액-가스 열교환기를 적용한 R290(프로판)용 냉동시스템의 성능 분석

1. 서 론

최근 미국 등의 선진국에서는 R134a와 같은 프레온계 냉매의 대체냉매로서 R290(프로판)를 냉동공조장치에 적용하여 성능 향상시키기 위해 액-가스 열교환기를 적용한 연구가 활발히 진행 중에 있다.^1-3) Fig. 1에서 알 수 있듯이, 액-가스 열교환기는 증발기 출구의 저온 냉매가스와 응축기 출구의 고온 냉매액을 서로 대향류로 열교환시키는 장치이다. Fig. 2에서 액-가스 열교환기를 적용하지 않은 경우의 냉동사이클은 ③-⑧-⑥-⑦-⑨-③으로 운전되는 반면, 액-가스 열교환기를 채용한 경우의 냉동사이클은 ①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-①로 작동하게 된다. 따라서 액-가스 열교환기를 채용할 경우 냉동장치의 증발기 냉동능력을 향상시키고, 압축기의 액압축을 방지하며, 팽창밸브 통과시 플래쉬(Flash gas)의 발생을 줄일 수 있다.⁴⁾

Fig. 1

Schematic diagram of R290 refrigeration system with liquid-gas heat exchanger4)

Fig. 2

Vapor compression refrigeration cycle of R290 with liquid-gas heat exchanger on P-h property plots4)

액-가스 열교환기 성능에 관한 종래 연구를 살펴보면 우선, Stoecker와 Walukas⁵⁾는 프레온계 혼합냉매를 사용하여 액-가스 열교환기의 성능 특성을 분석하였으며, McLinden⁶⁾은 액-가스 열교환기를 사용하는 시스템의 성능은 냉매의 비열이 증가할수록 향상된다고 하였다. 그리고 Domanski와 Didon⁷⁾은 9가지의 대체냉매를 사용하여 액-가스 열교환기의 성능을 규명하였고, Domanski⁸⁾는 29가지 냉매를 사용하여 액-가스 열교환기의 성능에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 이상의 종래 연구들로부터 알 수 있듯이, 대부분 프레온계 냉매를 사용하여 액-가스 열교환기의 성능특성을 파악한 것이 대부분이다. 즉, 최근에 활발히 연구되고 있는 R290에 대한 액-가스 열교환기의 성능 특성에 관한 연구는 극히 부족한 실정이다.⁴⁾

따라서 본 연구에서는 액-가스 열교환기를 적용한 R290용 냉동공조장치에서 액-가스 열교환기의 크기(용량)에 영향을 미치는 관경, 관길이, 냉매유량, 유용도를 변화시켰을 경우 냉동장치의 성능에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 이론적으로 파악 및 분석하고, 이를 통해 액-가스 열교환기를 적용한 R290용 냉동장치의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 성능 분석⁴⁾

본 논문에서 사용된 R290 냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES(Engineering Equation Solver)⁹⁾ 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 액-가스 열교환기를 가진 R290용 1단 압축 1단 팽창 증기압축식 냉동시스템의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

ㆍ압축기 내 냉매는 단열압축과정이고, 기계효율과 압축효율은 0.8로 가정하였다.
ㆍ열교환기(증발기, 응축기, 액-가스열교환기) 내의 냉매 압력강하와 열손실은 무시하였다.
ㆍ팽창밸브 밸브 내의 열출입은 무시하였다.
ㆍ사이클 내 배관의 압력강하와 열손실은 무시하였다.
ㆍ팽창밸브 내 냉매는 단열팽창인 등엔탈피과정이다.
ㆍ운동에너지와 위치에너지의 변화는 없는 것으로 가정하였다.
ㆍ액-가스 열교환기 내 냉매가스(증발기 출구)와 냉매액(응축기 출구)의 냉매순환량은 동일한 것으로 가정하였다.

Fig. 1은 본 연구에서 적용한 액-가스 열교환기를 가진 R290용 1단 압축 1단 팽창 증기압축식 냉동시스템의 상세도를 나타낸 것이고, 이의 분석에 필요한 식들은 아래와 같다. 우선, 액-가스 열교환기내에서 증발기 출구의 냉매가스와 응축기 출구의 냉매액이 서로 열교환하는 전열량은 다음과 같다.

