대체냉매 R134a를 적용한 스크루냉매 압축기 성능해석

Abstract

스크루 압축기는 냉동사이클에서 가장 핵심이 되는 부품이며, 중대형 냉동 공조시스템에서 효율이 높고, 안정된 운전과 유지 보수가 용이하여 냉동 시스템의 많은 분야에 적용되고 있다. 냉동시스템의 작동유체로는 열역학적 특성, 안정성, 윤활유와의 호환성 등이 양호한 HCFC(Hydrochlorofluorocarbon)계열의 R22 냉매가 널리 사용하여 왔으나, 냉매에 포함되어 있는 염소(Cl)가 성층권의 오존층을 파괴하고 온실효과를 유발한다는 것이 밝혀지면서 R22 냉매에 대한 사용규제가 강화되어 대체냉매로 R134a를 사용하게 되었다. R22를 대체할 수 있는 냉매 중 R134a가 주목을 받고 있으며, 대체냉매 R134a를 압축기에 적용하기 위한 성능실험이 활발히 진행되고 있다. 따라서, R134a를 적용한 스크루 압축기의 개발을 위해서는 냉매가 대체됨에 따른 재료의 침식, 전기 절연재료의 파괴, 냉각능력의 감소 및 성적계수 감소 등의 여러 가지 문제를 보완하기 위한 압축기 재설계 및 연구 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 스크루 압축기 시뮬레이션 해석을 통하여 냉매 R134a에 대한 성능특성을 예측하였으며, 압축기 칼로리미터의 성능실험을 통해 시뮬레이션 값과 실제 실험값을 비교하여 데이터의 타당성을 확인하였다. 또한, 냉매 R22와 냉매 R134a의 칼로리미터 Drop-in 대체 실험을 통하여 냉매 변경에 따른 전부하 성능, 이코노마이저 적용시 성능변화, 부분부하 특성을 비교 고찰하였다. 해석결과 시뮬레이션 값과 실험값이 허용오차 범위 내에 잘 일치함을 확인할 수 있었으며, 압축기 설계상의 변수인 압력비, 회전속도, 누설간극 등을 입력변수로 하여 압축기 성능특성을 예측할 수 있었다.; A screw compressor is a most important component in the refrigeration cycle. It is being employed in many areas in the HVAC industry due to its high efficiency, safety operation and easy maintenance. As for the working fluid, R22 (HCFC) which is satisfactory in terms of thermodynamic characteristics, safety, and compatibility with lubricating oil is being widely used as a refrigerant. After it was found that chlorine contained in the refrigerant depletes the ozone layer in the stratosphere, causing global warming, the use of R22 refrigerant is increasingly being restricted. In the refrigerant considered to replace R22, R134a is attracting lots of attention worldwide, and thus the drop-in replacement test of R134a refrigerant is being vigorously performed to apply it to a compressor. In order to the development of screw type compressor with R134a refrigerant, the design of compressor should be considered to resolve the corrosion of materials, the deterioration of electric insulating materials, and decrease in cooling capacity and the improvement of COP. In this study, screw compressor simulations were analyzed in order to predict the performance characteristics of R134a refrigerant. In addition, to confirm the validity of the data, simulation results and the experimental results were compared though an experiment on the performance of a compressor calorimeter. Furthermore, drop-in replacement tests were performed on the calorimeters of refrigerant R22 and R134a to examine full load performance attributed to the changes in cooling medium, and changes in performance when an economizer was applied, and the characteristics of part load. The comparisons of investigation results show that the predicted results of screw compressor are agreed with experimental results within the allowable error range. In addition, the effects of input variables of the compressor design such as the pressure ratio, compressor speed, leak clearance on the compressor performance are discussed in term of the application of refrigerant 134a.