내부열교환기와 이젝터를 적용한 이산화탄소 냉동사이클 성능 특성에 관한 해석적 연구

Abstract

최근 산업발달로 인하여 급격한 기술발달과 더불어 환경오염 문제가 심각하게 대두되면서 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 기존에 사용되었던 CFC 및 HCFC 계열의 냉매는 오존층 파괴와 지구온난화를 유발시키는 등 심각한 환경오염과 생태계 파괴를 가속시킴에 따라 국제적인 협약을 통해 사용을 규제하고 있다. 이에 선진국의 경우 1995년 말부터 CFC 냉매의 생산을 전폐하였고, HCFC 냉매의 경우 2020년 전폐를 목표로 대체 냉매를 이용한 응용기술 개발 및 제품 생산이 진행되고 있다. 대체냉매로는 합성물질인 HFC계 냉매와 자연냉매 등이 유력하며 유럽을 중심으로 냉장고에서는 HC계 냉매인 R-600a도 대체냉매로 사용되고 있으며 가정용 에어컨에는 혼합냉매인 R-407C와 R-410A가 R-22 냉매를 대체하여 적용되고 있다. 그러나 현재 대체냉매로 많이 사용되고 있는 HFC계 냉매도 생산 공정 중에 오존층을 파괴시키는 물질이 나오는 것으로 알려져 있으며 지구온난화지수(Global Wariming Potentail : GWP)가 기존의 HCFC계 냉매 수준이므로, 1997년 채택된 교토의정서에는 온실효과 가스의 배출규제 물질에 포함되어 있다. 이에 자연속에 존재하는 자연냉매에 대한 연구가 각광 받고 있다. 자연냉매는 환경적인 측면에서 오존층 피괴와 지구온난화에 미치는 영향은 미미하고 무독성으로 인체에 무해하며, 화학적으로 안정적이며, 기존의 냉동기 재료를 그대로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으며 열역학적 물성치와 전달물성이 우수하여 냉동기에 적용하였을 시에 높은 성능계수를 얻을 수 있다. 이러한 자연냉매중 하나인 이산화탄소는 ODP 및 GWP가 매우 낮고 열역학적 물성치가 뛰어나며, 독성과 인화성이 없다. 또한 시스템 소형화에 매우 유리하며, 주변에서 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이산화탄소 시스템은 기존의 아임계 사이클과 달리 초월임계 사이클로 고압에서 상변화 없이 작동하여 기존의 시스템에 비해 신뢰성이 낮고 비효율적인 성능을 보이고 있다. 따라서 시스템의 성능향상을 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며 그 중 한 가지 방법은 사이클의 팽창과정에서의 추력손실(expansion loss)을 감소시키는 것이다. 이젝터(ejector)의 팽창과정은 등엔트로피 과정과 유사하여 팽창과정에서의 추력손실을 감소시키며 일의 손실을 압력에너지로 전환시켜 시스템 압력을 상승시키는 가압 기능도 가지고 있다. 이로 인하여 압축비와 압축기 소요동력을 감소시켜 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 이젝터는 구조가 간단하고 구동부가 없어 유지 및 관리가 용이하다. 또한 반영구적이고 제작비용이 저렴하여 실제 상업용 시스템에 적용이 유리하고 신뢰성이 높다. 내부열교환기는 가스쿨러 출구의 고온고압의 냉매와 증발기 출구의 저온저압의 냉매를 서로 열교환 함으로써 팽창장치 입구에서 냉매의 과냉도를 증가시켜 팽창장치의 비가역적인 손실을 줄이고 압축기 입구의 과열도를 확보하여 압축기에 유입되는 액상의 냉매를 방지하는 역할을 하게 된다. 또한 증발기의 냉방용량의 증가로 인하여 사이클의 성능을 높이고 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 이산화탄소를 이용한 사이클에 대한 연구는 최근 국내에서 활발히 진행되고 있으나 아직 사이클의 특성에 관한 연구가 명확하고 일괄적으로 정리되지 못하고 있다. 일반적으로 이산화탄소를 적용한 시스템의 성능이 기존의 냉매를 적용한 사이클보다 낮으며 외기온도에 변화에 따른 사이클의 성능 변화가 심해 사이클의 신뢰성이 낮음으로 이를 극복하기 위한 사이클 방안에 대한 구체적인 이해와 해석, 그리고 성능향상을 위한 방법에 대한 자세한 연구가 현실적으로 절실히 필요하다. 특히 이산화탄소 사이클 성능 향상시킬 수 있는 방안으로 내부열교환기나 이젝터 적용한 따른 연구는 세계적으로 미비한 단계에 있고 성능에 대한 해석 데이터나 주변조건에 따른 사이클의 성능 특성에 대한 연구는 아직 완성단계에 이르지 못하고 있다.|Recently, the interest about natural refrigerant has been increased as the international regulation and constraints on the environment has been developed and strengthen. Among the natural refrigerants, Carbon dioxide(CO2) is in highlight as a future substitutable refrigerant, so it has been researched actively on HVAC application fields. However, refrigerating cycle using carbon dioxide is usually operated beyond the critical pressure, so it is operated under high pressure compared to subcritical cycle. In addition to, the system performance is lower than a subcritical cycle and it varies significantly with operating conditions. There are several methods to improve the system to improve the system performance of CO2 heat pump system. One of those ways is to use an ejector and internal heat exchanger. In a CO2 cycle, an ejector an reduce the throttling losses during the expansion process and increase the evaporating pressure by using kinetic energy of