http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2013.25.4.201
대체냉매 R1234yf를 적용한 자동차용 에어컨 시스템의 성능 향상에 관한 연구
Study on the Performance Improvement for an Automobile Air Conditioning System Using Alternative Refrigerant R1234yf
조홍현(Honghyun Cho)1, 이호성(Hoseong Lee)2, 박차식(Chasik Park)3†
1
조선대학교 기계공학과,
2한국자동차부품연구원,
3호서대학교 기계공학부
1
Department of Mechanical Engineering, Chosun University, Kwangju 510-759, Korea
2
Division of the Thermal Management System Research Center, KATECH, Cheonan, 330-912, Korea
3
School of Mechanical Engineering, Hoseo University, Asan 336-795, Korea (Received May 22, 2012; revision received January 9, 2013)
Abstract The performance of automobile air conditioning systems of R1234yf was evaluated and compared with that of R134a. In particular, the performance evaluation was carried out by installing an internal heat exchanger in order to improve the performance of the system used in R1234yf. A performance comparison between the R1234yf and R134a for automotive air conditioning revealed that the cooling capacity and COP of the 1234yf system without the IHX decreased by up to 7% and 4.5%, respectively, but those with the IHX decreased by up to 1.8% and 2.9%, respectively.
Key words Alternative refrigerant(대체냉매), R1234yf(R1234yf), GWP(지구온난화지수), Internal heat exchanger (내부열교환기), COP(성능계수)
†Corresponding author, E-mail: [email protected]
기호설명
COP ：성적계수 h ：엔탈피 [kJ/kg]
IHX ：내부열교환기 Q ：냉방용량 [kW]
：풍량 [m
3/h]
W ：압축기 소요동력 [kW]
그리스 문자
：비체적 [m
3/kg]
하첨자
air ：공기
comp ：압축기
evap ：증발기
in ：입구
out ：출구
ref ：냉매
1. 서 론
현재 자동차용 에어컨 냉매로 사용되는 R134a는 오 존층 파괴지수 (Ozone Depletion Potential, ODP)가 전혀 없는 CFC계의 대체냉매로 사용되어 왔으나, 최근에는 지구온난화 문제로 인하여 점차로 사용이 규제되고 있 다 .
(1)교토의정서에 의하면 지구온난화방지 규제 대상 가스를 화석연료 연소에 따른 CO
2, CH
4와 기타 화학 공정 등의 물질인 N
2O, HFC, PFC, SF
6의 6종으로 정하 고, 1차공약기간인 2008년부터 2012년까지 1990년 대 비 5.2% 감축을 결정하였으므로 우리나라도 이에 대 한 준비가 필요하다 .
유럽 연합은 자동차용 에어컨 시스템에서 지구온난
화지수(Global Warming Potential, GWP)가 150 이상인
냉매를 사용하는 자동차에 대하여 적용을 제한하는 법
안을 발표하였다 . 따라서 현재 생산되는 차량에 적용
중인 냉매 R134a에 대한 적용이 불가하게 되므로 지구
온난화지수가 150 이하인 대체냉매 적용을 위하여 활
Fig. 1 Comparison of the heat of vaporization between R134a and R1234yf.
발한 연구가 진행되고 있다 . 그 가운데 미국의 냉매 제 조업체인 하니웰 (Honeywell)과 듀폰(Dupont)은 R134a를 대체하기 위한 R1234yf를 개발하였다. 이 냉매는 지구 온난화지수가 4이고, 오존층 파괴지수도 0이어서 유럽 환경법규에서 요구하는 GWP 150 이하를 만족하는 환경 친화적인 냉매이다 . 또한, 독성이 없고 대기 중에서 분 해되는 속도가 기존 R134a 냉매보다 훨씬 빠른 시간에 분해되어 없어지는 것으로 보고되어 있다.
