國國國民民民大大大學學學校校校 大大大學學學院院院

工 工

工學學學碩碩碩士士士學學學位位位論論論文文文

유 유

유동동동중중중인인인 CCOCOO222냉냉냉매매매와와와 오오오일일일 혼혼합혼합합물물물에에에서서서 오

오

오일일일 농농농도도도 예예예측측측에에에 관관관한한한 실실실험험험적적적 연연연구구구

A A An n nE E Ex xp x p pe e er r ri i im me m e en n nt t ta a al l lS S St t tu u ud d dy y yo o on n nO O Oi il i l lC C Co o on n nc ce c e en n nt t tr r ra a at t ti i io o on n n M

M

Me e ea a as s su u ur r re e em m me e en n nt t to o of f fF Fl F l lo o ow w wi i in n ng g gC C CO O O

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國

國 國民 民 民大 大 大學 學 學校 校 校 大 大 大學 學 學院 院 院

機機機械械械工工工學學學科科科

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朴 根 根 根 瑞 瑞 瑞

222000000666

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國

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機機機械械械工工工學學學科科科

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工 工 工學 學 學碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位 請 請 請求 求 求論 論 論文 文 文을 을 을 認 認 認准 准 准함 함 함. . .

222000000777년년년 월월월 일일일

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審査査査委委委員員員長長長 印印印 審審審 査査査 委委委 員員員 印印印

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國 國

國 民 民 民 大 大 大 學 學 學 校 校 校 大 大 大 學 學 學 院 院 院

목 차

목차 ···ⅰ 국문 요약 ···ⅲ Nomenclature ···ⅴ ListofFiguresandTables ···ⅵ

Ⅰ.서론 ··· 1

1.1연구배경 ··· 1

1.2연구동향 ··· 2

1.3연구목적 ··· 3

Ⅱ.실험장치 및 방법 ··· 4

2.1실험장치 ··· 4

2.2측정장치 ··· 9

2.3실험방법 및 조건 ··· 15

2.4데이터 처리방법 ··· 19

Ⅲ.결과 및 고찰 ···23

Ⅳ.결론 ···35

참고문헌 ···37

Abstract···39

국 문 요 약

최근에 지구환경문제의 하나로 지구 온난화와 오존층 파괴문제가 관심의 대상이 되고 있다.CFC(chlorofluorocarbon),HCFC(hydrochlorofluoro carbon)및 HFC(hydro fluoro carbon)계열 냉매는 지구온난화와 오존층 파괴의 주범이 되고 있어,몬트리얼 및 교토의정에 의해서 사용에 제한을 받고 있다.이러한 문제에 근본적으로 대처하기 위한 방법으로 자연에 존 재하는 물질을 냉매로 사용하는 자연냉매의 도입이 추진되고 있다.

자연냉매 중 CO2는 무독,무취하며 안정성이 뛰어나고 연소 및 폭발성이 없어 대체 냉매로서 CO2에 대한 관심이 높아지고 있다.대체냉매의 개발 과 병행하여 필수적으로 수행해야 할 연구 과제는 대체냉매에 적용할 수 있는 적합한 오일을 개발하는 것이다.

일반적으로 증기 압축식 냉동장치에서는 압축기를 구동시키기 위해서 적 당량의 오일이 필요하다.오일이 냉매와 함께 혼합되어 냉동시스템을 순 환하게 되면 열교환기나 팽창장치의 성능에 영향을 끼친다.특히,오일이 증발기에 유입되면 증발기의 열전달률이 변화되어 냉동장치 전체의 성능 이 변화된다.따라서 이러한 현상을 정확히 이해하기 위해서는 냉동장치 내로 순환하는 오일의 양을 알아야 한다.본 연구에서는 U관 밀도계를 이 용한 비추출식 방법과 추출식 방법을 병행하여 CO2를 냉매로 사용하는 냉동시스템에서 유동중인 냉매/오일 혼합물에서 오일의 양을 예측할 수 있는 상관관계식을 제시하고자 한다.

CO2와 오일 혼합물의 유동특성에 관한 실험에서 압축액 상태의 혼합물 을 유동시키기 위해 항온조와 수액기,기어펌프를 설치하였고,유동가시화 를 위해 20mm 직경의 가시화창을 가지는 가시화부를 두었다.

유동 라인중 직관부 부분에 혼합물의 샘플을 취득할 수 있는 혼합물 추

출 장치를 설치하였다.혼합물 추출장치는 유동라인에 바이패스(by-pass) 라인을 구성하여 설치하였고 샘플 실린더를 사용하였다.샘플링 하는 부 분인 바이패스 라인과 샘플실린더 양단은 퀵-커넥트(quick-connect)를 부 착하여 탈․부착을 용이하게 하였다.실험 온도 조건은 냉매/오일 혼합물 이 액상 상태로 존재 할 수 있는 -5～15℃로 정하였고 5℃간격으로 실험 을 수행하였다.또한 혼합된 오일의 농도는 POE오일 혼합물인 경우 질량 분율로 0～10wt% 범위로 설정하였고 PAG오일 혼합물의 경우에는 0～

6% 범위에서 수행하였다.PAG오일의 경우 POE오일보다 비중이 커서 설 정온도 내에서 혼합물이 액상으로 존재 할 수 있는 오일의 농도가 더 작 았다.