위의 식 (3)에서 A는 액-가스 열교환기의 전열면적(=πㆍd_mㆍL_IHX)이고, ΔT_LMTD는 대수평균온도차이며, U는 총괄 열전달계수로 액관과 가스관의 오염계수를 무시하면 아래와 같이 열전달 계수만의 간단한 식이 된다.

증발기 출구의 저온가스와 응축기 출구의 고온냉매액의 열전달 계수를 예측하는 식으로는 R290의 열전달에 비교적 잘 일치하는 상관식인 Dittus-Boelter 식을 이용하여 구한다.

액-가스 열교환기를 가진 냉동시스템의 냉동능력과 압축일량은 식 (7)과 (8)로 계산한다.

액-가스 열교환기를 가진 R290용 증기압축식 냉동시스템의 성적계수(COP)는 식 (7)과 (8)로부터 다음과 같이 계산한다.

Table 1은 본 연구에서 사용되는 냉동시스템의 성능 분석 범위를 나타낸 것으로 R290용 냉동사이클의 일반적인 운전조건이다. Table 2는 액-가스 열교환기에 대한 상세한 사양을 나타낸 것으로 내관으로 응축기 출구에서 나온 고온의 냉매액이 흐르고 외관으로 증발기 출구에서 나온 저온의 냉매가스가 흐르는 이중관식 열교환기이다. Table 1의 분석조건과 가정으로부터 EES 소프트웨어를 이용하여 열물성치값을 계산하고 위의 수식들을 이용하여 액-가스 열교환기를 가진 R290용 냉동사이클의 냉동능력, 압축일량, 성적계수에 영향을 미치는 액-가스 열교환기 길이, 관경, 유용도, 냉매 질량유량 등의 인자들에 대해서 살펴보고자 하였다.

Table 1

Performance analysis ranges of R290 refrigeration system with liquid-gas heat exchanger

Table 2

Specifications of liquid-gas heat exchanger

3. 본 론

3.1 냉매 유량의 영향

Fig. 3은 응축기내 냉매의 응축온도(Tgc=50℃), 증발온도(Te=0℃), 과냉도(△Tsub=5℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 액-가스 열교환기 길이(LIHX=2 m), 내관 내경(di=4.57 mm), 기계효율(η_m=0.8), 압축효율(η_c=0.8)인 조건에서 냉매유량(mre=0.01~0.05 kg/s) 변화에 따른 액-가스 열교환기를 가진 R290용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동사이클의 상대 냉동능력지수(Relative capacity index, 이하 RCI), 냉동능력(Qe), 압축일량(W)를 나타낸 것이다. Fig. 3에서 RCI는 냉동능력에 대한 액-가스 열교환기의 효과를 정량적으로 나타내기 위한 것으로 그 식은 다음과 같다.

Fig. 3

RCI, W, Qe of IHX with respect to variation of mass flowrate

$\[ \text{RCI=}\left(\frac{{\text{Q}}_{\text{e,IHX}}\text{-}{\text{Q}}_{\text{e,no,IHX}}}{{\text{Q}}_{\text{e,no,IHX}}}\right)\text{×100\%} \]$

(10)

식 (10)에서 Qe,IHX는 액-가스 열교환기를 부착한 경우의 냉동능력이고, Qe,no,IHX는 액-가스 열교환기를 부착하지 않은 경우의 냉동능력이다. 그리고, Fig. 3에서 냉동능력(Qe)과 압축일량(W)은 액-가스 열교환기를 부착한 경우에 대한 값을 나타낸 것이고, 액-가스 열교환기 외관으로 흐르는 냉매는 앞의 가정에서도 언급한 것처럼 증발압력과 동일하며, 액-가스 열교환기의 내관으로 흐르는 냉매는 응축기내 냉매 압력과 동일하다.

