기호설명

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.

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

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.