시스템 전체의 온도분포를 1℃ 이내로 고르게 분포할 수 있도록 질량유량 을 1kg/min으로 고정하고 실험을 수행하였다.

유동중인 혼합물의 비중을 측정하기 위해 시스템 내에 밀도계를 설치하 여 각 설정 온도에서의 혼합물의 비중을 측정하고 각각의 경우 혼합물을 샘플실린더로 추출하여 오일 농도를 확인하였다.

혼합물의 온도가 낮아질수록,오일의 농도가 많아질수록 혼합물의 비중 은 증가하였다.오일의 농도가 증가 할수록 혼합물의 비중이 증가한 이유 는 본 실험에 사용된 PAG 및 POE 오일의 경우 CO2보다 같은 온도조건 에서의 밀도가 크기 때문에 오일의 분율이 증가 할수록 혼합물의 밀도 또 한 증가하기 때문이다. 또한 혼합물의 온도가 높아질수록 오일 농도에 따른 비중 변화가 크게 나타났다.측정한 비중,온도 그리고 오일 농도를 이용하여 냉동시스템을 유동하는 CO2/POE 오일 혼합물과 CO2/PAG 오일 혼합물의 오일 농도를 예측할 수 있는 상관관계식을 각각 제안하였다.

CO2/POE 혼합물과 CO2/PAG 혼합물의 상관식에 대한 결정계수는 각각 0.99와 0.98이다

N N

No o om m me e en n nc c cl l la a at t tu u ur r re e e

G G

GrrreeeeeekkkSSSyymymmbbbooolllsss

S S

Suuubbbssscccrririippptttsss

: correlationcoefficients

: oilconcentration [wt%]

: specificgravity

T : temperature [℃]

W : refrigerantmassfraction [wt%]

Y : oilmassfraction [wt%]

W1 : massofsamplecylinder [g]

W2 : massofsamplecylinder+oil [g]

W3 : massofsamplecylinder+CO2+oil [g]

ρ : density [kg/m³]

id : idealstate o : oil

r : refrigerant m : mixture avg : average

L

LLiiissstttoooffFfFFiiiggguuurrreeesssaaannndddTTaTaabbbllleeesss

FFFiiiggguuurrreeesss

Fig.1 Schematicdiagram oftheexperimentalsystem···6

Fig.2 Photographoftheexperimentalsystem···6

Fig.3 Oilinjector···7

Fig.4 Photographofthesightindicator···7

Fig.5 Samplingpart···8

Fig.6 PhotographofasamplingPart···8

Fig.7 PhotographofT typethermocoupleprobe.···10

Fig.8 Photographofabsolutepressuretransducer···10

Fig.9 Photographofcoriolismassflowmeter/densimeterand transmitter···12

Fig.10 Photographofthedataaquisitionsystem ···13

Fig.11 Dataacquisitionsystem fortemperature,pressure,and flow rate ···13

Fig.12 ComparisonofSG ofliquidrefrigerantswithreference value···27

Fig.13 ComparisonofSG forCO2andoils ···28

Fig.14 SpecificgravityofCO2/POE mixtures···29

Fig.15 SpecificgravityofCO2/PAG mixtures···30

Fig.16 Linearcurvefitofspecificgravitywithoilconcentration forCO2/POE oilmixtures···31

Fig.17 2ndordercurvefitofspecificgravitywithoil concentrationforCO2/POE oilmixtures···32

Fig.18 Linearcurvefitofspecificgravitywithoilconcentration

forCO²/PAG oilmixtures···33

Fig.19 2ndordercurvefitofspecificgravitywithoil concentrationforCO2/PAG oilmixtures···34

TTTaaabbbllleeesss Table1 Specificationofthemeasurementinstrument···14

Table2 Typicalpropertiesofthelubricantoils···17

Table3 Testconditions···18

Table4 Determinationcoefficients···26

Table5 Correlationcoefficients ···26

1

1 1. . .서 서 서론 론 론

1 1

1...111연연연구구구배배배경경경

근래의 산업 사회는 인류의 삶의 질을 향상시키기 위해 기술개발뿐만 아니라 환경보호문제를 함께 고려하고 있다.이러한 지구환경 문제들 중 대표적인 문제로서 오존층 파괴와 지구 온난화의 문제가 심각하게 대두되 고 있다.이러한 인식아래 1987년 몬트리올 의정서에서 CFC 계열과 HCFC 계열 물질의 규제에 이어,1999년 교토의정서에 의한 지구 온난화 물질에 대한 규제는 HFC계열 냉매의 사용에도 제동을 걸게 되었다.⁽¹⁾

이러한 문제에 근본적으로 대처하기 위한 방법으로 환경론자들은 자연에 존재하는 물질을 냉매로 사용하는 자연냉매의 도입을 요구하고 있다.이 에 따라 암모니아,질소,CO2,프로판 등의 자연물질이 관심의 대상이 되 고 있으며,이 중 CO2는 오존층 파괴지수(ODP)가 '0'이고,지구온난화지 수(GWP)가 '1'로서 환경적인 장점이 있다.또한 안정성이 뛰어나고,무 취,무독하며 폭발성이 없어 대체 냉매로서 관심이 집중되고 있다.

