저온영역(-30℃ ~ -50℃)에서 이산화탄소의 증발열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험적 연구

Abstract

프레온계 냉매가 환경에 미치는 오존층 파괴 및 지구온난화와 같은 문제들이 밝혀지기 시작하면서 이를 해결하기 위한 대안으로써 자연냉매가 다시 주목을 받고 있다. 특히 이들 대체 냉매들 중 CO2는 인화성이 없으며 오존층 파괴지수가 0이고, 대기 중의 CO2를 액화시켜 사용하므로 지구온난화지수를 고려하지 않아도 된다는 장점이 있다. 그러나 CO2를 냉동-공조 장치에 적용할 경우, 시스템의 압력이 상당히 높아지기 때문에 압축기와 열교환기(증발기)를 재설계할 필요가 있다. 특히 CO2를 작동유체로 사용하는 냉동-공조 시스템에서 증발기는 중요한 구성요소이므로 증발기에서의 열전달 특성에 대하여 파악하는 것은 필수적이다. CO2에 대한 증발열전달에 대한 연구는 1990년 이후 매우 다양하게 진행되고 있으나, CO2 냉매의 저온(-30℃이하) 증발 열전달에 대한 연구 사례는 적을 뿐 아니라 그 결과에 있어서도 일관된 형태를 나타내지 못하고 있다. 이는 수평관내 CO2의 증발 열전달에 있어서 작동매체인 CO2의 비체적, 비열, 밀도, 표면장력 등의 물성치가 온도에 따라서 크게 변화하므로 기존의 프레온계 냉매의 증발 열전달 특성과는 상당히 다른 결과를 나타내고 있기 때문이며, 증발기에서 저온을 얻기 위해서는 2단 압축 냉동시스템이나 캐스케이드 냉동시스템을 구성하여야 하는데, 이 시스템들을 구성하는 비용이 많이 들어가기 때문이다. 현재 많은 경제 발전으로 인해 대형 할인마트와 같이 -30℃이하의 저온을 필요로 하는 곳이 늘어나고 있으며, 특히 -30℃이하에서의 CO2 증발열전달 특성에 관한 연구는 거의 전무하기 때문에 반드시 이 부분에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 논문은 CO2용 캐스케이드 냉동시스템의 구성요소인 증발기를 -30℃ -50℃의 영역에서 실험적으로 고찰하여 저온 증발열전달 특성 및 압력강하의 특성에 대한 기초적 설계 자료를 제공하고자 한다.