기호설명

하첨자

1. 서 론

가정용 냉장 및 냉동고는 현대 가정에 없어서는 안 될 가전제품으로, 음식과 음료를 냉각하고 보존하는 중요한 기능을 수행한다. 압축기, 증발기, 응축기 및 팽창장치와 같은 주요 구성요소 구성된 이 시스템은 열역학 및 열전달의 기본 원리에 따라 증기 압축식 냉동 사이클을 기반으로 작동한다. 지난 수십 년 동안 가정용 냉동시스템의 성능향상을 위해 상당한 연구가 이루어졌다. 관련 연구는 주로 시스템의 성능계수(coefficient of performance; COP)와 소비전력에 큰 영향을 미치는 압축기와 관련한 연구^(1,2), 증발기 및 응축기 성능 연구^(3-5), 그리고 팽창장치로 사용되는 단열 및 비단열 모세관(capillary tube)^(6-8)과 관련한 다양한 연구가 있었다. 또한, 냉매 관련 연구^(9,10)도 다수 있었다.

냉장고의 냉매로는 R-134a 와 R-600a 가 주로 사용되며, 팽창장치로는 모세관이 주로 사용되고 있다. 가정용 냉장고의 팽창장치로 주로 사용 선정되는 모세관은 약 1 mm 이하의 내경(inner diameter)과 약 2m 에서 3 m의 길이를 갖는 가늘고 긴 관의 형태로서, 지금까지 주로 구리(copper)로 제작되어 왔다. 모세관은 냉매의 포화압력 강하를 유발시켜 냉동효과를 얻는 장치이다. 따라서 과냉 액상 및 2상 냉매의 압력강하⁽¹¹⁾ 특성이 고려되어 제작되어야 한다. 오늘날 대부분의 가정용 냉장고는 Fig. 1과 같이 모세관을 흡입관 외벽에 용접하여, 모세관과 흡입관을 각각 흐르는 냉매 사이에 열교환을 가능하게 하는 비단열 모세관(non-adiabatic capillary tube)의 형식을 채택하고 있으며, 이때 흡입관 역시 구리를 주재료로 제작된다. 모세관-흡입관 열교환기(capillary tube-suction lint heat exchanger; CT-SLHX)로 불리는 이 비단열 모세관을 채택하면 단열 모세관을 채택하는 경우와 비교해 증발기 입구 냉매의 비엔탈피(specific enthalpy)를 감소시키고, 이는 냉매의 냉동효과를 증가시킴으로써 냉장고의 냉동능력을 키우고 시스템의 성능계수(COP)를 개선할 수 있다.

한편, 비단열 모세관은 구리로 제작 되어왔으나, 국제정세와 수요증가에 따라 구리 값이 상승하여 비단열 모세관의 제작 단가를 증가시키고 있다. 가정용 냉장고 생산 원가를 줄이기 위해서는 기존 비단열 모세관의 재료인 구리를 대체할 수 있는 대체 재료를 선정할 필요가 있다. 대체재로 제작한 비단열 모세관을 채택하더라도, 냉장고가 구리로 제작된 기존 비단열 모세관을 사용하는 냉장고와 유사한 수준의 시스템 성능을 구현할 수 있는지 확인해야 한다. 그러나, 이를 실험적으로 확인한 연구 사례나 실험평가 결과는 찾기 어렵다. 이에, 본 연구는 형상이 같으나 재료가 서로 다른 두 개의 비단열 모세관 시료를 사용하여, 비단열 모세관의 흡입관의 재료에 따른 냉동시스템의 성능을 실험적으로 평가하였다.

Fig. 1 Vapor compression refrigeration cycle with a non-adiabatic capillary tube; (a) schematic diagram, (b) pressure-enthalpy diagram.

2. 실험 장치 및 방법

비단열 모세관의 흡입관 재료에 따른 시스템의 성능을 R-600a를 냉매로 사용하는 증기 압축식 냉동 시스템을 사용하여 평가했다. 실험장치의 계략도를 Fig. 2에 나타내었다. 장치는 왕복동식 압축기, 비단열 모세관, 응축기, 그리고 증발기로 구성된다. 응축기를 제외한 모든 주요 구성요소는 R-600a를 냉매로 사용하는 실제 가정용 냉장고와 동일한 부품을 사용하였다. 한편, 실제 냉장고는 공랭식 응축기를 사용하나, 실험 시 응축기에서의 열평형 오차를 줄이기 위해 실험용 냉동시스템의 2차 측 유체를 냉각수로 채택하고 브레이징된 판형열교환기 (brazed plate heat exchanger)를 응축기로 사용했다. 증발기 역시 2차 측 유체인 공기를 증발기에 공급하며 실험하지 않고, 증발기의 외벽에서 휜을 제거한 후 와이어 히터를 감고 전원공급기에 연결하였다. 이때, 전원공급기를 사용하여 공급 전류와 전압을 조절하여 냉매로 공급되는 열량을 제어했으며, 이를 통해 실험 중 증발기 출구(즉, 흡입관 입구)에서 냉매의 과열도를 일정하게 유지했다. 실험장치는 항온항습실 내부에 위치시켰으며, 실험 중 장치 주변 온도를 20 ℃로 일정하게 유지했다. 냉동시스템의 각 구성요소, 배관 및 연결부는 모두 폴리우레탄 단열재를 설치하여, 실험 중 냉매와 주변 공기 사이의 열교환을 최소화했다. 특히, 냉매와 주변 공기 사이의 온도 차이가 가장 큰 증발기를 4겹의 단열재로 구성된 단열박스 내부에 위치시켜, 열평형 오차를 줄이는데 주의를 기울였다. 냉동시스템의 각 구성요소의 사양과 증발기 열평형을 포함하여 실험용 냉동시스템 장치의 성능검증 결과는 Ko et al.⁽⁵⁾에 자세히 제시하고 있다.

