내부 열교환기를 장착한 CO2 히트펌프의 성능특성

Abstract

친환경 냉동공조기 개발의 일환으로 자연냉매인 CO2를 이용한 히트펌프 시스템의 특성과 내부 열교환기를 적용한 CO2 히트펌프 시스템의 시스템 특성을 파악하기 위해 내부 열교환기 단품의 특성에 대한 연구와 내부 열교환기 유무에 따른 CO2 히트펌프 시스템 성능특성에 대해 연구하였다. 본 논문은 CO2를 적용한 히트펌프의 중요 인자들의 영향에 대한 연구와 내부 열교환기를 적용한 사이클의 최적 토출압력 제어를 통한 성능향상 가능성의 구체적 제시에 그 목적이 있다. CO2 사이클을 적용한 히트펌프의 특성을 파악하기 위하여 CO2 히트펌프 시스템이 제작하여 여러 가지 운전변수에 따른 성능 시험을 수행하였다. 압축기 주파수, 전자팽창밸브 개도, 외기온도 변화, 내부 열교환기 유무 및 길이변화에 대한 사이클 성능변화 연구를 통하여 이산화탄소 히트펌프는 여러 운전변수에 대하여 사이클 성능변화가 크게 나타나며, 특히 압축기 토출압력과 질량유량 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향이 매우 큰 것으로 확인되었다. 또한, 성능향상을 위하여 제안 및 제작된 내부 열교환기를 장착한 CO2 히트펌프 시스템이 구성되었으며, 다양한 운전변수에 따른 성능실험을 실시하였으며 그 성능향상 정도를 비교 및 고찰하였다. 실험은 이중관형(D-1), 쉘앤튜브형(D-2), 동축관형(D-3), 마이크로 채널형(D-4) 내부 열교환기를 선정하고 내부 열교환기가 없는 경우(D-0)와 비교분석하였다. 내부 열교환기를 장착한 CO2 히트펌프 시스템은 기본 사이클에 비하여 냉방운전모드에서는 COP가 6.06 ～ 9.19% 향상되었으나, 난방운전모드에서는 COP가 0.62 ～ 1.88% 저하되는 결과가 도출되었다. 냉난방 성능계수는 토출압력에 크게 영향을 받으며, 가스쿨러 토출온도에 따라 토출압력을 제어하면 최대 성능계수를 갖는 토출압력을 찾을 수 있다. 실험을 통하여 CO2 히트펌프 시스템은 운전부하에 따라 최대 성능계수를 나타내는 토출압력이 존재함을 확인하였다. 본 연구에서는 Kauf의 실험식을 변형시킨 내부 열교환기 유용도에 따른 최적 토출압력 실험식을 제안하였다. 이 실험식에 의한 오차범위는 ±10% 내에서 실험 데이터를 만족하였다.