(2)R1234yf 냉매는 R134a 냉매와 비교적 비슷한 열역학적 특성을 가지고 있으나 , 증발잠열 구간이 작기 때문에 동일 에 어컨 시스템으로 Drop-in 성능 평가시에 냉방 성능저 하가 발생하므로
(3)성능 향상에 대한 많은 연구가 수 행되고 있다 . 그러나 냉매의 가격이 고가이고 냉매의 구입 절차가 까다로워 자동차 및 자동차공조업체 위주 로 성능평가가 이루어지고 있으며 , 아직 학계에서는 연구가 많지 않은 실정이다.
Tanaka and Higashi
(4)는 R1234yf 냉매의 열역학적 물성 치를 실험으로 측정하였으며 , R134a 냉매와 물성치값을 비교하였다 . 실험 측정을 통하여 저온에서는 R1234yf 냉매의 포화증기 압력이 높다가 냉매의 온도가 314 K 부 근에서부터 R134a 냉매의 포화압력이 높아져서 360 K에 서는 151 kPa의 압력차를 나타냄을 보였다. 또한, 온도에 따른 증발잠열량을 측정하여 R1234yf 냉매가 R134a와 비교하여 전체적으로 증발잠열이 작게 나타냄을 보였다 .
Park et al.
(5)은 R1234yf와 R1234yf에 R134a를 혼합하 여 냉난방 성능을 평가하여 R134a 성능과 결과를 비교 하였다 . 냉방의 경우 4.0% 정도 냉방용량이 감소하였고 난방의 경우 동등한 난방용량을 나타내었다 . Han et al.
(6)은 가정용 냉장고에 R1234yf를 적용하여 성능 최적화 에 대한 실험적 연구를 수행하였다. R134a 시스템과 비 교하여 냉매충전량은 비슷한 수준을 나타내었고 냉각 속도 개선을 위하여 모세관경을 변경하여 최적화된 시 스템을 구성하였다. Lee et al.
(7)은 가정용 냉동/냉장고 실험평가를 통해서 R1234yf와 R134a 냉매가 유사한 사이클 특성을 나타낸다고 하였다 .
Lee et al.
(8)은 대체냉매 R1234yf용 압축기 개발과 관 련하여 R134a 대비 흡입 밀도 증가에 의한 냉매유량증 가로 압축기 흡입 및 토출 밸브에서의 압력손실이 증가 한다고 보고하였다. Del Col et al.
(9)과 Longo
(10)는 열교 환기 내에서 열전달 계수와 압력강하를 측정하는 실험 을 수행하여 R1234yf와 R134a 냉매의 열역학적 특성 을 분석하였다. Zilio et al.
(11)은 자동차용 공조시스템에 R1234yf 냉매를 적용하여 기존의 R134a 냉매의 사이 클 특성을 비교하고 , 성능 개선을 위하여 팽창장치인 TXV와 가변용량 압축기의 내부조절밸브를 변경하여 압축기 토출온도와 성능을 개선하였다. Jarall
(12)은 R134a와 R1234yf의 두 냉매에 대한 과열도와 과냉도 에 영향을 주는 요소를 변수로 선정하여 해석한 결과
R1234yf 시스템이 R134a 시스템 보다 과냉이나 과열 도에 의해 성능에 더 큰 영향을 받는다고 분석하였다 . 사이클의 성능개선을 위하여 내부열교환기를 적용한 경우는 대부분 고압냉매인 이산화탄소를 적용한 사이 클에서 적용되었다 . Hermann et al.
(13)과 Hanfner et al.
(14)은 이산화탄소를 이용한 급탕 시스템에서 내부열교환 기를 적용한 경우 성능의 변화에 대한 연구를 다른 냉 매와 비교하여 진행하였다. Hwang et al.
(15)은 이산화탄 소를 적용한 2단 압축시스템에서 내부열교환기를 장착 하여 성능향상에 관한 실험적 연구를 수행하였다 . Cho et al.
(16)은 내부열교환기 적용으로 사이클 냉방성능이 4.8～9.1% 정도 향상됨을 확인하였고, Kang et al.
