대 토출온도를 나타낸다. 응축온도는 정격운전 기준인 51℃에서 부터 60℃까지 상승시키며
사이클의 성능특성을 분석하였다. Fig. 5(a)에서 나타난 바와 같이 모든 사이클에서 응축온도가 상승할수록 COP가 감소하였다. 응축온도가 높아질수록 가스인젝션의 성능 향상 가능성이 높아짐을 확인하였으며
기본 사이클 대비 가스인젝션 사이클에서 R32의 경우 51℃ 조건에서 6.5%, 60℃에서 9.4% 향상되는 것을 확인하였다. 하지만 응축온도가 높아질수록
토출온도가 크게 상승하여 R32를 사용하는 기본 사이클의 경우 117.4℃까지 상승하는 것으로 예측되었다. 이 경우 가스인젝션 사이클에서는 토출온도
감소효과가 크지 않아 높은 응축온도 조건일수록 액인젝션 사이클이 필요한 것을 확인하였다. 응축온도 51℃조건에서 R410A를 사용하는 기본 사이클의
토출온도보다 60℃조건에서 R32를 사용하는 액인젝션 사이클의 토출온도가 더 낮은 것을 확인하였다. 이 결과는 외기 온도가 상승할 경우 높은 토출온도
문제로 R32를 사용하기 어렵지만 액인젝션 기술을 이용한다면 충분히 소형 쇼케이스 사이클에 적용 가능하다는 것을 의미한다.
3.3 Multi-Stage 액인젝션 사이클의 효과
Fig. 6은 R32를 이용한 사이클에 인젝션이 없는 기본사이클과 액인젝션의 횟수를 1~3번까지 했을 때의 사이클들의 P-h 선도를 나타낸다. 해석조건은 정격조건이며
과냉도와 과열도는 3℃이다. 각 사이클들의 인젝션 압력은 최소 토출온도가 되는 최적 인젝션 압력을 기준으로 선도상에 나타내었다. 액인젝션의 횟수가
증가할수록 압축과정이 포화선도에 가까워지며 기본 사이클에 비해 압축기 토출온도가 매우 낮음을 알 수 있다. 결국 액인젝션 횟수가 증가할수록 포화압축에
가까워져 압축효율 증대 및 압축기 토출온도 감소에 효과적이다.
Fig. 6 Saturation compression injection cycles with liquid injection on P-h diagrams.
Fig. 7은 (a) R410A (b) R32를 이용한 사이클에 액인젝션 횟수에 따른 사이클의 COP와 토출온도를 나타낸다. 각 냉매별 인젝션 압력은 해석 프로그램을
통해 도출된 최적 인젝션 압력을 기준으로 선정하여 성능특성을 비교
하였다. R32 사이클은 R410A 사이클에 비해 기본사이클과 다단사이클 모두에서 높은 COP를 나타냈다. 그리고 두 사이클 모두 단수 증가에 따른
COP의 차이는 크지 않았지만 R410A의 경우 단수 증가에 따라 COP가 소폭 감소하였으나 R32의 경우 소폭 증가하였다. 토출온도는 앞에서 설명한
바와같이 액인젝션 유무에 따라 큰 토출
온도의 차이를 보였다. R410A 사이클의 경우 액인젝션 횟수가 1~3회로 증가함에 따라 기본 사이클 대비 27.2%, 32.1%, 33.5%의 토출온도
감소효과가 있었다. 토출온도 제어가 더 필수적인 R32 사이클의 경우 인젝션 횟수에 따라 기본 사이클 대비 34.1%, 43.6%, 44.4%의 토출온도
감소효과가 있었다. 두 냉매 사이클 모두 3단과 4단 사이클의 토출온도 차이가 크지않았으며 액인젝션 유무에 따른 토출온도 차이가 매우 크다는 것을
다시 한번 확인하였다. 액인젝션의 횟수가 증가될수록 포화압축에 가까워져 토출온도가 감소하고 압축효율이 증가될 수 있지만 해석 결과처럼 미미한 효과를
위해 인젝션 횟수가 증가하는 것은 사이클 안정성과 경제성 측면에서 바람직하지 않았다. 따라서 정격운전 기준으로 두 사이클 모두 액인젝션의 횟 수는
1~2회 정도로 제어하는 것이 효과적이었다.
Fig. 8은 토출온도가 가장 문제가 될 수 있는 조건인 대체냉매 R32를 사용한 쇼케이스 사이클의 응축온도가 60℃로 상승하였을 때의 COP와 토출온도를 나타낸다.
응축온도가 상승할 경우 기존 정격운전에 비해 COP가 매우 낮아지며 사이클 단수 증가에 따른 COP 차이는 역시 크지 않았다. 토출온도는 기본사이클에서
117.4℃를 나타냈으며 인젝션 횟수에 따라 기본 사이클 대비 32.9%, 39.6%, 44.7%의 토출온도 감소효과가 있었다. 소형 쇼케이스 사이클에서
R32를 사용할 경우 여름철 높은 외기온도에 따라 토출온도가 매우 높아질 수 있으며 액인젝션의 효과가 매우 컸다. 또한 이 경우에는 앞의 정격운전에서의
결과와는 다소 다르게 인젝션 횟수가 늘어남에 따라 비교적 효과적인 토출온도 감소가 있었다. 따라서 실제 쇼케이스 사이클에서 액인젝션 유량을 적절히
제어할 수 있다면 응축온도에 따라 인젝션 횟수를 늘려야하며 3회까지 제어할 경우 사이클의 압축과정이 준포화압축과정이 되어 COP의 감소 없이 효과적으로
토출온도를 제어할 수 있었다.
Fig. 7 Variations in COP and discharge temperature with different cycle options.
Fig. 8 Variations in COP and discharge temperature with different cycle options under high condensing temperature condition.
4. 결 론
본 연구에서는 소형 쇼케이스 사이클에 가스인젝션과 액인젝션 시스템을 적용하여 기존 사이클 대비 효율 및 토출온도 특성을 해석적으로 분석하고 대체냉매
R32의 적용가능성을 고찰하였다.
(1) 가스인젝션과 액인젝션 사이클 모두 최적 인젝션 압력을 결정하는 것이 매우 중요했으며, R410A를 사용하는 기본 사이클 대비 R32를 이용하는
액인젝션 사이클에서 COP 4.7% 상승, 토출온도 15.6℃ 감소 효과를 확인하였다.
(2) 외기 온도가 상승하여 응축온도가 높아질 경우 높은 토출온도 문제로 R32를 사용하기 힘들며 이 경우 액인젝션 기술이 필수적이었다.
(3) 액인젝션의 횟 수가 증가될수록 포화압축에 가까워져 토출온도가 감소하고 압축효율이 증가될 수 있지만 인젝션 횟수를 2회 이상 할 경우 효과가
점차 줄어들었다. 하지만 R32 사이클에서 응축온도가 높은 경우
에는 최대 인젝션 횟수를 3회까지 유의미한 토출온도 감소를 확인할 수 있었다.
(4) 소형 쇼케이스 사이클에 대체냉매 R32를 적용할 경우 COP 및 토출온도 제어 측면에서 액인젝션 기술이 매우 효과적임을 해석적으로 확인하였다.
후 기
이 논문은 전남대학교 학술연구비(과제번호 : 2020-1929)와 2020년도 교육부의 재원으로 전남대학교 스마트플랜트신뢰성 핵심연구지원센터(2020R1A6C101B197)의
지원을 받아 수행된 연구임.
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