새로운 대체냉매를 시스템에 적용하기 위해서는 그에 따라 수행해야 할 여러 가지 중요한 일들이 있는데 그중의 하나가 대체냉매에 적합한 냉동 기유를 개발하는 것이다.냉동기유는 압축기의 접촉부위에 공급되는 윤활 유이며 냉각,세정,실링,부식방지 등의 기능을 수행한다.이러한 냉동기 유는 대부분 압축기 내에 존재하나,오일이 냉매의 유동에 의해 냉동시스 템 내부를 순환하여 다시 압축기로 돌아오게 된다.그러나 냉동시스템의 구성 형태나 냉매/오일 혼합물의 용해도 및 상용성 등에 영향을 받아 압 축기를 떠난 오일의 양보다 회수되는 오일의 양이 적을 경우 압축기내에 오일의 양이 줄어들게 되어,최종적으로 윤활에 문제가 발생하여 압축기

의 파손을 가져올 수 있다.그리고 오일이 냉매와 함께 혼합되어 냉동시 스템을 순환하게 되면 열교환기나 팽창장치의 성능에 영향을 끼친다.특 히,오일이 증발기에 유입되면 증발기의 열전달률이 변화되어 냉동장치 전체의 성능이 변화된다.⁽²⁾

따라서 증기압축식 냉동시스템의 성능을 보다 정확하게 파악하기 위해서 냉동장치내로 순환하는 오일의 농도를 예측할 필요가 있다.

1 1

1...222연연연구구구동동동향향향

CO2냉매/오일 혼합물에 대한 최근의 연구들을 살펴보면 다음과 같다.

Choietal.⁽¹⁾은 CO2와 오일 혼합물의 증기압 및 상용성에 관한 실험적 연 구에서 CO2냉매에 Mineral,AB,PAO,PAG 및 POE 오일을 각각 혼합 하여 정지상태에서 가시화하여 POE 오일이 CO2냉매와 상용성 측면에서 우수함을 제시하였다.Morietal.⁽³⁾은 초임계 압력 조건에서 CO2/PAG 오 일 혼합물의 유동 특성을 가시화를 통하여 관찰하고,냉각 과정의 열전달 실험을 수행하여 오일저항에 의해 열전달률이 감소함을 제시하였다.

오일의 양을 측정할 수 있는 방법에는 크게 추출식 방법과 비 추출식 방 법이 있는데 추출식 방법 중 가장 대표적인 방법은 ASHRAE STANDARD⁽⁴⁾에 기술되어 있으며 오일의 양을 측정하기 위해서는 냉매/

오일 혼합물을 직접 추출하여야 하며 소량의 냉매를 추출하여도 냉동시스 템의 운전에 큰 영향을 미치지 않는 대규모 시설에 적합하다.따라서 사 용 중인 소형 냉동장치에 적용하기에는 비현실적이다.이런 결점을 보완 한 방법으로 비추출식 방법이 대두되었으며,열 및 물리적 성질을 이용한 방법⁽⁵⁾과 전기 및 광학적 성질을 이용한 방법⁽⁶⁾등 여러 방법이 제시되었 다.비추출식 방법의 대표적인 연구사례는 Baustian등⁽⁷⁾의 연구 결과이다.

이들은 오일의 양을 예측하기 위하여 U관 밀도계를 사용하여 비중을 측 정하였다.냉매 액이 구현되는 폐회로 실험 장치를 제작하여 일정량의 R-12/Naphthenic혼합물과 R-22/Naphthenic그리고 R-502/AB오일 혼합 물을 실험장치에 주입한 후 온도변화에 따른 밀도를 측정하여 혼합물의 밀도를 온도와 주입한 오일 농도의 함수로 표현되는 상관관계식을 제시하 였다.또한 Kutsuna⁽⁸⁾등은 냉매/오일 혼합물이 자외선을 흡수하는 성질을 이용하여 자동차 에어컨 내부를 유동중인 오일 농도를 실시간으로 예측하 는 연구를 수행하였다.또한 Kim⁽⁹⁾등은 밀도계를 이용하여 R-22 와 R-134a 냉매/오일 혼합물의 오일 예측 상관식을 구하고 Baustian등⁽⁷⁾의 연구 결과와 비교하여 보다 간단한 상관관계식을 제시하였다.Lee⁽¹⁰⁾등은 비추출식 방법을 사용하여 R-407C와 R-410A 냉매와 POE 오일 혼합물 의 오일 농도 상관관계를 제안하였다.

1 1

1...333연연연구구구목목목적적적

본 연구에서는 U관 밀도계를 이용한 비추출식 방법과 추출식 방법을 병 행하여 냉매/오일 혼합물의 오일 농도와 온도를 변화시키면서 비중을 측 정하여 CO2를 냉매로 사용하는 냉동시스템에서 유동중인 CO2/오일 혼합 물에서 오일의 농도를 예측할 수 있는 비중-농도-온도 상관관계식을 제 시하고자 한다.

2

2 2. . .실 실 실험 험 험장 장치 장 치 치 및 및 및 방 방 방법 법 법

2 2

2...111실실실험험험장장장치치치

냉매/오일 혼합물이 항상 액체 상태로 혼합되어 유동할 수 있는 폐회로 시스템을 설계 제작 하였다.CO2는 다른 냉매에 비하여 낮은 임계온도에 서 높은 임계압력을 갖기 때문에 초월 임계사이클을 이루게 된다.따라서 본 연구의 실험장치는 CO2냉매의 특성을 고려하여 실험장치의 각 부분을 고압피팅으로 연결하였다.Fig.1은 실험장치의 개략도를 나타내며 Fig.

