인터쿨러와 공랭식 응축기를 동시에 사용하는 냉방-냉동 겸용 캐스케이드 사이클에 대한 연구

김내현

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김내현 (인천대학교)

저널정보: 한국산학기술학회 한국산학기술학회 논문지 한국산학기술학회논문지 제20권 제7호

발행연도: 2019.7

수록면: 353 - 362 (10page)

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그간 캐스케이드 냉동 시스템에 대해서 열역학적 해석은 다수 수행되었으나 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 부품해석을 통한 시스템 평가는 미진한 상태이다. 본 연구에서는 냉방 및 냉동 열교환기가 별도로 장착되어 있고 하부 사이클에 공랭식 응축기와 인터쿨러가 직렬로 연결되어 있는 캐스케이드 냉동 사이클에 대해 성능 해석을 수행하였다. 우선 증발기, 응축기, 인터쿨러 등 요소부품에 대해 모델링을 수행하고 R-410A를 사용하는 냉방 능력 8 kW, 냉동 능력 15 ㎾의 캐스케이드 냉동 사이클의 요소 부품의 – 상부 응축기, 하부 응축기, 냉방 증발기, 냉동 증발기, 인터쿨러, 압축기, 전자팽창변 – 설계를 수행하였다. 설계 사양에 대하여 외기 온도를 26℃에서 38℃로 변화시키며 해석을 수행한 결과 냉각 열량은 하부 증발기에서는 거의 일정하고 상부 증발기에서는 9% 감소, 인터쿨러에서는 63% 증가하였다. 한편 COP는 외기 온도의 증가에 따라 감소하였다. 인터쿨러가 작동하지 않는 사이클 대비 인터쿨러 사이클이 COP 측면에서 우위를 보였다. 또한 상부 응축기의 크기를 당초 설계치의 2배 증가시키면 하부 증발기 열량은 변함이 없는 반면 상부증발기 열량은 4% 증가하였다. 한편 상부 응축기의 크기 증가에 따라 상부 사이클의 COP는 증가하는 반면 하부 사이클의 COP는 큰 변화가 없다. 또한 하부 응축기 크기를 2.8배 증가시키면 상하부 증발기의 열량 변화는 거의 없고 인터쿨러의 열량만이 8% 감소하였다. 아울러 하부 사이클의 COP는 응축기의 크기가 증가함에 따라 다소 증가하였으나 상부 사이클의 경우는 그 변화가 미미하였다.

Thermodynamic analysis of cascade refrigeration systems has attracted considerable research attention. On the other hand, a system evaluation based on thermodynamic analyses of the individual parts, including the evaporator, condenser, intercooler, expansion valve, etc., has received less attention. In this study, performance analysis was conducted on a cascade refrigeration system, which has an individual cooling and refrigeration evaporator, and equips the intercooler and air-cooled condenser in a series in a lower cycle. The thermo-fluid design was then performed on the major components of the system - upper condenser, lower condenser, cooling evaporator, refrigeration evaporator, intercooler, compressor, electronic expansion valve - of 15 ㎾ refrigeration, and 8 ㎾ cooling capacity using R-410A. A series of simulations were conducted on the designed system. The change in outdoor temperature from 26 C to 38 C resulted in the cooling capacity of the lower evaporator remaining approximately the same, whereas it decreased by 9% at the upper evaporator and by 63% at the intercooler. The COP decreased with increasing outdoor temperature. In addition, the COP of the cycle with the intercooler operation was higher that of the cycle without the intercooler operation. Furthermore, the increase in the upper condenser size by two fold increased the upper evaporator by 4%. On the other hand, the lower evaporator capacity remained the same. The COP of the upper cycle increased with increasing upper condenser size, whereas that of the lower cycle remained almost the same. When the size of the lower condenser was increased 2.8 fold, the intercooler capacity increased by 8%, whereas those of upper and the lower evaporator remained approximately the same. Furthermore, the COP of the lower cycle increased with an increase in the lower condenser. On the other hand, the change of the upper condenser was minimal.

#Cascade Refrigeration #Intercooler #Cooling #Refrigeration #Hybrid

참고문헌 (16)

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P. K. Bansal, S. Jain, “Cascade Systems: Past, Present, and Future,” ASHRAE Trans., vol. 113, pp. 245-252, 2007.

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T. S. Lee, C. H. Liu, T. W. Chen C. H., “Thermodynamic Analysis of Optimal Condensing Temperature of Cascade-Condenser in CO2/NH3 Cascade Refrigeration Systems,” Int. J. Refrig., vol. 29, pp. 1100-1108, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.03.003

M. M. Shah, “Chart Correlation for Saturated Boiling Heat Transfer : Equations and Further Study,” ASHRAE Trans., vol. 88, pp. 185-196, 1982.

F. W. Dittus, L. M. K. Boelter, “Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type,” University of California Publications in Engineering, vol. 2, pp. 443-461, 1930.

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