(17)은 내부열교환기 길이에 따른 성능평가를 실시하여 최적 길이를 실험적으로 확인하였다 .
본 연구에서는 냉매 R134a와 R1234yf의 기본 성능 평가를 실시하였으며, 대체냉매 R1234yf 적용 시스템 의 성능 개선을 위하여 내부열교환기를 적용하여 성능 을 비교 분석하였다 .
2. 실험장치 및 실험방법
본 연구에서는 R134a 냉매와 R1234yf 냉매의 냉동 사이클 특성을 분석하기 위하여 Fig. 1과 같이 실험장치 를 제작하여 성능 평가를 수행하였다. 대체냉매 R1234yf 는 기존 R134a 냉매 적용 에어컨 시스템과 작동 압력범 위도 비슷하고 동일한 냉매오일 (POE Oil)의 적용이 가 능하므로 국내 완성차 공조시스템의 주요 부품을 사용 하여 실험장치를 제작하여 Drop-in 평가를 수행하였다.
성능평가는 먼저 R134a 냉매를 실험장치의 시스템에
충전하여 냉매 최적충전량 실험과 압축기 회전속도에
따른 기본 성능 평가를 수행하였다 . 기존 R134a 냉매
Fig. 2 Internal heat exchanger.
Air out
Air in
Air out
Air in Evaporator
Compressor
Motor
Condenser TXV
Indoor unit Outdoor unit
T, P T, P
T, P T, P T
T T
IHX T
Fig. 3 Schematic diagram of experimental setup.
Table 1 Component specifications Items Specifications Condenser 500(W)×400(H)×12(t) Evaporator 280(W)×200(H)×35(t)
TXV Block type 5.3 kW(1.5RT) Compressor Belt driven type
(Volumetric flow rate 8.0 m
3/h)
Table 2 Test conditions
Items Conditions
Compressor speed(rpm) 800/1200/1800/2500 Indoor temperature(db/wb) 27℃/19.5℃
Outdoor temperature(db/wb) 35℃/24℃
에 대한 성능평가가 완료되면 시스템 내부를 진공으로 만들고 냉매 R1234yf를 다시 주입하면서 동일한 실험 을 반복하였다.
Fig. 1은 EES
(18)를 이용하여 두 냉매의 증발잠열 구 간을 비교하여 나타낸 것으로 , 동일한 포화온도에서 R1234yf 냉매가 R134a 냉매와 비교하여 증발잠열이 작음을 나타낸다. 이는 R1234yf 냉매를 적용한 시스템 에서 R134a와 동일한 냉방능력을 확보하기 위해서 시 스템 개선이 필요함을 나타낸다 . 이를 위하여 본 연구 에서는 응축기출구와 증발기출구의 냉매가 열교환이 이루어지도록 내부열교환기를 설치하여 응축기 출구 에서의 과냉도를 확보하고 증발기에서 냉방성능을 향 상시키고자 하였다 .
내부열교환기는 이중관식 열교환기 형태로 외측 관 의 외경은 22 mm이고 내측 관의 외경은 16 mm로 제 작되었으며 총 길이는 900 mm로 설계하였다. 내부열 교환기의 길이에 따라 사이클 특성이 다르게 나타나지 만 , 본 연구에서는 운전범위에서 내부열교환기를 통한 응축기 출구에서의 과냉도 효과가 5～8℃가 되도록 선 정하였다. Fig. 2는 본 실험에서 적용한 내부열교환기 의 형상을 나타낸다.