2에 실험장치의 사진을 나타내었다.

실험장치는 크게 CO2냉매 순환부와 냉매의 설정온도를 유지시키기 위해 에틸렌글리콜/물을 사용한 냉항온조 순환부,혼합물 추출 장치 등으로 구 성되어 있다.에틸렌 글리콜/물 순환부에 의해 설정온도로 유지되어 수액 기내에 저장되어 있는 CO2냉매는 마그네틱 기어펌프에 의해서 순환을 하 게 되며,CO2/오일 혼합물의 유량은 기어펌프의 회전속도를 변환시키는 속도조절기로 조절되며 유량은 질량 유량계로 측정하였다.오일혼합을 위 한 오일의 주입은 Fig.3 에 나타낸 오일주입기(oilinjector)를 사용하였 다.CO2를 관내에 충전하기 전에 진공펌프를 이용하여 관내를 진공으로 유지시키면서 실험 조건 농도에 해당하는 오일이 주입된 오일주입기를 반 대편 충전포트에 연결하고 밸브를 열어 압력차를 이용하여 주입시켰다.

펌프에서 배출된 냉매는 밀도 측정을 위해 밀도계를 통과한다.밀도가 측정되는 혼합물의 상태를 확인하기 위해 밀도계 출구에 설치된 가시화부 (sightglass)를 통과한 후 최종적으로 수액기로 모아지는 순환과정을 거 치게 된다.가시화부는 외경 20mm,두께 10mm의 강화유리가 전․후면 에 설치된 형상이며 부식과 냉매와의 화학적 반응을 방지하기 위해

SUS-316을 사용하여 제작되었다.가시화부의 최대 내압은 200bar이며 가시화부의 사진을 Fig.4에 나타내었다.

유동 라인중 직관부 부분에 혼합물의 샘플을 취득할 수 있는 혼합물 추출 장치를 설치하였다.혼합물 추출장치는 Fig.5와 같이 유동라인에 바이패 스(By-pass)라인을 구성하여 설치하였고 샘플 실린더를 사용하였다.샘 플링 하는 부분인 바이패스 라인과 샘플실린더 양단은 퀵-커넥트 (Quick-Connect)를 부착하여 탈․부착을 용이하게 하였다.혼합물 추출장 치의 사진을 Fig.6에 나타내었다.

Fig.2 Photographoftheexperimentalsystem.

Fig.1 Schematicdiagram oftheexperimentalsystem.

Fig.3 Oilinjector.

Fig.4 Photographofasightglass.

CO2/oil mixture CO2/oil mixture

Sample cylinder

¼ inch SUS 316 tube

Quick connector

B/V

B/V B/V

N/V N/V

B/V

R/V

CO2/oil mixture CO2/oil mixture

Sample cylinder

¼ inch SUS 316 tube

Quick connector

B/V

B/V B/V

N/V N/V

B/V

R/V

Fig.5 Samplingpart.

Fig.6 Photographofasamplingpart.

2 2

2...222측측측정정정장장장치치치

222...222...111온온온도도도측측측정정정

CO2/오일 혼합물의 온도는 시험부 입․출구에 Fig.7과 같은 프루브형 태의 T형 열전대를 삽입하여 관내 중심 온도를 측정하였다.

온도의 보정을 위해서 ±0.1℃의 오차를 갖는 수은 온도계와 저온 온도 보정기(low temperaturecalibrator,Techne사,RBC-31)를 이용하였다.온 도측정의 오차범위는 ±0.2℃이다.

222...222...222압압압력력력측측측정정정

CO2의 압력을 측정하기 위해 시험부의 입구측과 수액기 출구측에 Fig.

8과 같은 절대압력계(absolutepressuretransducer,Sensotec사,TJE)를 설치하여 측정하였다. 측정범위는 0～13.80 MPa이며, 오차범위는

±0.1%FS이다.

압력계의 보정은 정하중 시험기(hydraulic dead weight tester, Pressurements사,M2200)를 사용하여 측정하는 압력을 증가시키는 과정 과 감소시키는 과정을 통해서 압력센서의 이력현상(hysteresis)에 의한 오 차를 줄였다.

Fig.7 PhotographofT typethermocoupleprobe.

Fig.8 Photographofabsolutepressuretransducer.

2

22...222...333유유유량량측량측측정정정 및및및 밀밀밀도도도측측측정정정

CO2/오일 혼합물의 유량은 시험부 입구측에 Fig.9와 같은 코리오리스 (Coriolis) 힘을 이용한 질량유량계/밀도계(mass flowmete/densimeterr, Oval사,CN003C-SS-200R)를 설치하여 측정하였고,질량유량계의 측정범 위는 0～2 kg/min, 오차범위는 ±0.1%FS이며 밀도계의 정밀도는

±0.002g/ml이다.

