Fig. 3.1과 Fig. 3.2는 내부열교환기 사이클, 이젝터-내부열교환기 사이클의 순서 도를 나타내고 있다. 우선 사이클의 초기조건으로 압축기 입구의 온도,압력과 출 구의 압력,팽창장치 출구의 압력 값을 가정하였으며 이후 압축기,가스쿨러,EEV, 증발기의 순서대로 해석을 수행하였다.압축기와 팽창장치에서의 질량을 맞추기 위 하여 압축기 출구의 압력을 변화시켜 수렴조건을 찾고 이 후 증발기,내부열교환기 의 해석을 통하여 내부열교환기 출구 상태량을 초기 압축기 입구 압력의 차가 ±1 kPa이고 입구 온도의 차가 ±0.5oC가 될 때 수렴하도록 설정하였다.이젝터-내부열 교환기 사이클의 경우 내부열교환기 출구 상태량을 이젝터의 해석에 이용하여 이 젝터 토출의 압력과 압축기 입구의 압력의 차가 ±1kPa이 될 때 프로그램을 종료 하도록 설계하였다.
본 연구에서는 각각의 사이클의 성능변화를 고찰하기 위해 최적의 EEV 개도와 내부열교환기 길이를 선정한 후 실외온도, 실내온도, 가스쿨러 전면 공기속도, 증발 기 전면 공기속도를 변화시켜 가면서 성능해석을 수행하였다. 또한 성능 분석을 통 하여 각각의 운전조건이 시스템에 어떠한 영향을 미치는가를 알아보았으며 내부열 교환기를 기본 사이클과 이젝터에 적용함으로써 시스템의 향상도와 안정성을 비교 고찰하였다.
Fig.3.1 Algorithm forsimulation ofa basic cycle with an internal heat exchanger.
Fig. 3.2 Algorithm for simulation of an ejectorcycle with an internalheat exchanger.
제 3장 결과 및 고찰
제
1
절 EEV 개도에 따른 성능 고찰이산화탄소 냉방시스템은 일반적으로 EEV 개도 변화에 따라 성능이 크게 변화하 는 특성을 가지고 있으며 EEV 개도가 감소함에 따라 압축비가 증가하고 이에 압 축기 소요동력은 증가하는 경향을 보이게 된다. 반면 냉방용량은 증가하나 점차 그 증가율이 감소하므로 특정 EEV 개도에서 최적의 성능을 보이게 된다. 따라서 이산 화탄소 냉방시스템의 정확한 성능 데이터와 최적화된 사이클을 선정을 위하여 기 본 사이클과 이젝터 사이클의 EEV 개도를 20%에서 70%까지 10%씩 변화시켜 가면 서 최적의 EEV 개도를 선정하였다.
Fig. 4.1은 EEV 개도에 따른 두 사이클의 성능계수의 변화를 비교하여 보여주 고 있다. 일반적으로 이산화탄소 사이클의 경우 EEV 개도 변화에 따라 성능이 크 게 변화한다. 또한 시스템의 성능은 압축기의 소요동력과 냉방용량의 비로 나타나 기 때문에 Fig. 5에서 보여주었듯이 두 사이클의 성능특성은 다르게 나타나게 된다.
Fig. 6에서 볼 수 있듯이 기본 사이클의 경우 EEV 개도가 20%에서 30%로 증가함 에 따라 성능이 향상되다가 최적의 성능계수를 보였으며 이후 성능은 EEV 개도가 증가함에 점차 감소하는 경향을 보인다. 이는 20%와 같이 매우 적은 EEV 개도에 서는 EEV에서의 저항이 커짐에 압축기 소요동력이 증가하고 30%에서도 충분한 가 스쿨러 압력이 유지됨에 따라 냉방용량의 증가율이 크기 않기 때문이다. 반면 EEV 개도가 40%이상으로 커지게 되면 증발기에 흐르는 냉매의 유량은 증가하지만 가스 쿨러 압력이 적정의 압력보다 급격히 낮아지고 증발압력의 상승으로 인한 증발기 입구에서의 건도 상승으로 냉방용량이 크게 감소하여 성능은 감소하게 된다. 반면 이젝터 사이클의 경우 기본 사이클의 경우와 달리 EEV 개도에 따라 성능계수가 계속 증가하는 경향을 보이고 있는데 이는 이젝터는 사용함으로써 EEV 개도증가
에 따른 증발압력의 상승률을 감소시키고 증발기를 흐르는 냉매의 유량을 증가시 켜 증발기에서의 냉방능력을 지속적으로 향상시키기 때문이다. 또한 이젝터에서 압 력회복의 상승으로 인하여 압축기의 소요동력이 크게 감소하기 때문이기도 하다.