Fig. 3은 기본 성능 평가를 위한 실험장치 개략도를 나타낸다 . 사이클의 성능 측정을 위하여 실내측과 실 외측의 두 개의 챔버로 나누어 벤치용 실험장치를 구 성하였다. 실내측에는 증발기를 밀폐형 덕트에 삽입하 여 설치하고 실외측에는 응축기와 압축기를 설치하였 다 . 압축기는 벨트로 전동모터와 연결하여 구동하도록 하였고 압축기의 회전수를 가변시키기 위하여 인버터
를 사용하여 전동모터를 제어하였다 . 압축기를 구동하 기 위한 소비전력은 파워미터 (power meter)를 이용하 였으며 측정값의 정확도는 ±0.1%이다. 팽창장치는 블 록식(block type) 온도감응 팽창밸브(TXV)를 적용하였 다 . 실험에 구성된 주요 부품은 국내 완성차 K사의 공 조시스템을 사용하여 조립하였다 . Table 1은 본 실험 장치의 주요 제원을 나타낸다.
시스템 운전조건은 압축기의 회전수를 800～2500 rpm까지 변화시키고, 증발기와 응축기측에 유입되는 공기는 각각 27℃와 35℃로 유지하면서 시스템의 성능 변화를 고찰하였다 . 압축기는 벨트로 전동모터와 연결 하여 구동하도록 하였다. Table 2는 본 실험에 적용한 운전조건을 나타낸다 .
냉동사이클의 분석을 위하여 주요 구성기기 전후의 온 도 , 압력 및 유량을 측정하였다. 시스템의 온도는 T-타 입의 열전대를 사용하여 측정하였으며 , 정밀도는 ±0.2℃
이다. 냉매압력은 디지털식 냉매압력계를 사용하였으 며 , 압력계의 정밀도는 전체 측정범위에서 ±0.13%
이다 . 냉매유량은 코리올리(coriolis) 질량유량계를 사 용하여 유량값을 측정하였으며, 정밀도는 측정값의
±0.1%이다.
자동차용 냉동시스템의 성능 평가를 위한 증발기측 의 냉방용량을 구하기 위하여 공기측 열량과 냉매측 열량을 측정하여 비교하였다 . 공기측 냉방용량은 공기 측 열량계산에 의해 산출하였으며, 실내기 입구 및 출 구의 건구온도 및 습구온도에 의해 엔탈피 차이와 노 즐차압에 의해 측정된 풍량과 비체적을 이용하여 구할 수 있으며 이는 식 (1)과 같다.
(1)
Fig. 4 Energy balance between the refrigerant and air side cooling capacity.
Fig. 5 Comparison of condenser/evaporator between R134a and R1234yf with compressor speed.
또한 , 냉매측 열량은 흐르는 냉매의 질량유량과 증 발기 전후의 냉매의 온도와 압력을 측정하여 다음과 같은 식(2)를 이용하여 구하였다.
(2) 식(1)과 식(2)를 이용하여 공기측과 냉매측의 냉방용 량을 비교하였으며 이 때 에너지 평형 오차율은 식 (3) 을 이용하여 비교하였다 .
× (3)
Fig. 4는 다양한 운전조건에서 공기측과 냉매측의 냉방용량 측정을 통한 에너지 평형 오차율을 보여 주 고 있다 . Fig. 4에서 볼 수 있듯이 측정된 실험 결과를 이용한 에너지 평형 오차율은 다양한 운전조건에서 약 5% 이내로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 공기측의 열량이 냉매측의 측정 열량에 비하여 약 3%
정도 더 크게 나타나는 것으로 나타났다 .
본 연구에서 시스템 효율(COP)는 압축기 소요동력 에 대한 냉방용량의 비로 정의되며 식(4)을 이용하여 계산하였다 .
(4)
3. 실험결과 및 고찰
본 실험에서는 먼저 R134a 냉매에 대하여 충전량 실
험을 통하여 냉매를 최적으로 충전하고 실험을 수행한 후 , 동일한 방법으로 R1234yf 냉매를 충전하여 실험을 수행하였다. 실험 방법에 대한 내용은 Cho et al.
(3)에서 자세히 기술하였다.
