2.1 실험 장치

HFO(Hydrofluoro-olefin) 계열의 대표 냉매로서 R-134a의 대체 냉매로 평가받는 R-1234ze(E)는 선진 제조사에서 이를 적용한 스크류 냉동기를 양산 중에 있다. R-134a 대비 높은 비체적으로 냉동능력은 75%^(5-6) 수준이나 지구온난화지수(GWP)가 매우 낮고 COP가 R-134a와 동등 혹은 이상의 수준을 나타내는 장점이 있다. 다만 A2L 등급의 냉매로서 가연성 가스에 해당하나 현재는 KC 60335-2-40의 개정에 관련 설치 기준을 만족하면 사용이 가능하다. 관련하여 A2L 냉매의 규제가 조금 더 완화된다면 R-134a의 냉매 규제에 대응하고 사용가능한 냉매는 R-1234ze(E)가 가장 적합할 것이다. Table 1은 R-1234ze(E) 냉매에 대한 정보를 나타낸다.⁽⁴⁾

Fig. 1은 Subcool 형 하이브리드 냉동기의 개념도 및 실험 장치의 개략도를 나타낸다. 압축기, 오일 분리기를 지난 냉매는 응축기 1번(냉각탑 냉각수)을 거쳐 응축 열량을 일부 제거한 후 직렬로 설치된 응축기 2번(흡착식 냉동기 냉수 열원)으로 유입된다. 실제 하이브리드 제품에서는 응축기 1, 2번을 각각 냉각탑 냉각수 및 흡착식 냉동기 냉수를 열원으로 사용하나, 본 연구에서는 압축식 냉동기만을 대상으로 실험하였기 때문에 응축기 1, 2의 2차 유체로는 각각 칠러를 이용하였다.

본 연구실에서는 R-1234ze(E) 냉매를 이용하는 20RT(70 kW)급의 압축식 냉동기 성능 실험 장치를 구축하였으며, 압축기로는 Bitzer 社의 왕복동 압축기, 판형 열교환기는 SWEP社 제품을 선정하였다. 본 연구에서는 시험설비의 모델에 따른 압축식 냉동기의 성능 향상을 확인 하였으며, 각 요소기기들도 변경 해가며 연구를 수행하였다. 시험 설비의 모델에 따른 요소기기의 구체적인 정보는 Table 2에 나타내었다.

모델 1~4 모두 설계 냉각 열량은 70 kW를 목표로 하였으며 모델 1~2의 경우 목표 열량을 내기 위해서는 압축기 최대 운전 가능 범위인 70 Hz 부근에서 운전되어야 해 운전 여유 마진이 없는 관계로 모델 3~4에서는 압축기를 변경하였다. 모델 2, 4의 경우는 기존 모델 1, 3대비 높은 효율을 가지기 위해 열교환기를 변경해가며 응축압력을 낮추고 증발압력을 높이고자 하였다. 참고로 선행연구에서는 모델 1, 2번을 대상으로 응축기 2의 냉각수 온도, 유량 및 열교환기 크기에 따른 응축압력 및 성능특성에 대해 다루었다.

Fig. 1 Concept of hybrid adsorption chiller and schematic of test apparatus.(4)

2.2 실험 조건

선행 연구⁽⁴⁾에서는 응축기 2로 유입되는 냉각수의 온도, 유량에 따라 냉동 사이클의 거동을 확인 하였으며 본 연구에서 모델 별 성능 변화를 확인하기 위해 응축기 2로 유입되는 냉각수의 온도는 고정한 상태에서 유량에 따른 성능 비교를 하였다. 응축기 2의 유입온도가 고정된 상태에서 유입되는 유량 값은 흡착식 냉동기의 설계점을 잡는 가장 중요한 부분이며 압축식 냉동기에서는 응축 압력 및 성능 계수(COP)를 결정짓는 가장 중요한 변수이다. KS B 6270 기준을 일부 준용하여 냉수 온도를 12℃로 유지하고, 압축기 회전속도 50 Hz, 응축기 2 입구 온도 20℃ 기준 성능 실험을 수행하였다. 과열도의 경우 5~10 K가 유지되도록 전자식 팽창밸브를 제어하였으며, Table 3은 본 연구에서 수행한 실험 조건을 나타낸다.

참고로 흡착식 냉동기에서는 온수 열량을 조절해가며 공급가능 냉수의 온도를 8~25℃로 조절할 수 있다. 흡착식 냉동기의 설계용량인 10RT는 냉수 출구온도 8℃ 기준의 열량이나, 냉수 출구온도를 높여 20℃로 공급할 시 15RT 이상의 냉수를 공급할 수 있다. 본 과제에서는 하이브리드 시스템의 특성을 고려하여 하이브리드 형태로 운전 시 흡착식 냉동기의 냉수를 20℃로 공급하기로 결정하였다.