본 연구에서 기본 사이클의 경우 EEV 개도가 20%에서 70%으로 증가함에 따라 냉 방 성능계수는 2.52에서 2.34로 7.1% 감소하였으며 이 때 최적 성능계수의 EEV 개 도는 30%으로 나타났다. 이젝터 사이클의 경우 EEV 개도가 20%에서 70%으로 증 가함에 따라 성능계수는 2.4에서 2.87로 약 17% 증가함을 확인하였다. 본 연구에서 이젝터 사이클과 기본 사이클의 성능특성을 비교하기 위해서 기본 사이클의 최적 성능계수를 가지는 EEV 개도인 30% 조건과 동일한 증발압력을 나타내는 이젝터 사이클의 EEV 개도인 60%를 성능 비교의 대상으로 선정하여 비교 연구를 진행하 였다.
Fig. 4.2는 EEV 개도에 따른 압축기 소요동력과 냉방용량을 비교하여 나타내고 있다. 기본 사이클의 경우 EEV 개도가 증가함에 따라 압축기에서의 압축비가 감소 하며 이에 압축기 소요동력은 점차 감소하게 된다. 또한 EEV 개도가 증가할수록 증발기에 흐르는 냉매의 양은 증가하지만 증발압력과 온도의 상승으로 증발기 입 구의 건도가 커지고 이에 증발기에서의 냉방용량 또한 감소한다. 반면 이젝터 사이 클의 경우 기본 사이클과 동일한 이유로 EEV 개도가 증가함에 따라 압축기 소요 동력은 감소하는 경향을 보인다. 하지만 냉방용량의 경우 기본 사이클과 다르게 EEV가 증가함에 따라 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 EEV 개도 증가에 따라 증발기에 흐르는 냉매의 유량이 증가하며 압력회복율의 상승하고 이로 인하여 증 발기에서의 냉매의 냉방효과가 증가하기 때문이다. 본 연구에서 EEV 개도가 20%
에서 70%로 감소함에 따라 기본 사이클의 압축기 소요동력은 5.82 kW에서 5.12 kW로 약 12%, 증발기 냉방용량은 14.76 kW에서 12 kW로 약 18.6% 감소하는 것으 로 나타났다. 반면 이젝터 사이클의 경우 압축기 소요동력은 5.98 kW에서 5.64 kW
가함을 보였다.
Fig. 4.3은 EEV 개도에 따른 압력비와 질량유량을 나타내고 있다. 기본 사이클의 압축기와 증발기 내부에 흐르는 질량유량은 같으나 이젝터 사이클은 이젝터 내부 의 유인비에 따라 압축기에 흐르는 냉매의 질량유량과 증발기에 흐르는 냉매의 질 량유량이 변화하기 때문에 EEV 개도변화에 따른 냉매의 질량유량 변화를 고찰하 였다. 본 연구에서 EEV 개도가 증가함에 따라 기본 사이클과 이젝터 사이클 모두 압축기에서 토출되는 냉매의 유량은 증가하고 반면 압축비는 감소하는 경향을 보 이고 있다. 또한 이젝터 사이클의 경우 증발기에 흐르는 냉매의 질량유량 또한 EEV 개도가 증가함에 따라 증가한다. 하지만 이젝터 사이클의 압력비가 기본 사이 클의 압력비 보다 높게 나타내고 있으며 이는 이젝터 사이클의 압력회복에 의해 압축기 입구로 들어가는 냉매의 압력의 기본 사이클보다 높게 형성되기 때문이다.
또한 EEV 개도의 변화에 따른 증발기에 흐르는 냉매의 유량은 이젝터 사이클이 더 크게 영향을 받음을 확인할 수 있다. 본 연구에서 EEV 개도가 20%에서 80%으 로 증가함에 따라 기본 사이클의 압축비는 2.52에서 2.22로 약 11% 감소하는 반면 이젝터 사이클의 압축비는 2.6에서 2.51로 약 3.4% 감소하였다. 또한 EEV 개도의 증가에 따라 기본 사이클의 냉매의 질량유량은 111 g/s에서 113.8 g/s로 약 2.5% 증 가하는 반면 이젝터 사이클의 경우 81.1 g/s에서 96.5 g/s로 약 18.9% 증가함을 나 타냈다. 이젝터 사이클의 경우 EEV 개도가 50%이상에서 증발기의 질량유량이 크 게 증가하는 것을 알 수 있는데 이는 EEV 개도가 커짐에 이젝터 입구의 압력이 급격히 증가하기 때문이다.
Fig.4.1VariationofCOPwithEEV opening.
Fig.4.2 Variationsofcompressorwork and coolingcapacitywithEEV opening.
Fig.4.3 Variations of pressure ratio and massflow ratewithEEV opening.
제