222...222...444데데데이이이터터터 취취취득득득

데이터 취득 시스템(data acquisition system,Yokogawa사,DR230)을 Fig.10에 나타내었다.총 40채널을 사용할 수 있으며,출력이 전압인 각 종 열전대와 출력이 전류인 RTD센서,풍속,습도 및 압력센서를 사용할 수 있다.구동 프로그램은 제작사에서 제공하는 DAQ32Plus를 사용하였 다.데이터 취득 속도는 초당 2개(2Hz),시스템의 오차의 범위는 ±0.05%

이다.각 측정 장치들의 계통도 및 상세 설명을 Fig.11과 Table1에 나타내었다.

(b) transmitter

Fig.9 Photograph ofCoriolis mass flowmeter/densimeter andtransmitter.

(a) Coriolismassflowmeter/

Densimeter

Fig.10 Photographofthedataaquisitionsystem.

Fig.11 Dataacquisitionsystem fortemperature,pressureand flow rate.

multi-channelrecorder

Model Yokogawa,DR-230 Max.inputchannels 40

Measurementaccuracy±0.05%

absolutepressure transducer

Model Sensotec,TJE Range 0～13.80MPa Accuracy ±0.1%FS densimeter

Model Oval,CN003C-SS-200R Range 0～2g/ml

Accuracy ±0.1%FS massflowmeter

Model Oval,CN003C-SS-200R Range 0～20kg/min

Accuracy ±0.1%FS refrigerantpump

Model Micropump,GC-M25 Flow raterange 4.0 /minat2500rpm Max.system pressure 10.34MPa

vacuum pump

Model Yellow Jacket,M93480 Freeairdisplacement 8.0CFM

Fieldblankoff 15microns Table1 Specificationofthemeasurementinstrument

2 2

2...333실실실험험험방방방법법법 및및및 조조조건건건

실험에 사용된 오일은 CO2냉매와 같이 상용되며 극성 냉동기유인 PAG(Poly Akylene Glycol)와 POE(PolyolEster)오일을 사용하였다.이 오일은 화학적 안정성,윤활성,혼화성이 우수한 합성오일이다.오일의 물 성은 Table2⁽¹¹⁾와 같다.

실험 온도 조건은 냉매/오일 혼합물이 항상 액상 상태로 존재 할 수 있 도록 -5～15℃로 정하였고 5℃간격으로 실험을 수행하였다.또한 혼합된 오일의 농도는 POE오일 혼합물인 경우 질량 분율로 0～10wt% 범위로 설정하였고 PAG오일 혼합물의 경우에는 0～6% 범위에서 수행하였다.

PAG오일의 경우 POE오일보다 비중이 커서 설정온도 내에서 혼합물이 액상으로 존재 할 수 있는 오일의 농도범위가 더 작았다.

시스템 전체의 온도분포를 1℃ 이내로 고르게 분포할 수 있도록 질량유 량을 1kg/min 으로 고정하고 실험을 수행하였다.본 연구에 수행된 실험 조건을 Table3에 나타내었다.

실험 순서는 다음과 같다.시스템 내부를 진공펌프로 진공상태로 만든 후 오일 주입기와 정밀저울을 사용하여 차압을 이용하여 시스템 내에 오 일을 주입한다.그리고 시스템 내부의 체적,압력과 온도 조건을 고려하여 냉매가 액상으로 순환할 수 있는 조건에 따라 실험 장치에 3kg 정도의 CO2냉매를 충진한다.기어펌프와 항온조를 가동시키고 가시화부를 통해 액상태가 구현되었는지 확인하고 시스템 내부가 설정 온도로 균일하게 분 포되었는지 확인한다.시스템이 정상상태가 되었을 때 혼합물의 온도,압 력,밀도 그리고 오일의 농도를 측정한다.

POE오일의 농도는 ASHRAE STANDARD⁽³⁾에 명시되어있는 방법으로 샘플실린더를 이용하여 측정한다.실험조건에서 정상상태가 되었을 때 바

이패스 부분의 양단의 밸브를 잠그고 혼합물이 들어있는 샘플실린더에 시 스템에서 분리한다.오일과 CO2가 들어있는 샘플실린더의 질량을 측정하 고 CO2만의 방출을 위해 CO2방출용 샘플실린더를 부착하여 압력차를 줄 인 후 실린더 내의 CO2냉매를 서서히 완전히 방출한다.CO2가 방출된 샘 플실린더의 질량을 측정하여 오일과 CO2냉매의 질량을 계산하여 혼합물 중 오일의 농도를 계산한다.하지만 PAG오일 혼합물의 경우 CO2와 PAG 오일의 비혼화성(immiscible)에 의한 냉매와 오일의 분리현상으로 샘플실 린더를 이용한 농도 분석은 이루어 지지 않았다.따라서 CO2/PAG 혼합 물의 오일 농도는 주입한 CO2와 오일의 분율에 따라 일정하게 유동한다 는 가정 하에 실험을 수행하였다.

한 경우의 실험이 끝나면 시스템 내에 있는 혼합물을 방출 시키고 관을 분해하여 아세톤으로 세척하고 질소를 이용하여 시스템내의 잔류 오일을 고압으로 밀어내어 완전히 세척한 후 다음 실험을 수행하였다.