expanded refrigerant, and thereby the compressor can be significantly reduced. The internal heat exchanger(IHX) is commonly utilized to increases the cooling capacity by the reduction of the gascooler outlet temperature through the heat exchange between the gascooler outlet refrigerant and evaporator outlet refrigerant. By installation of an ejector and IHX into a CO2 refrigerant cycle, the system performance and reliability can be improved simultaneously. The refrigerant system using carbon dioxide is still in the beginning stage of HVAC application fields. Researches on performance improvement of a CO2 refrigerant system with an ejector and IHX are hardly to find in open literature. Especially, the studies on performance characteristics of a CO2 refrigeration system with an ejector and IHX according to operating conditions have not carried out. The objective of this study is to investigate the performance of a CO2 system using an ejector and IHX. For this, the theoretical model for prediction of system performance in a CO2 cycle with an ejector and IHX was developed and system performance was investigated with operating conditions. Besides, the system performance of a basic and an ejector cycle was compared to that of a basic and an ejector cycle with an IHX. The COP of an ejector cycle tends to increase gradually with a rise of EEV opening. It is because that the compressor work decreases by pressure recovery in an ejector and the cooling capacity increases due to a rise of refrigerant mass flow rate. In this study, the evaporating pressure of a basic and an ejector cycle at EEV opening of 60% is shown similarly. Therefore, analysis and comparison of system performance with operating conditions was performed when the EEV opening was 60% In a basic and an ejector cycle with IHX, the compressor work and cooling capacity increases with a rise of the length of IHX. However, the system COP improves until the IHX length of 12 m for both cycles, and it decreases after 12 m. As the length of IHX increases, the refrigerant mass flow rate at the evaporator increases due to a rise of entrainment in an ejector. Moreover, the quality at the inlet of evaporator is gradually decreased, and thereby the cooling capacity increases significantly. In this study, the compressor work and cooling capacity of a basic cycle increases by 8% and 11% as the length of IHX rises from 0 to 12 m. Those of an ejector cycle increases by 10% and 11%, respectively. The effect of gascooler inlet air condition is relatively small in an ejector cycle because the cooling capacity can maintain and compressor work can decrease by using an ejector. Thus, the performance degradation of an ejector cycle for various gascooler inlet air conditions is small compared to that of a basic cycle. and The improvement of system performance of an ejector cycle is relatively large compared to that of a basic cycle for various indoor air conditions. It can be expected that this study will provide the basic data about the performance variation of CO2 cycle with an ejector and IHX, and it will contribute the development of a high efficient CO2 system.