Experimental Study on the Performance Characteristics of Cascade Refrigeration System with R-404A/R-23

Abstract

저온 냉동은 식품 저장, 의료기기, 반도체 공정 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 저온 냉동 방법에는 대표적으로 다단 압축 냉동시스템, 혼합냉매를 이용한 오토 캐스케이드 냉동시스템 등이 있다. 캐스케이드 냉동시스템의 경우 고온부(HTC, High temperature circuit)와 저온부(LTC, Low temperature circuit)로 독립된 2대의 독립된 냉동기로 이루어져 있기 때문에 장치가 차지하는 면적은 크지만 안정적으로 저온영역에 도달할 수 있다는 장점이 있고, 사용 온도 범위가 영하에서 높게는 영상 온도까지 사용할 수 있기 때문에 경제성 면에서 이득이 있어 산업현장에서 주로 사용되는 시스템이다. 캐스케이드 시스템에서 고온부는 주로 비등점이 높은 냉매를 사용하며, 저온부는 저온영역까지 도달할 수 있는 비등점이 낮은 냉매를 사용한다. 캐스케이드 냉동시스템의 장점 중 하나는 바로 비등점이 낮은 냉매의 응축 과정이다. 캐스케이드 냉동시스템은 고온부의 증발기와 저온부의 응축기 역할을 하는 캐스케이드 열교환기를 통해 상당히 낮은 온도에서 응축이 가능하다. 하지만 캐스케이드 열교환기 내에서의 열 유동은 고온부와 저온부 각각 개별적으로 이루어지는 것이 아니라 동시에 이루어지기 때문에 캐스케이드 열교환기에서 고온부의 증발온도 혹은 저온부의 응축온도를 어떻게 설계하느냐에 따라 캐스케이드 냉동시스템의 성능이 결정된다. 하지만 대부분 시뮬레이션 분석을 통한 시스템 성능예측의 논문 [1-16] 이고 실제 장치를 설계하여 가동 시 여러 작동 변수에 대한 (ex. 압축기의 체적효율 및 압축효율 등)은 고려를 하지 않았기 때문에 최적의 운전조건을 모색하는 데에는 한계가 있어 보인다. 따라서 본 연구에서는 R-404A/R-23 냉매를 이용하여 여러 가지 조건에서 캐스케이드 냉동시스템의 성능 특성을 실험적으로 분석하였고, 이에 대해 R-404A/R-23 냉매군에 대한 최적의 운전조건에 대한 결과를 제시하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다. 고온부의 응축온도가 증가함에 따라 고온부 사이클의 성능계수는 낮아지고, 저온부 사이클의 성능계수는 거의 일정하게 유지되는 경향을 보였다. 이에 따라 총괄 COP는 감소하는 경향을 보였으며, 이는 고온부 사이클에 영향을 크게 받은 것으로 여겨진다. 저온부의 응축온도가 증가함에 따라 고온부 사이클의 성능계수는 큰 변화는 없었으나, 저온부 사이클의 성능계수는 상승하는 경향을 보였다. 이에 따라 총괄 COP는 증가하는 경향을 보였으며, 이는 저온부 사이클의 영향을 크게 받은 것을 알 수 있었다. 저온부의 응축온도가 증가함에 따라 고온부 사이클의 성능계수는 낮아지고, 저온부 사이클의 성능계수는 높아지는 경향을 보였다. 이에 따라 총괄 COP는 일정 저온부 응축온도까지 상승하다 감소하는 경향을 보였다. 이는 곧 최적의 총괄 COP를 갖는 저온부 응축온도가 존재한다는 점이고, 실험적 변수인 고온부 증발온도, 저온부 증발온도의 실험 결과와 종합하여 사용 목적 온도에 따른 캐스케이드 냉동시스템의 최적 저온부 캐스케이드 열교환기의 응축온도에 대해 제시하였다.