2.3 Data Reduction

각 주요 기기의 입·출구에 온도 센서를 설치하였으며 냉매 측 고압부 및 저압부에 각각 3개와 2개의 압력계를 설치하였으며 각 열교환기 입․출구에 차압계를 설치하였다. 또한, 각 열교환기 2차 측의 입·출구 온도 및 유량계 정보를 기반으로 용량을 산출하였다.⁽⁴⁾ 각 센서의 데이터는 Labview 프로그램을 통하여 취득하였고 이를 환산한 주요 변수들은 아래 식과 같다. 계측 데이터의 정확도를 확인하기 위해 식(5)로 정의되는 에너지 밸런스 경우 본 실험조건에서 평균 4.15%로 확인되었다. 또한, 식(6)과 같이 응축기 2의 입구 건도를 정의하여, 식(7)과 같이 흡착식 냉동기와 연계되는 응축기2의 열량의 비를 정의하여 시스템의 주요 변화를 확인하였다. Table 4는 냉매 측 및 냉수·냉각수 측의 계측기 사양을 나타낸다.

2.4 불확도 분석

주요 성능 지표인 열량 및 성능 계수에 대하여 ASHRAE Guide line⁽⁹⁾를 따라 표준 불확도 분석을 수행하였으며, Table 4에 나타난 온도, 유량, 전력계에서의 Bias error를 기준으로 한 확장 불확도(B형)를 계산하였다. 냉각 열량, 응축기 2 열량, 성능 계수의 경우 최대 불확도는 각각 5.81%, 5.96%, 5.82%로 나타났다.

3.1 고압부 (응축) 특성 변화

다중 응축 열원 냉동 사이클의 경우 응축기 2차 유체의 입구 온도 및 유량에 따라 응축압력 및 응축열량이 크게 변화하는 것을 선행 연구를 통해 확인 하였다.⁽⁴⁾ 흡착식 냉동기와 연계된 하이브리드 냉동기에서는 흡착식 냉동기의 냉수 온도 및 유량에 따라 냉동 사이클이 변화하게 되며, 저온 응축기로 들어오는 냉각수의 온도가 낮고 유량이 클수록 응축 압력이 감소하며 응축열량의 증가와 함께 냉각열량 및 시스템 성능계수가 증가한다. 아래 Fig. 2는 저온 응축기로 들어오는 냉각수의 유량에 따른 P-h 선도로 저온 응축기의 냉각수 유량이 증가할수록 저온 응축기의 저온 응축기 열량, 냉각 열량의 증가 및 압축비의 감소를 확인할 수 있다. 고온 응축기의 냉각수 입구 온도(32℃) 대비 낮은 온도의 냉각수가 유입될수록 저온 응축기의 열량이 증가하고 상대적으로 고온 응축기의 열량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 증발 압력의 경우 냉수 입구 조건(12℃)이 유사하기 때문에 각 실험 조건에서 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3는 저온 응축기로 들어가는 냉각수의 유량에 따른 응축 포화온도, 응축기 열량, 저온 응축기 입구건도 및 과냉도의 변화를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이 냉각수 양이 증가함에 따라 응축기 포화온도가 감소하는 경향을 나타내며 이는 응축기 내부의 냉매 평균온도가 감소하였기 때문이다. 또한, 고온 응축기 대비 저온 응축기의 2차유체 온도가 낮기 때문에 저온 응축기 냉각수 유량이 증가함에 따라 고온 응축기의 응축열량은 감소하며 이에 따라 저온 응축기로 유입되는 냉매의 입구건도는 증가하게 된다.

모델 2부터 저온 응축기의 면적이 증가하였기 때문에 모델 1 대비 응축 포화온도가 확연히 감소하며, 모델 3부터는 압축기 변경에 따라 냉매 유량은 증가하였으나 제한된 응축 면적으로 인해 다시 응축 포화온도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 모델 4의 경우 모델 3 대비 응축 효과가 작은 고온 응축기를 변화하였기 때문에 응축 포화온도에 큰 변화가 없는 것으로 보인다. 이러한 관점으로 저온응축기의 열량 및 입구 건도의 변화도 설명될 수 있다.

과냉도의 경우 응축 압력 및 냉매 봉입량에 따라 민감하게 변화할 수 있는 변수이나, 저온 응축기의 냉각수 유량의 증가에 따라 과냉도 역시 증가하는 추세로 나타남을 확인하였다. 즉 전체 응축열량의 증가에 따라 과냉도 역시 증가하며 모델 별 응축 포화온도가 상이하기 때문에 명확한 해석은 어렵지만, 모델 4의 경우 모델 3 대비 고온 응축기 전열 면적 증가로 인해 과냉도가 조금 더 확보된 것으로 판단된다.

Fig. 2 Variation of P-h diagram with the cooling water flow rate of condenser 2.

Fig. 3 Condensing temperature, inlet quality, capacity and degree of subcool with the operating conditions.