Fig. 2의 Test section에 비단열 모세관 시료를 교체하면서 성능평가 실험을 수행했다. 비단열 모세관 시료의 형상 정보는 Table 1에 나타냈다. 시료-1과 시료-2는 형상뿐만 아니라 모세관과 흡입관의 접합방식이 같고, 단지 흡입관의 재료만 서로 다르다. 시료-1은 기존의 비단열 모세관에서 주로 사용하는 구리이고, 시료-2는 알루미늄을 사용했다.

Fig. 2 Schematic of the experimental refrigeration system.

실험조건은 Table 2와 같다. 냉동시스템에 80 g의 R-600a을 충전한 후 50 Hz 및 65 Hz의 고정된 압축기 주파수 조건에서 시료별 각각 2회 반복 실험했다. 각 실험 시, 냉동시스템의 응축압력을 응축기의 2차 측 유체인 냉각수의 공급 유량 및 온도를 통해 조절했다. 전원공급기를 사용하여 증발기 외벽에 감겨있는 전기히터에 흐르는 전류와 전압을 조절함으로써 증발기로 공급하는 열량을 제어하고, 이를 통해 Table 2에 제시된 증발기 출구 냉매의 과열도를 구현했다. 시스템이 준 정상상태에 도달한 것을 확인한 후 측정한 냉매의 압력, 온도, 질량유량, 압축기 소비전력으로부터 시스템의 냉동능력($\dot{Q}_{evap}$)과 성능계수(COP)를 다음과 같이 도출했다.

식(1)의 $h_{evap.i}$와 $h_{evap.o}$는 각각 증발기 입구와 출구에서 냉매의 비엔탈피를 의미하며, 식(2)의 $\dot{W}_{comp}$는 압축기 소비전력을 의미한다. 상세한 데이터 후처리 과정 및 절차는 Ko et al.⁽⁵⁾에 자세히 제시하고 있다. 실험 데이터의 불확실도는 Table 3과 같다.

한편, 응축기 출구에서부터 모세관 입구까지 투명한 튜브와 카메라를 설치하여 R-600a의 2상유동의 존재⁽¹²⁾를 확인 및 촬영했으며, 해당 구간에서 측정한 압력 및 온도를 통해 냉매가 열역학적 비평형 상태임을 확인했다. 다음 절에서 설명할 실험 결과와 함께 비평형 상태 냉매의 기공률과 건도를 Table 4에 제시했다.

3. 실험 결과

실험 결과를 Fig. 3과 Table 4에 나타냈다. 흡입관의 재료가 서로 다른 두 비단열 모세관을 사용한 실험 결과는 실험 데이터의 불확실도(Table 3)를 고려하더라도 상당히 근사하며 Fig. 3과 같이 동일 압축기 주파수 조건에 대해, 시스템 성능에 유의미한 차이를 보이지 않는다. Case 1과 2에 대해, 기존의 비단열 모세관 대비 알루미늄 흡열관을 갖는 비단열 모세관을 사용하는 시스템은 냉동능력 및 COP에 대해 각각 3.0%, 0.8%의 상대오차를 갖는다. 이는 흡입관의 재료 변경으로 인한 열전도도 변화가 비단열 모세관의 열전달 유용도(heat transfer effectiveness)에 미치는 영향이 미미하기 때문이다.⁽¹³⁾ 문헌⁽¹³⁾의 실험 결과에 따르면, 흡입관을 흐르는 냉매의 대류열저항이 비단열 모세관의 열교환과정에 기여하는 모든 열저항 중 약 75%를 차지하며 가장 지배적인 반면, 접촉열저항을 포함한 모세관 및 흡입관의 전도열저항의 기여도가 약 10% 이하로 가장 낮다. 또한, 재료변경에 따른 표면에너지⁽¹⁴⁾ 변화가 미치는 영향도 무시할 만한 것으로 판단된다. 따라서, 시스템 내 냉매의 유량 및 증발기 입구 냉매의 엔탈피에도 큰 차이를 보이지 않아, 시스템 성능에도 유의미한 차이를 유발하지 못한 것으로 예상된다.

Fig. 3 Comparison of cooling capacity and COP.

4. 결 론

본 연구는 흡입관의 재료가 구리 또는 알루미늄으로 서로 다르나 형상이 같은 두 개의 비단열 모세관을 각각 적용한 R-600a 냉동시스템의 성능을 조사했다. 조사 결과, 두 시스템 간의 냉동능력, 압축기 소비동력, 성능계수(COP)에 있어 유의미한 차이를 보이지 않았다. 이는, 비단열 모세관의 흡입관 재료가 시스템의 성능에 미치는 영향이 미미함을 시사한다. 따라서, 동일 운전조건에서, 알루미늄 흡입관을 사용하는 비단열 모세관이 탑재된 냉장고의 소비전력은 구리 흡입관을 사용하는 비단열 모세관이 탑재된 기존 냉장고의 소비전력과 유사할 것으로 예상된다. 한편, 본 연구에서는 흡입관 재료 변경으로 인한 열전도도의 변화가 비단열 모세관의 열전달 성능에 미치는 영향을 체계적으로 평가하지는 못하였다. 따라서, 후속 연구에서 별도의 실험 장치를 활용하여 획득한 실험 데이터를 기반으로 이를 정량적으로 평가하고자 한다.