Items Property

Type PAG oil POE oil Manufacturer CPIengineering MOBIL

Model RPAG-100 EAL Arctic100 Specificgravityat15℃ 1.007 0.962

Pourpoint(℃) -40 -30 Flashpoint(℃) 168 254 Viscosityat40℃(cSt) 100 100 Table2 Typicalpropertiesofthelubricantoils

Parameter Value

Refrigerant/Oil CO2/POE CO2/PAG Innerdiameter(mm) 1.74(SUS 316)

Inlettemperatureof Mixture(℃)

-5～15℃

(5℃ interval) Oilconcentration 0～10% 0～6%

Massflow rateof

refrigerant(kg/min) 1.0 Table3 Testconditions

2 2

2...444데데데이이이터터터 처처처리리리방방방법법법 2

2

2...444...111추추추출출출 오오오일일일 질질질량량량 분분분율율율

CO2/오일 혼합물 중 오일 질량 분율을 계산하였다.W1은 샘플실린더의 질량이고 W2는 CO2방출 후의 오일과 샘플실린더의 잘량 그리고 W3는 샘플실린더와 오일 그리고 CO2냉매의 질량의 합을 나타낸다.따라서 오 일 질량 분율 계산식은 다음과 같다.

3 1

2 1

o m

W W X

Y W W X

= − =

− ₍₁₎

여기서 Xo은 혼합물 중 오일 질량,Xm 는 추출 혼합물의 질량, 는 오 일 질량 분율을 나타낸다.

2 2

2...444...2혼22혼혼합합합물물물의의의 오오오일일일 농농농도도도 상상관상관관관관관계계계식식식

오일의 농도와 혼합물의 비중은 각 온도에서 대체로 선형적인 변화를 하 는 경우 다음과 같은 1차 다항식으로 나타낼 수 있다.

SG = + × A B C

0 1 2 3

SG a = + a C a T a CT + +

또한 오일의 농도와 혼합물의 비중이 각 온도에서 비선형적인 변화를 하 기는 경우 실험 데이터를 근거로 다음과 같은 2차 다항식으로 나타내었 다.

2

1 2

S G = A+ B C + B C ₍₄₎

따라서 온도의 영향을 고려한 최종적인 식은 다음과 같이 나타낼 수 있 다.

2 2 2 2 2 2

0 1 2 3 4 5 6 7 8

SG a= +a C a T a C+ + +a CT a T+ +a C T a CT+ +a C T ₍₅₎ 여기서 C는 오일의 농도이고 SG는 혼합물의 비중이며 A,B,B1,B2

a(i=0,1,…,8)는 계수이며 T는 혼합물의 온도이다.

2 2

2...444...333다다다중중중선선선형형형회회회귀귀귀분분분석석석

식(3)과 (5)에서 혼합물의 비중은 두 독립변수인 온도와 농도의 함수로 정의되어 있다.상관계수를 구하기 위해 다음과 다중 선형 회귀 분석을 하였다.비선형 방정식을 선형화하기 위하여 다음과 같이 변수 치환한다.

1

2 2 3

4

, , ,

,

X C

X T

X C

X CT

=

=

=

=

2 5

2 6

2 7

2 2 8

X T X C T X CT X C T

=

=

=

= (6)

치환을 함으로서 회귀방정식이 8개의 변수로 이루어진 선형 방정식으로 표현된다.

0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8

SG= +a a X +a X +a X +a X +a X +a X +a X +a X ₍₇₎ 다음과 같은 과정을 거쳐 결정계수(r²)을 구한다.

2

0 1 1 7 7

( )

r i i i

S = y − −a a x ⋅⋅⋅−a x (8)

( )2

t i avg

S =

∑

2 t r

t

S S

r S

= −

(10)

2 2

2...444...444혼혼혼합합합물물물의의의 밀밀밀도도도

냉매/오일 혼합물의 밀도를 계산할 때 혼합물의 밀도는 이상상태(Ideal state)에 비례하며 이상상태의 농도는 다음과 같이 구할 수 있다⁽²⁾

1 ( / 1)

o id

o r

W ρ ρ

= ρ ρ

+ − (11)

여기서 ρo는 혼합물의 특정 온도에서의 순수 오일의 밀도이고 ρr는 혼합 물의 특정 온도에서 냉매액의 밀도를 나타내며 W는 혼합물 중 냉매의 질 량 분율(massfraction)이다.

3

3 3. . .결 결 결과 과 과 및 및 및 고 고 고찰 찰 찰

시스템 내에 밀도계를 설치하여 유동중인 혼합물의 비중을 측정하였고 각 설정 온도에서의 비중을 측정하고 각각의 경우 혼합물을 샘플실린더로 추출하여 오일 농도를 확인하였다.POE 오일은 CO2냉매와 혼화성이 좋 기 때문에 완전히 섞여서 유동하여 주입한 양과 추출했을 때 오일의 농도 가 저울의 오차 범위 안에서 같았다.반면 PAG 오일은 CO2냉매와의 비 혼화성 때문에 혼합물의 샘플링 도중 오일이 샘플실린더 내부에 점차 축 적되기 때문에 유동하는 혼합물의 정확한 양을 샘플링하기가 어려웠다.

따라서 주입한 양의 비율로 일정하게 유동한다는 가정 하에 실험을 수행 하였다.또한 PAG 오일의 경우 오일 분율이 6%인 경우 혼합물의 온도가 15℃일 때는 혼합물이 액화가 되지 않아 실험을 수행 할 수 없었다.

항상 액체 상태로 시스템을 순환하는 혼합물의 오일 농도는 각 온도와 압력에서 약간씩 차이가 있어 각각의 온도조건에서 대표 값을 정하여 그 래프에 나타내었다.따라서 최종적으로 구하고자 하는 오일의 농도가 x축 에 그려졌다.