3.2 저압부 (증발) 특성 변화

하이브리드 흡착식 냉동기에서 최종적인 냉수는 압축식 냉동기의 증발기에서 생산된다. 저압부의 특성 변화는 냉수의 입구 온도 조건에 따라 가장 크게 변화하게 되나, 본 연구에서는 냉수의 입구 온도는 12℃로 유지하였기 때문에 저압부의 특성 변화가 눈에 띄게 크게 발생하지는 않는다. 다만, 저온응축기의 냉각수 유량 증가에 따라 고압부의 응축 포화온도가 크게 낮아지며 P-h 선도가 조금씩 아래로 이동하며 저압부의 압력도 미미하게 변화하는 경향을 나타낸다.

Fig. 4는 저온 응축기로 들어가는 냉각수의 유량에 따른 압축기 입구 포화온도, 증발기 입구 건도 및 냉각 열량의 변화를 나타낸다. 앞에서 설명한 바와 같이, 응축 압력 감소에 따라 사이클이 조금씩 아래로 이동하면서 압축기 흡입 포화온도가 약간 감소하며, 과냉도의 증가에 따라 입구 건도가 감소하게 된다. 증발기로 유입되는 입구건도의 감소는 증발기의 잠열 구간을 키우는 효과가 있어 냉각 열량이 증가하는 결과로 나타난다.

모델 1, 2의 경우 증발기 특성의 큰 차이가 없음을 확인할 수 있으며, 모델 3의 경우 제한된 증발기에서 유입되는 냉매 유량의 증대로 인해 증발 포화 온도가 감소하는 현상이 나타났으며, 모델 4의 경우 기존 증발기 모델 변화로 인해 증발 포화온도가 높아짐을 확인할 수 있다. 참고로 모델 1~3에서 사용한 증발기 F모델은 모델 4에서 사용한 V모델 대비 냉매 유동 분배 증가를 위해 증발기 내부의 차압을 더 크게 유발하는 모델이라 증발 포화온도가 더 낮은 것으로 확인되며 본 연구에 적절한 증발기 모델을 V모델로 판단된다.

Fig. 4 Evaporating temperature, inlet quality and cooling capacity with the operating conditions.

3.3 응축 포화온도 모델 및 사이클 성능계수

압축식 냉동기의 설계 값으로는 냉각열량 20 RT급(70 kW), 성능계수 5.0의 냉동기 시스템 개발이었으며, 모델 1~2의 경우 냉각 열량, 모델 3에서는 성능계수가 목표값에 미치지 못하였다. 모델 3의 경우 압축기의 변경에 따라 목표 냉각 열량의 달성은 하였으나, 제한된 열교환기의 크기로 인해 모델 2 대비 응축온도 및 증발온도가 증가, 감소하여 성능계수가 낮아짐을 확인 하였다. 따라서 최종적으로 모델 4에서는 응축기 및 증발기의 변경으로 설계 성능계수에 도달하였다. Fig. 5는 모델 별 사이클 성능계수, 압축기 소비동력을 나타내며 설명한 바와 같이 모델 3에서는 모델 3 대비 성능계수가 감소하고, 모델 4에서는 모델 1 수준으로 나타남을 확인하였다.

저온 응축기 냉각수 유량의 증가에 따라 응축 포화온도가 감소함에 따라 압축비 감소로 인해 압축기 소비동력이 감소하고 이에 따라 사이클 성능계수가 증가하게 나타남을 확인 하였다. 압축기 소비동력의 경우 모델 3~4에서 큰 것을 확인할 수 있으며, 모델 4에서는 증발기에서 증발하는 냉매유량이 증가하여 모델 3 대비 압축기 소비동력이 큰 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6은 저온 응축기의 열량 부하비에 따른 응축기 포화온도의 변화 및 냉각열량에 따른 사이클 성능계수를 나타낸다. 다중 응축열원에서 저온 응축기 부하비를 중요한 변수로 설정한 이유는 저온 응축기의 작동 조건, 모델에 관계없이 부하비에 따라 응축기 포화온도가 변화하기 때문이다. 즉, 다중 응축 열원에서 저온 응축기의 부하비를 설계를 하면 냉동사이클의 응축기 포화온도의 변화를 예측할 수 있다. 냉각수 온도가 서로 다른 다중 응축 열원 냉동 시스템에서는 응축 포화온도를 예측하기가 매우 어려웠으나 다음과 같이 상관관계를 통하여 응축 포화온도 예측이 가능함을 확인 하였다.

또한, Fig. 6은 각 모델별 냉각열량 및 사이클 성능계수를 나타내고 있으며, 특정 요소기기들의 변화에 따른 압축식 냉동시스템의 성능 특성을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 최종적으로 모델 4를 통하여 냉각열량 20 RT급(70 kW), 성능계수 5.0의 냉동기 시스템 개발을 위한 요소기기의 검증을 확인하였다.

Fig. 5 Coefficient of performance and compressor power with the operating conditions.

Fig. 6 Condensing temperature, inlet quality, capacity and degree of subcool with the operating conditions.