Fig. 3에서 알 수 있는 것처럼, 냉매유량이 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 증가하는데, 이는 식 (7)과 (8)에서와 같이 냉매유량이 증가할수록 냉동능력과 압축일량이 증가하기 때문이다. 또한 냉매유량이 증가할수록 RCI가 감소한다. 이는 냉매유량이 증가할수록 Qe,IHX의 증가량보다 Qe,no,IHX의 증가량이 많기 때문이다.

3.2 내관 직경의 영향

Fig. 4는 액-가스 열교환기의 내관 직경 변화에 따른 성능특성을 파악하기 위한 것으로, 응축기내 응축온도(Tgc=30℃), 증발온도(Te=-5℃), 과냉도(△Tsub=5℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 냉매유량(mre=0.01 kg/s), 액-가스 열교환기 길이(LIHX=1 m), 기계효율(η_m=0.8), 압축효율(η_c=0.8)인 조건에서 내관 직경(di) 변화에 따른 R290용 증기압축식 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량을 나타낸 것이다.

Fig. 4

RCI, W, Qe of IHX with respect to variation of inner diameter tube of liquid-gas heat exchanger

Fig. 4에 나타낸 것처럼, 액관의 직경이 증가할수록 냉동능력은 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이는 액관직경이 증가할수록 냉매질량 유속이 줄어들고, 이로 인해 액관과 가스관내 입출구 온도차가 감소하여 액과 가스의 열전달량이 줄어들기 때문이다. 즉, 액-가스 열교환기 출구(또는 증발기 입구) 엔탈피(h4=h5)가 상승하여 냉동능력이 감소하게 된다. 또한 Fig. 4에서 액관의 내경이 증가할수록 압축일량은 약간 감소하는데, 이는 액관 직경이 증가할수록 압축기 입구의 엔탈피가 증가하기 때문이다.

Fig. 4에서 알 수 있듯이, 액관의 직경이 증가할수록 RCI는 감소하는데 이는 위에서 언급한 것처럼 액관 직경이 증가할수록 액-가스 열교환기를 부착한 경우의 냉동능력(Qe,IHX)은 감소하지만, 액-가스 열교환기가 없는 경우의 냉동능력(Qe,no,IHX)은 거의 일정하기 때문이다.

3.3 열교환기 길이의 영향

Fig. 5는 응축기내 응축온도(Tgc=40℃), 증발온도(Te=-5℃), 과냉도(△Tsub=5℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 냉매유량(mre=0.01 kg/s), 내관 직경(di=7.74 mm), 기계효율(η_m=0.8), 압축효율(η_c=0.8)인 조건에서 액-가스 열교환기 길이(LIHX) 변화에 따른 R290용 증기압축식 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량을 나타낸 것이다.

Fig. 5

RCI, W, Qe of IHX with respect to variation of Length of internal heat exchanger

Fig. 5에서 알 수 있는 것처럼, 액-가스 열교환기 길이가 증가할수록 냉동능력은 약간 증가한다. 그 이유는 배관길이가 길어짐에 따라 액관과 가스관내의 냉매 입출구 온도차가 증가하고 이로 인해 전열량이 증가하기 때문이다. 즉, 액-가스 열교환기 출구(또는 증발기 입구) 엔탈피(h4=h5)가 감소하여 냉동능력이 증가하게 된다. 또한 Fig. 5에서 액-가스 열교환기 길이가 증가할수록 압축기 입출구 엔탈피의 상승으로 인해 압축일량은 약간 상승하는 경향을 보였다.

Fig. 5에서 나타낸 것처럼, 액-가스 열교환기 길이가 증가할수록 RCI는 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 위에서 언급한 것처럼 길이가 증가할수록 액-가스 열교환기를 부착한 경우의 냉동능력(Qe,IHX)은 증가하는 반면, 액-가스 열교환기가 없는 경우의 냉동능력(Qe,no,IHX)은 거의 일정하기 때문이다.

