HCFC계 대체냉매에 대한 과열도 변화에 따른 성능특성연구

Abstract

지난 반세기동안 R22는 냉매로서 우수한 열역학적 화학적 성질들과 높은 안정성 때문에 냉동공조 분야에서 널리 사용되어 왔다. 그러나 1970년대 중반에 CFC(Chloro Fluor Carbon) 들이 대기권에서 분해되지 않고 성층권의 오존층을 파괴한다는 사실이 알려지면서 미국을 비롯한 여러 선진국들은 CFC 및 HCFC(Hydro Chloro Fluor Carbon)계열의 냉매들을 대체하기 위한 노력을 하기 시작했다. 이에 선진국들은 몬트리올 의정서에 의거하여 1996년 1월1일부터 HCFC사용량을 동결하게 되었고 2019년 말까지는 전폐시키기로 합의하였다. 또한 R22는 지구온난화의 원인이 되는 물질 중 하나이기 때문에 최근 심각하게 문제가 되고 있는 환경문제를 해결하기 위해서는 R22의 대체 냉매 개발이 시급하다. 이에 따라 R22를 대체할 가능성이 있는 물질들에 대한 여러 연구가 이미 발표되었다. 현재 대부분의 냉동·공조기기는 R22의 대체냉매로 불화탄화수소(HFC, hydrofluorocarbon)계열의 순수냉매 R134a, 혼합냉매 R407C와 R410a를 적용하고 있으며 자연냉매로는 탄화수소계 냉매인 R290(Propane)과 R1270(Propylene), R600a(Isobutane)등과 무기화합물질인 R717(Ammonia)냉매를 대체 냉매로 사용 되여 지고 있다. R134a는 오존층을 파괴하는 염소 대신 수소가 결합되어 오존층 파괴지수 ODP(Ozone Depletion Potential)가 0이다. 따라서 자동차용 공조기기와 중.대형 냉동 공조기기인 터보냉동기 산업분야 에서는 HCFC 냉매인 R134a로 전환하여 사용 되어지고 있다. 그러나 지구온난화를 유발한다는 사실이 밝혀짐에 따라 교토의정서에 의거하여 HFC계 냉매 사용 도는 규제토록 제안되었다. HFC사용규제로 인한 문제들을 해결하기 위한 방법 중의 하나는 탄화수소와 같은 자연냉매와 무기화합물질인 암모니아 냉매를 이용하는 것이 지구환경 문제를 해결하는 최선의 냉매로 거론되어지고 있다. 하지만 탄화수소 냉매는 여러 가지 장점들을 갖고 있음에도 불구하고 가연성 폭발성 문제 때문에 유럽을 제외한 미국 등 다른 선진국에서는 사용이 거의 무시되어 왔으나 최근에는 지구 환경보호에 대한 관심이 증대되면서 친환경적인 냉매로 적극 검토되어지고 있으며 암모니아 냉매는 오래 전부터 폭넓은 온도범위에서 많이 사용되고 있으며 COP 및 열전달이 우수하여 임계온도 및 임계압력이 높아 냉매로서는 우수한 특성을 가지고 있지만 독성과 가연성, 폭발성을 갖고 있다는 단점이 있으나 가연성과 폭발성은 탄화수소계 냉매보다 훨씬 낮아 우수한 냉매로 인정받고 있다. 응축압력과 과열도 변화에 따른 R22, R717, R134a 냉매를 작동 유체로 한 냉동장치의 성능특성 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 동일 응축압력에서 과열도가 높아짐에 따라 증발압력이 저하하여 평행온도가 낮아지고 냉매 증기의 비체적이 커지게 되어 냉매 질량유량이 감소함이 많았으며 응축압력이 높아짐에 따라 압축비가 증가하여 체적효율의 저하로 질량유량이 감소함을 알았다. 2) 냉매의 질량유량은 냉매증기의 밀도와 압축비에 의한 압축기의 성능과의 관계가 있음을 알았으며 R22 냉매를 사용한 냉동시스템을 R134a 냉매로 냉매만을 교체하였을 때 압축기가 커져야 하므로 대체냉매로서 사용이 불가능하고 R717 냉매는 압축기 크기와는 문제가 없음을 알았다. 3) R134a, R717, R22 냉매 모두 과열도가 높아질수록 증발기에 유입되는 냉매 질량유량이 감소하여 압축비가 커지고 동력이 증가하여 성적계수가 감소하므로 에너지 손실이 많아짐을 알았다. 동일 응축압력과 동일 과열도 에서는 R717 냉매가 가장 높은 소요동력을 나타냈으며 R22 냉매에 비하여 11～13%높고 R134a 냉매와는 21～25 %높았다. 4) 흡열량에 대하여 동일 응축압력과 동일 과열도로 각각의 냉매를 비교해 보았을 때 R22 냉매에 비하여 R717 냉매가 10～11%높았으며 R134a 냉매는 30～32% 감소함을 나타내었다. 5) 성적계수는 R22 냉매와 R717 냉매와 큰 차이가 없었으나 R134a 냉매는 큰 차이를 보였다. R134a 냉매는 R22, R717 냉매에 비하여 25%정도 성적계수가 낮음을 알았다. 6) R22 냉동시스템에 냉매만을 교체하여 적용할 수 있는 Drop-In 대체냉매는 R717 냉매가 냉동능력, 소요동력이 우수하다는 것을 알았으며 응축압력은 낮고 과열도는 3℃이내 운전이 가장 냉동능력이 좋았음을 알았다.|As HCFC alternative refrigerants that have been used for half a century, it considered a main factor of destructed ozone layer and global warming, and they have been replaced by HFC refrigerants. However, as there have been serious debates on global warming, for R134a, a HFC refrigerant, its ODP (Ozone Depletion Potential) is “0”, but as it was categorized as a refrigerant that causes global warming, its GWP (Global Warming Potential) is considered a problem. Therefore, this study was compared the performances of each refrigerant, and identified optimal operating conditions of the refrigerating system and conditions that can be maximized energy efficiency using R22, HCFC refrigerant, R134a, a HFC refrigerant, and R717 (Ammonia), an environmentally-friendly working fluid. We carried a performance test of each refrigerant according to the condensation pressure and superheat change and obtained the following results:

1) We found that as superheating increased at the same condensation pressure, evaporation pressure decreased, parallel temperature became lower, specific volume of refrigerant vapor increased, and mass flow of the refrigerant decreased significantly. As condensation pressure being increased, the ratio of pressure being increased, volume efficiency decreased and mass flow decreased.

2) The mass flow of the refrigerant is involved in density of refrigerant when the refrigerant of R22 is replaced by R134a for the refrigerating system, and a bigger compressor is needed, it can not be used as an alternative refrigerant. However, R717 has no problem with the size of the compressor.

3) Being increased the R134a, R717, and R22 flowed in the evaporator as superheating the mass flow of the refrigerant was decreased, and the compression ratio power was increased, and performance coefficient decreases and significant energy loss is found. At the same condensation pressure and superheating, R717 refrigerant required the higher power than that of R22.

4) Comparing, with the absorbing calories of each refrigerant at the same condensation pressure and same temperature, R717 was 10-11% larger than that of R22, and was 30-32% smaller than R134a.

5) There was a significant difference in performance coefficient between R22 and R717, but R134a showed a significant difference. R134a had a lower performance coefficient by about 25% in comparison with R22 and R717 .

6) For drop-in alternative refrigerants applied for R22 refrigerating system through only alternation of a refrigerant, R717 had superior in refrigerating and power requirements and refrigerating capability was the most outstanding at low condensation pressure and within 3℃ of superheat.