본 연구에서 사용된 CO2냉매와 POE 및 PAG 오일,그리고 기존의 냉 매와의 비중을 차이를 Fig.12에 나타내었다.대체 냉매 CO2는 다른 냉 매들에 비해 비중이 낮은 영역에 존재함을 알 수 있다.또한 본 실험에 사용된 PAG 및 POE 오일과 CO2의 비중을 비교하여 Fig.13에 나타내 었고 CO2의 비중이 PAG 및 POE 오일 보다 낮음을 확인 할 수 있었다.

CO2/POE 오일 혼합물 및 CO2/PAG 오일 혼합물의 온도에 변화에 따른 비중 변화를 오일농도에 변화를 주면서 측정하고 Fig.14와 Fig.15에 각각 나타내었다.두 혼합물의 경우 비슷한 경향을 나타내었는데 혼합물 의 온도가 증가할수록 비중은 감소하였고 온도가 증가할수록 농도에 따른

영향이 크게 나타났다.또한 혼합물의 오일의 농도가 증가할수록 비중은 감소하였다.

CO2/POE 오일 혼합물에 대해 측정된 비중,농도 그리고 온도의 결과 데 이터를 이용하여 1차와 2차식으로 곡선 맞춤한 결과를 Fig.16과 Fig.17 에 각각 나타내었다.CO2/POE 혼합물의 온도가 낮아질수록,혼합물 중 오일의 농도가 많아질수록 혼합물의 비중이 증가하는 경향을 보였다.또 한 Fig.14 에 나타낸 것처럼 혼합물의 온도가 높아질수록 오일 농도에 따른 비중 변화가 크게 나타났다.

CO2/PAG 오일 혼합물의 경우에도 CO2/POE 혼합물의 경우와 같은 방법 으로 측정된 비중,농도 그리고 온도의 데이터를 이용하여 1차와 2차로 곡선 맞춤하여 Fig.18과 Fig.19에 나타내었다.CO2/PAG 혼합물 또한 혼합물의 온도가 낮아질수록,오일의 농도가 많아질수록 혼합물의 비중이 증가하였다.오일의 농도가 증가 할수록 혼합물의 비중이 증가한 이유는 식 (11)과 Fig.13 에서 보이는 것과 같이 본 실험에 사용된 PAG 및 POE 오일의 경우 CO2보다 같은 온도조건에서의 밀도가 크기 때문에 오 일의 분율이 증가 할수록 혼합물의 밀도 또한 증가하기 때문이다.또한 Fig.15처럼 혼합물의 온도가 높아질수록 오일 농도에 따른 비중 변화가 크게 나타났다.

상관계수를 구하기 위해 선형회귀분석을 하여 그 결과를 Table.4에 나 타내었다.표에서 볼 수 있듯이 POE 오일의 경우 1차 곡선 맞춤이 2차보 다 높은 상관계수를 보였으며 PAG 오일의 경우는 2차 곡선 맞춤이 더 정확하지만 그 차이는 미미하였다.따라서 본 실험에 사용된 CO2/오일 혼 합물의 상관식은 온도 범위 -5～15℃ 그리고 오일의 농도 범위는 POE 오일 혼합물인 경우 질량 분율 0～10wt%, PAG 오일 혼합물의 경우에 는 0～6% 범위에서 다음과 같이 하나의 식(12)로 표현할 수 있다.

0 1 2 3

SG = + a a C a T + + a CT

Table5는 본 연구에서 수행한 CO2/POE 오일혼합물과 CO2/PAG 오일 혼합물의 온도,오일의 농도,그리고 비중의 자료로 계산한 오일 농도 상 관식에 대한 계수 값들이다.

Determinationcoefficients(r²) CO2/POE CO2/PAG 1storder 0.994 0.981 2ndorder 0.956 0.983 Table4 Determinationcoefficients

Coefficients CO2/POE CO2/PAG a0 0.9238 0.9292 a1 0.0022 0.0051 a2 -0.0064 -0.0066 a3 0.0002 0.0004

Table5 Correlationcoefficients

-10 -5 0 5 10 15 20 0.7

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Specific gravity

Temperature(^oC)

CO_2,measured CO₂ R-22 R-502 R-12 R-134a

Fig.12 ComparisonofSG ofliquidrefrigerantswithreferencevalue.

-5 0 5 10 15 0.80

0.84 0.88 0.92 0.96 1.00 1.04

Specific gravity

Temperature(^oC) CO₂

POE oil PAG oil

Fig.13 ComparisonofspecificgravityfortheCO²andoils.

-10 -5 0 5 10 15 20 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

Specific Gravity

Temperature (°C) Pure CO2

1.5wt%

3.4wt%

6.14wt%

10.13wt%

Fig.14 SpecificgravityofCO²/POE mixtures.

-10 -5 0 5 10 15 20 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

Specific gravity

Temperature(^oC) Pure CO₂

1.05wt%

2.08wt%

4.18wt%

6.2wt%

Fig.15 SpecificgravityofCO²/PAG mixture.

0 2 4 6 8 10 12 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

-5^oC 0^oC 5^oC 10^oC 15^oC

Specific gravity

Oil concentration(%)

Fig.16 Linearcurvefitofspecificgravitywithoilconcentrationfor CO2/POE oilmixtures.

