생활수준의 향상으로 먹거리에 관심이 많아지면서 식료품들에 대한 신선도 및 안전성이 중요시 되고 있으며 냉동식품의 수입뿐만 아니라 냉동유닛 차량의 사용이 연간 5.5% 씩 증가하고 있다. 국내의 냉동유닛 차량 예상 판매시장은 2020년 700만대를 넘어설 것으로 전망하고 있다. 냉동유닛 차량에 대하여 미국, 유럽 등 에서는 주요 선진국을 중심으로 환경규제 및 에너지 절감을 요구하고 있다. 따라서 국내에서도 이에 대응하기 위하여 에너지효율 향상 및 CO2 배출량 저감 등을 위한 지속적인 기술개발이 필요하다. 이를 위해서는 시스템의 효율 향상 연구가 필수적이며 환경 문제에 대응하기 위해서 대체냉매의 연구가 시급한 실정이다.
본 연구에서는 사이클의 효율에 크게 영향을 미치는 열교환기의 성능특성에 대하여 조사연구를 진행하였고, 최적의 열교환기를 선정하여 이를 시스템에 적용하였다. 또한 다양한 조건에서의 시스템 실험을 통해 최적의 사이클을 확인하였으며, 이에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 실운전 조건에서 사이클 실험을 진행하였다. 본 연구를 통한 최종 결과로 10kW급 냉동유닛 시스템을 최적화 하였고, 해석 프로그램을 개발하여 대체 냉매인 R449A 냉매를 적용한 시스템의 특성을 예측하였다.
1) 최적 열교환기 선정을 위하여 증발기 및 응축기의 핀 형상, 핀 피치 및 열수 변경에 따른 성능변화를 조사 분석하였다. 증발기의 경우 핀 형상이 wavy 핀 일 때 냉방능력 증가율에 비해 압력강하의 증가율은 wavy 핀이 louver 핀 보다 20%로 확인 되었으며, 핀 피치가 5mm일 때에 가장 적절하였다. 열수에 대하여 열수 및 단위열수의 냉방능력과 압력강하에서 6열이 적합한 것으로 판단되었으며, 풍량은 약 40㎥/min 부근에서 가장 적절하였다. 응축기는 핀 형상에 따라 용량증가율 보다 압력강하의 증가율은 wavy 핀이 louver 핀의 약 33%로 가장 우수하였고 열수는 전체용량 증가 대비 압력강하를 고려하였을 때에 4열의 용량이 14.5kW로 우수하였다. Plate 핀보다는 wavy, slit, louver 핀이 낮은 풍량에서도 용량은 우수하나, 압력강하의 증가폭은 크게 나타났다.
2) 열교환기 실험을 통해 선정된 열교환기를 사이클 실험에 적용하였으며, 냉매 충전량을 무차원화 하여 최적 냉매량을 선정하였으며 냉매 충전량의 범위가 6,600g∼7,800g인 것으로 나타났다. 냉동사이클에 대한 성능변화는 과열도, 냉매 충전량 변경에 따른 용량, 성능계수(COP), 압력으로부터 냉동사이클은 과열도 4℃, 냉매 충전량 7,400g에서 가장 우수하게 나타났다. 최적화된 냉동유닛 사이클을 실운전 조건에서 성능특성을 평가함으로서 운전조건에 대한 신뢰성을 확보하였다. 전자팽창밸브 개도에 따른 냉각성능은 과열도 9.5℃에서 증발기로 유입되는 냉매온도가 가장 안정적이었으며 압축기 회전수는 3,040 RPM 일 때 압축비가 7이하로서 냉각유닛이 가장 안정적 이었고 냉각성능도 우수하였다. 외기온도가 감소함에 따라 증발기측 압력과 토출온도는 낮아졌으며, 부하가 증가할수록 냉동유닛의 증발기측 토출온도의 증가(22%)가 압력의 증가(12%) 보다 더 크게 분석되었다. 이를 통해 신뢰성 확보를 위한 가이드라인을 수립 할 수 있었다. 그리고, 냉동탑차 내부에 보관되어지는 식료품에 따라 변질 및 손상을 가져올 수 있으므로 이에 대하여 온도 및 유동 균질성을 확인하였다. 유동 균질성은 실내기 풍량을 70㎥/min, 80㎥/min, 90㎥/min으로 설정하여 해석을 진행하였다. 해석 결과 실내기 풍량이 70㎥/min일 때 실내 온도는?18.5±0.4℃로서 온도 안정화가 가장 우수하였으며, 이 때 유동 균질성은 0.9±2.0m/s로 가장 낮게 나타났다. 차량용 냉동유닛은 보조 엔진에 의해 구동이 되며 엔진의 냉각수온 및 회전력 변화에 따라 엔진 효율을 분석하였다. 엔진 효율은 회전력 50Nm, 회전수 2,200RPM에서 가장 높게 나타났으며, 냉각수 온도가 95℃일 때 가장 높게 나타났다.
3) R404A 냉매적용 프로그램을 개발하여 냉동유닛의 실험결과와 비교분석하였으며, 해석과 실험의 결과는 ±10% 이내에서 만족하였다. 또한 개발한 프로그램에 대체냉매인 R449A 냉매 사이클을 해석할 수 있도록 프로그램을 개선하여 냉동유닛의 성능을 예측하였다. R449A를 적용한 사이클은 R404A를 적용한 사이클에 비하여 능력은 최대 3% 감소하였고, COP는 최대 4% 상승하였다.
본 연구를 통하여 차량용 10kW급 냉동유닛 시스템의 성능시험 및 평가방법 그리고 최적화 과정을 정립하였으며, 본 연구결과는 향후 차량용 냉동유닛 개발 및 대체냉매 적용 시에 기초설계 자료로 활용될 것으로 기대된다.