Fig. 5는 압축기 회전수 변화에 따른 증발기와 응축기 출구에서의 압력을 나타낸다 . 동일한 운전조건에서 증 발기 출구에서는 냉매 R134a와 비교하여 냉매 R1234yf 의 증발압이 내부열교환기가 없는 경우에는 6～10%, 내 부열교환기가 있는 경우에는 5～8% 정도 높게 나타났 다 . 반면에 응축기 출구에서는 R1234yf 냉매의 응축압 이 내부열교환기가 없는 경우에는 최대 5%, 내부열교 환기가 있는 경우에는 최대 4% 정도 낮게 나타났다. 이 는 R1234yf 냉매의 열역학적 물성치의 특성이 동일한 온도에서 저압측에서는 포화압력이 R134a에 비하여 높고 , 고압측에서는 R134a에 비하여 낮기 때문이다.
Fig. 6은 압축기 출구에서의 토출온도 변화를 나타낸 다. 기존 시스템에서 냉매 R1234yf는 냉매 R134a에 비 하여 압축기의 토출온도가 4.9～8.3℃ 정도 낮게 나타 났다 . 이는 R1234yf 냉매의 압축기입구에서의 포화증 기의 밀도가 높아 압축기를 지나는 냉매유량이 증가하 면서 압축기 토출부의 압력이 R134a에 비하여 낮아지 기 때문이다 . 과도한 압축기 토출온도의 상승은 냉매 의 오일을 변질시키고 시스템의 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있다 . 내부열교환기를 장착한 경우에는 압축기 입구에서의 과열도 증가로 인하여 압축기 토출온도도 상승하였으나 , 냉매 R134에 비하여 0.3～1.2℃ 정도 낮 게 나타났다 . 따라서 R1234yf 냉매는 R134a 냉매와 비 교하여 압축기 토출온도 상승에 따른 시스템의 신뢰성 측면에서 더 우수한 성능 특성을 나타내었다.
Fig. 7은 내부열교환기를 적용한 개선 시스템과 기
존의 시스템에 흐르는 냉매유량을 나타낸다 . 압축기의
Fig. 6 Compressor discharge temperature with the variation of compressor speed.
Fig. 7 Mass flow rates with the variation of compressor speed.
Fig. 8 Comparison of compressor power with the variation of compressor speed.
회전수가 증가함에 따라 시스템을 흐르는 냉매의 질량 유량은 증가하였고 , 냉매 R1234yf 적용 시스템이 냉매 R134a 적용 시스템에 비하여 압축기 회전수의 전영역 에 걸쳐서 내부열교환기를 장착하지 않은 경우에는 1 4～17%, 내부열교환기를 장착한 경우에는 12～14%
정도 증가하였다 . 기존 시스템에서 냉매 R1234yf를 적 용할 경우 압축기 전후단에서의 압축비가 R134a에 비 하여 낮게 나타나고 압축기 입구에서의 동일 포화온도 조건에서 냉매의 비체적이 낮기 때문에 동일용량의 압 축기인 경우에 더 많은 냉매유량을 이송할 수 있기 때 문이다 . 내부열교환기를 장착한 경우에는 냉매유량의 증가량이 다소 감소하였는데 이는 압축기 입구에서의 과열도 증가에 따른 비체적 증가와 압축기 효율의 감 소가 발생했기 때문이다.
Fig. 8은 운전조건 변화에 따른 압축기 소비동력을 나
타낸다 . 동일한 시스템에서 R1234yf 냉매를 적용한 경 우 R134a 냉매보다 질량유랑이 증가함에도 압축기의 소비동력은 더 작게 나타났다 . 이것은 R1234yf 냉매의 열역학적 특성상 저단과 고단측의 압축비가 R134a 냉 매보다 낮아 소비동력 측면에서 유리하기 때문이다. 자 동차용 공조시스템에서 압축기의 소비동력이 크다는 것은 엔진의 부하를 크게 하여 연비가 나빠지는 것을 의미한다. 압축기 회전수가 증가함에 따라 내부열교환 기를 적용하지 않은 경우에는 최대 3.9%까지 감소하 였고, 내부열교환기를 적용한 경우에는 최대 2.9% 감 소하는 것으로 나타났다 . 그러나 내부열교환기를 장착 할 경우에는 압축기에서의 과열도와 압축비 증가로 인 하여 내부열교환기를 장착하지 않은 경우와 비교하여 압축일은 증가하였다 .