0 2 4 6 8 10 12 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

-5^oC 0^oC 5^oC 10^oC 15^oC

Specific gravity

Oil concentration

Fig.17 2ndordercurvefitofspecificgravitywithoilconcentration forCO2/POE oilmixtures.

0 2 4 6 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

-5^oC 0^oC 5^oC 10^oC 15^oC

Specific gravity

Oil concentration(%)

Fig.18 Linearcurvefitofspecificgravitywithoilconcentrationfor CO2/PAG oilmixtures.

0 2 4 6 0.80

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

-5^oC 0^oC 5^oC 10^oC 15^oC

Specific gravity

Oil concentration(%)

Fig.19 2ndorderfitcurveofspecificgravitywithoilconcentration forCO2/PAG oilmixtures.

4

4 4. . .결 결 결론 론 론

CO2를 냉매로 사용하는 냉동시스템에서 유동중인 냉매/오일 혼합물에서 오일의 양을 예측하기 위한 실험을 수행하였다.

냉매/오일 혼합물이 항상 액체 상태로 혼합되어 유동할 수 있는 폐회로 시스템을 설계 제작 하였다.실험 온도 조건은 냉매/오일 혼합물이 항상 액상 상태로 존재 할 수 있도록 -5～15℃로 정하였고 5℃간격으로 실험 을 수행하였다.또한 혼합된 오일의 농도는 POE오일 혼합물인 경우 질량 분율로 0～10wt% 범위로 설정하였고 PAG오일 혼합물의 경우에는 0～

6% 범위에서 수행하였다.PAG오일의 경우 POE오일보다 비중이 커서 설 정온도 내에서 혼합물이 액상으로 존재 할 수 있는 오일의 농도범위가 더 작았다.시스템 내에 밀도계를 설치하여 정상상태의 유동중인 혼합물의 비중과 온도,그리고 혼합물중 오일의 농도를 구하였다.오일 농도의 측정 방법으로는 CO2/POE오일 혼합물의 경우 혼합물을 샘플실린더로 추출하 여 CO2와 POE 오일의 질량을 분석하여 농도를 확인하였다.하지만 PAG 오일 혼합물의 경우 CO2와 PAG오일의 비혼화성(immiscible)에 의한 냉매 와 오일의 분리현상으로 샘플실린더를 이용한 농도 분석은 이루어 지지 않았다.따라서 CO2/PAG 혼합물의 오일 농도는 주입한 CO2와 오일의 분 율에 따라 일정하게 유동한다는 가정 하에 실험을 수행하였다.혼합물의 온도가 낮아질수록,오일의 질량분율이 커질수록 혼합물의 비중은 증가하 였다.또한 혼합물의 온도가 높아질수록 오일 농도에 따른 비중 변화가 크게 나타났다.

측정한 비중,온도 그리고 오일 농도의 데이터를 이용하여 냉동시스템을 유동중인 CO2/POE 오일 혼합물과 CO2/PAG 오일 혼합물의 오일 농도를 예측 할 수 있는 비중-온도-농도 상관관계식을 제안하였다.CO2/POE 혼

합물과 CO2/PAG 혼합물의 상관식에 대한 결정계수는 각각 0.99와 0.98이 다

이 상관관계식들을 이용해서 유동중인 CO2/POE 및 CO2/PAG 오일 혼 합물에서 CO2/오일 혼합물을 직접 추출하지 않고 혼합물의 온도와 비중 을 측정함으로서 시스템 내를 유동중인 오일의 양을 예측 할 수 있다.

참 참

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Abstract

A A

An n ne e ex x xp p pe e er r ri i im m me e en n nt t ts s st t tu u ud d dy y yo on o n no o oi i il l lc c co o on n nc c ce e en n nt tr t r ra a at t ti i io o on nm n m me e ea a as s su u ur r re e em m me e en n nt t t o

o

of f ff f fl l lo o ow w wi i in n ng g gC C CO O O

/ / /O O Oi i il l lm m mi i ix x xt t tu u ur r re e e

byPark,KeunSeo

Dept.ofMechanicalEngineering,GraduateSchool KookminUniversity,Seoul,Korea

In the general vapor-compression refrigeration system, refrigeration lubricant circulates in refrigeration system with refrigerant.Knowledge ofthe amountofcirculating lubricantis very importantto exactly calculate capacity ofthe refrigeration system.Anexperimentalstudywasconductedtoestimatetheoil concentration ofa flowing CO2/Oilmixtures.POE and PAG oil are considered as testfluids in this study.Performance tests wereconductedundersimulatedliquidconditionsforCO2/POE oil mixture in oil concentration of 0 to 10 weight-percent and CO²/PAG oil mixture in oil concentration of 0 to 6 weight-percentand testtemperature of-5℃ to 15℃.Specific gravity ofCO2/oilmixture is increased as oilconcentration is increased and temperatureofmixtureis decreased.Asa result ofthetests,oilconcentration correlation ofCO2/POE oilmixture

andCO2/PAG oilmixturesissuggestedinthispaper.Itisbased on the measurementofspecific gravity and temperature.This correlation enable to predict the oil concentration without extraction of the mixture and can be applied for CO2/POE mixtureand CO2/PAG mixtures.