Performance Characteristics of Vapor-Injection Refrigeration System with Various Intermediate Pressures

Abstract

상업화된 냉동 시스템이 개발된 이후, 사람들의 삶의 질은 급속히 진보하였다. 냉동기를 통해 식품의 보존 기간 및 상태가 향상되었으며, 공기 조화기는 외부 조건에 관계없이 쾌적한 환경을 조성하여 주었다. 공기 조화기는 또한, 사람이 살 수 없는 환경에서도 호흡에 필요한 공기를 제공함으로써 인류가 심해에서부터 우주로까지 진출하는데 이바지하였다. 하지만 냉동 시스템에도 결점이 존재한다. 냉동 시스템 내의 냉매는 성층권의 오존을 분해하여 생태계를 교란시키며, 일부 냉매는 태양으로 부터의 열을 흡수함으로써 지구 온난화를 심화시킨다. 냉동 시스템의 대부분을 차지하는 EHP(전기 구동식 히트펌프)는 전기를 입력으로 사용하는데, 세계적으로 절반이 넘는 전력은 화력 발전을 통해서 생성된다. 그러므로 냉동 시스템 자체도 지구 온난화를 심화시키는 요인으로 여겨질 수 있다. 냉동 시스템이 환경에 미치는 악영향들을 줄이기 위해 많은 연구들이 진행되어왔다. 오존 파괴 지수인 ODP와 온난화 지수인 GWP가 낮은 새로운 냉매의 개발, 냉동 시스템의 구성기기 각각의 성능 향상, 새로운 냉동 시스템 개발 등을 목표로 하는 다양한 연구가 진행되어 왔으며 베이퍼 인젝션 냉동 시스템은 이 연구들의 성과 중 하나이다. 베이퍼 인젝션 냉동 시스템은 응축기 출구의 냉매 액 일부를 바이패스 하여 이코노마이저에 통과시킴으로 시스템의 냉동 효과를 증가시키는 동시에, 이코노마이저에서 나온 냉매 증기를 압축기에 직접 주입 시켜 압축기 토출 냉매 온도를 낮추는 시스템이다. 향상된 냉동 효과에 의해 같은 증발열량 대비 압축기의 필요 용량이 줄어들고, 낮아진 토출 온도에 의해 시스템의 효율 및 안정성이 동시에 향상된다. 또한, 베이퍼 인젝션 냉동 시스템은 중간 냉매 주입구(인젝션 포트)가 적용된 특수 압축기 1대만이 필요하기 때문에 2단 압축 및 2원 냉동 시스템과 같이 다수의 압축기가 요구되는 개량형 냉동 시스템보다 설치 면적 및 비용 면에서 더 큰 강점을 가진다. 현재 베이퍼 인젝션 시스템에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며 문헌들은 크게 압축기 내의 냉매와 주입 냉매 사이의 상호작용을 분석하는 시스템 모델화에 관한 연구, 다른 시스템과의 비교를 통해 베이퍼 인젝션 시스템의 적용 영역에 관한 연구, 그리고 냉매의 인젝션 압력인 중간압에 관한 연구의 세 범주로 나뉠 수 있다. 본 연구의 주목적은 베이퍼 인젝션 냉동 시스템의 성능 특성을 실험을 통해 분석하고 중간압이 시스템의 냉각 성능 특성에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 이를 통해 타 문헌에서는 제시하지 않은 최고의 성능을 산출하는 베이퍼 인젝션 냉동 시스템의 최적 중간압을 계산하는 수식을 제시하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다: (1) 중간압의 증가에 따라 바이패스 되는 냉매의 유량이 증가하게 되고 이로 인해 인젝션 비율도 함께 상승한다. 증발기를 흐르는 냉매의 유량은 중간압에 거의 영향을 받지 않기 때문에 중간압이 높아질수록 압축기와 응축기를 흐르는 전체 냉매 유량이 증가한다. 결과적으로 증가한 냉매 유량으로 인하여 입축일량은 중간압에 비례하여 증가하는 경향을 보인다. (2) 증발열량에 대하여 최적의 중간압 값이 관측된다. 낮은 중간압 범위에서는 중간압과 함께 증가한 바이패스 냉매 유량이 이코노마이저의 열량을 향상시켜 증발열량이 증가한다. 하지만 중간압이 계속 상승함에 따라 바이패스 냉매의 포화 온도도 함께 상승하며, 이로 인해 반대 측 냉매액의 과냉도가 제한된다. 결과적으로, 이코노마이저의 열량이 도리어 감소하기 시작하면서 증발열량 또한 감소하게 된다. 이로 인해 증발열량은 중갑압에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 나타낸다. (3) 베이퍼 인젝션 냉동 시스템의 성능계수는 증발열량의 증가 비율이 입축일량 증가 비율보다 낮기 때문에 전 실험 구간에서 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 회귀 분석을 통해 예측한 COP들을 통해 COP 또한 중간압에 따라 최적값을 나타내는 것을 확인하였다. 중간압이 낮은 영역에서는 중간압의 증가에 따른 압축일량의 증가율이 증발열량의 증가율보다 낮기 때문에, 시스템 COP는 증가하는 경향을 나타낸다. 하지만 중간압이 계속 증가함에 따라 증발열량이 최적점 이후 감소하기 시작하면서 시스템 COP도 감소하기 시작한다. 따라서 시스템 성능계수는 증발열량과 마찬가지로 중간압에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 나타낸다. 실험 결과를 바탕으로 베이퍼 인젝션 냉동 시스템의 성능계수가 최고가 되는 대략적인 최적의 중간압에 대한 계산식을 압력과 온도에 대하여 각각 제시하였다.