3.4 유용도의 영향

응축온도(Tgc=50℃), 증발온도(Te=0℃), 과냉도(△Tsub=5℃), 과열도(△Tsuh=5℃), 냉매유량(mre=0.01 kg/s), 액-가스 열교환기 길이(LIHX=2 m), 내관 직경(di=4.57 mm), 기계효율(η_m=0.8), 압축효율(η_c=0.8)인 조건에서 액-가스 열교환기의 유용도 변화에 따른 R290용 증기압축식 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량 변화를 살펴보았다. 여기에서 액관과 가스관 내를 흐르는 냉매의 실제가능 열전달량과 최대가능 열전달량의 비율을 나타내는 액-가스 열교환기의 유용도(Effectiveness)는 다음과 같이 정의된다.

$\[ ϵ\text{=}\left(\frac{{\text{T}}_{\text{g,out}}\text{-}{\text{T}}_{\text{g,in}}}{{\text{T}}_{\text{l,in}}\text{-}{\text{T}}_{\text{g,in}}}\right) \]$

(11)

위에서 언급한 액-가스 열교환기의 유용도는 열교환기의 표면적(전열면적)과 밀접한 관계가 있다. 즉, 액-가스 열교환기의 유용도가 0이라는 것은 액-가스 열교환기가 없는 경우(액-가스 열교환기 없는 시스템)를 말하며, 유용도가 1이라는 것은 전열면적이 무한한 액-가스 열교환기를 가지고 있는 경우(시스템)를 의미한다.

Fig. 6에서 알 수 있는 것처럼, 유용도가 증가할수록 냉동능력은 증가한다. 여기서 유용도가 증가한다는 것은 액관 입구온도(Tl,in)와 가스관 입구온도(Tg,in)가 각각 45℃와 5℃로 일정하기 때문에 가스관 출구온도(Tg,out)가 증가하는 것을 의미하므로 액관 출구온도(Tl,out)도 증가하는 것을 말한다. 따라서 유용도가 증가하면 액관 출구엔탈피(h4=h5)가 감소하여 냉동능력은 증가하게 된다. 또한 압축일량은 거의 일정한 것으로 나타났다. Fig. 6에서 RCI는 유용도와 함께 증가하는 경향을 보인다. 이는 앞에서도 언급한 거처럼 유용도가 증가할수록 액-가스 열교환기를 가지는 경우의 냉동능력이 증가하기 때문이다.

Fig. 6

RCI, W, Qe of IHX with respect to variation of effectiveness of internal heat exchanger

5. 결 론

액-가스 열교환기를 부착한 R290용 1단압축 1단팽창 증기압축식 냉동장치에서 액-가스 열교환기의 냉매 질량유량, 내관 직경, 길이, 유용도의 변화에 냉동장치의 성능 특성을 파악하고자 하였으며, 이들 변화에 따른 냉동사이클의 RCI, 냉동능력, 압축일량에 미치는 영향을 Table 1의 운전조건에서 살펴보았다.

1) 액-가스 열교환기내의 냉매 질량유량 변화에 따른 RCI, 냉동능력, 압축일량의 특성을 살펴보면, 냉매유량이 증가할수록 RCI, 냉동능력, 압축일량은 증가하였다.

2) 액-가스 열교환기의 내관 직경에 대한 영향을 살펴보면, 액관의 직경이 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 약간 감소하였고, RCI는 감소하였다.

3) 액-가스 열교환기의 길이에 대해서는 액-가스 열교환기 길이가 증가할수록 냉동능력과 압축일량은 약간 증가하였고, 또한 RCI는 증가하는 것을 알 수 있었다.

4) 유용도에 대해서는 유용도가 증가할수록 냉동능력은 증가하였고, 압축일량은 거의 일정한 것으로 나타났다. 그리고 RCI는 유용도와 함께 증가하는 경향을 보인다.

5) 위의 결과로부터 R290를 냉매로 사용하는 증기압축식 냉동사이클에서 액-가스 열교환기내의 냉매 질량유량, 내관 직경, 길이, 유용도 등에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이러한 영향들을 파악하고 액-가스 열교환기의 크기와 용량을 결정하여 설계할 필요가 있다.

Author contributions

S. J. Ha; Data curation, Formal analysis, Writing-orifinal draft. H. K. Ku; Conceptualization, Supervision.

References

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