Fig. 9는 운전조건 변화에 따른 냉방용량을 나타낸 다 . 내부열교환기를 적용하지 않은 R1234yf 시스템의 경우 기존의 R134a 냉매 시스템과 비교하여 4～7% 정 도 냉방용량이 낮게 나타났다 . R1234yf 시스템의 냉방 성능 개선을 위해 내부열교환기를 적용한 경우에는 R134a 시스템과 비교하여 1.3～1.8%의 냉방용량 감소 를 나타내었다. 이는 내부열교환기 적용에 따른 응축기 출구에서의 과냉도 증대로 증발기에서 냉방능력이 증 대되었기 때문이다. 그러나 냉매 R1234yf를 적용한 시 스템의 냉매질량 유량이 증가하였음에도 냉방용량이 낮게 나타난 것은 냉매의 열역학적 특성상 R1234yf 냉 매의 증발잠열이 작고 증발기측에서의 포화압력과 증 발온도가 R134a 시스템에 비하여 높기 때문이다.
Fig. 10은 R1234yf 냉매에 대하여 내부열교환기를
적용하지 않은 경우와 적용한 경우에 대하여 R134a 냉
매 시스템과의 성능(COP) 비교를 나타낸다. 압축기의
소요동력은 R134a 냉매 적용시스템이 크지만, 내부열
교환기를 적용하지 않은 경우에는 R1234yf 냉매 적용
Fig. 9 Comparison of cooling capacity with the variation of compressor speed.
Fig. 10 Comparison of COP with the variation of compressor speed.
시스템의 냉방용량 감소가 크기 때문에 시스템의 성능 이 3.6～4.5% 정도 낮게 나타났다. 그러나 내부열교환 기를 적용한 경우에는 시스템의 냉방용량의 증대로 인 하여 압축기 회전영역이 800～1800 rpm 구간에서는 시 스템의 성능이 0.3～2.9% 낮게 나타났고, 압축기의 회 전속도가 2500 rpm에서는 시스템의 성능이 0.9% 정도 높게 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 동일한 시스템에 냉매 R134a와 R1234 yf를 각각 충전하여 성능 평가를 실시하여 두 냉매의 냉 동사이클 특성을 비교하였다 . 또한, R1234yf 냉매의 냉 방성능 개선을 위하여 내부열교환기를 적용하여 기존 시스템과의 성능 비교를 통하여 다음과 같은 결론을
얻었다 .
1) 동일한 시스템에 냉매 R1234yf와 R134를 적용할 경우 R1234yf 적용 시스템에서 압축기 토출온도는 최 대 8.3℃ 감소하였고, 냉매 질량유량은 최대 17% 증가 하였다 .
2) 압축기 소비동력은 R1234yf 냉매를 적용할 경우 내부열교환기를 적용하지 않은 경우 최대 3.9%, 내부 열교환기를 적용한 경우에는 최대 2.9% 감소하였다.
3) 냉방용량은 R1234yf 냉매를 적용할 경우 4～7%
정도 낮게 나타났으나, 성능개선을 위하여 내부열교환 기를 적용할 경우 R134a 시스템과 비교하여 1.3～1.8%
감소를 나타내었다.
4) 동일한 시스템에 R1234yf 냉매를 적용할 경우 3.6
～4.5% 정도의 COP 감소를 나타내었으나 내부열교환 기를 적용할 경우 0.3～2.9%의 COP 감소를 나타내어 내부열교환기를 적용할 경우 시스템 성능개선에 효과 가 있는 것으로 나타났다 .
후 기
본 연구는 한국연구재단의 2012년 일반 연구자 지원 사업의 지원(2011-0013770)을 받아 수행되었으며 관계자 들에게 감사를 드린다 .
참고문헌
