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공학석사학위논문

HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 히트펌프 성능평가

Performance Evaluation of HFC32/HFC152a and HFC32/HFC134a Mixtures for Heat pumps

2011년 10월

인하대학교 대학원

기계공학과 (열 및 유체 공학전공)

김 욱 진

공학석사학위논문

HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 히트펌프 성능평가

Performance Evaluation of HFC32/HFC152a and HFC32/HFC134a Mixtures for Heat pumps

2011년 10월

지도교수 정 동 수

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

이 논문을 김욱진의 석사학위논문으로 인정함.

2011年 10月 31日

주심 부심 위원

- i -

요 약 문

본 연구에서는 냉동/공조 설비에서 널리 사용되어 온 HCFC22의 친환경 대체 냉

매를 결정하고 성능을 평가하는데 있다. HCFC22는 오존층 붕괴 지수(ODP)를 가지

고 있어 오존층 파괴의 원인이 될 뿐만 아니라 높은 지구 온난화 지수(GWP)로 인해

더 이상 냉동/공조 설비에 사용될 수 없다. 이를 위해 친환경 대체 냉매 개발과 관련

한 연구가 계속 진행되고 있는 중이며 오존층 붕괴 지수(ODP)가 없고 선진국 규제

에 맞게 낮은 지구 온난화 지수(GWP)를 갖는 HFC의 혼합냉매에 대한 성능 평가를

수행하였다.

본 연구에 사용된 혼합냉매로는 HFC32에다가 HFC152a와 HFC134a를 각각 혼합

하여 사용하였으며 HFC32를 10%에서 50%와 40%까지 10%간격으로 각각 혼합 비

율을 변화시켰다. 혼합냉매의 성능을 실험하기 위해 벤치테스터를 제작하였다. 개방

형 왕복동식 압축기를 설치하였고 인버터를 연결하여 혼합 냉매의 열역학적 특성에

맞게 RPM을 조절해서 동일한 냉‧난방 능력을 얻었다. 증발기와 응축기는 냉매와 물

이 대향류가 되도록 설계한 수냉식 열교환기를 사용하였고 40개 이상의 열전대와 각

각의 열교환기 입구, 출구에 압력계를 설치하였다. 팽창 밸브는 손으로 조정할 수 있

는 미세조절밸브를 설치하였다. 실험 조건은 기준 냉매인 HCFC22의 증발기 포화온

도와 응축기 포화온도가 각각 7℃/45℃(여름 냉방조건), -7℃/41℃(겨울 난방조건)

로 설정하였으며 증발기 출구의 과열도는 5℃(±1℃), 응축기 출구의 과냉도는 5℃

(±1℃)로 유지하였다.

HFC32/HFC152a는 HCFC22 대비 성능계수가 최대 15.8% 증가하였으며 HFC32

/HFC134a는 최대 9.5% 증가하였다. 이는 소요 동력의 감소로 이루어진 결과이며

두 가지 혼합 냉매 모두 각각 최대 13.7%, 8.7%의 소요 동력이 감소하였다. 토출

온도는 각각 최대 15.4℃, 10.9℃정도 높지만 이는 시스템의 내구성과 수명에는 영

향을 주지 않을 것으로 생각된다. HFC32/HFC152a의 충전량은 액체밀도가 큰

HFC32의 혼합비율이 10%씩 증가할수록 15.6~26.8% 정도 줄어들었으며 HFC32/

HFC134a의 충전량은 R134a보다 액체밀도가 작은 HFC32의 혼합비율이 10%씩 증

가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.

이와 같은 비공비 혼합냉매는 열교환기 내에서 온도구배 매칭이 일어나며 이는 소

요 동력을 줄이고 성능계수를 높이는 결과로 이어졌을 뿐만 아니라 친환경적이다.

- ii -

ABSTRACT

In this study, performance of 7 mixtures was measured in an attempt to

substitute HCFC22 used in air-conditioners and heat pump.

The first mixtures were composed of HFC32 and HFC152a. The second

mixtures were composed of HFC32 and HFC134a. refrigerant mixtures

which R32/R152a and R32/R134a with R32 varied from 20% to 50% with

an interval 10% was measured. They were tested in a refrigerating bench

tester with a reciprocating open compressor linked inverter. The test

bench employed water and water/glycol mixture as the secondary heat

transfer fluids. All tests were conducted under the same external

conditions resulting in the averager saturation temperatures of summer

cooling(7/45℃) and winter heating (−7/41℃) in the evaporator and

condenser, respectively.

Test results show that the coefficient of performance(COP) of

HFC32/HFC152a mixutres are up to 15.9% and 5.7% higher than that of

HCFC22 in all temperature conditions. And coefficient of performance(COP)

of HFC32/HFC134a mixutres are up to 9.5% and 3.0% higher than that of

HCFC22 in all temperature conditions. At mixtures , as the composition of

HFC32 is increased, the COP is increased about 3% gradually. Compressor

discharge temperatures were reduced by 3.9~15.4℃ with HFC32/HFC152a

mixtures and by 4~`10.9℃ with HFC32/HFC134a mixtures. There was no

problem with POE oil since the mixtures were mainly composed of

HFC152a but a little problem was occurred mainly composed of R134a. The

amount of charge was reduced up to 13.7% and 8.7% as compared to

HCFC22.

Overall, these all mixtures have a good COP that is meaningful result

besides HFC32/HFC152a mixtures are friendly environment.

- iii -

NOMENCLATURE

Roman symbols

Coefficient Of Performance

HTF specific heat [kJ/kg℃]

Gliding Temperature Difference

Global Wanning Potential

Enthalpy [kJ/kg]

Heat Transfer Fluid

Mass flow rate [kg/s]

Ozone Depletion Potential

Pressure [kPa]

Capacity [Watt]

Entropy [kJ/kg℃]

Temperature [℃]

Thermopile [℃]

Compressor Work [Watt]

Subscripts

Condenser

Compressor

Discharge

Evaporator

At constant pressure

Water

- iv -

TABLE OF CONTENTS

요약문 ······································································································································· i

ABSTRACT ····························································································································· ii

NOMENCLATURE ················································································································ iii

TABLE� OF� CONTENTS ······································································································· iv

LIST� OF� TABLE ··················································································································· vii

LIST� OF� FIGURES ·············································································································· viii

제 1� 장.� 서론 ··················································································································· 1

제 2� 장.� 이론적 배경 ··································································································· 5

� � � 2.1� 혼합냉매의 필요성 및 특성 ··················································································· 5

� � � 2.2� 열역학적 특성 ·········································································································· 8

� � � � � � 2.2.1� 증기압 (Vapor� pressure) ············································································ 9

� � � � � � 2.2.2� 임계온도와 임계압력 (Critical� temperature� and�

� � � � � � � � � � � � critical� pressure) ······················································································· 10

� � � � � � 2.2.3� 증발 잠열 (Heat� of� vaporization) ························································· 11

� � � � � � 2.2.4� 밀도 (Density) ····························································································· 12

- v -

� � � � � � 2.2.5� 압축비 (Pressure� ratio) ············································································· 13

� � � � � � 2.2.6� 오일의 혼화성 (Miscibility) ······································································· 15

� � � � � � 2.2.7� 재료의 호환성 (Compatibility) ································································· 16

� � � � � � 2.2.8� 가연성과 독성 (Flammability� and� Toxicity) ········································· 16

제 3� 장.� 실험 장치 ····································································································· 18

� � � 3.1� 열펌프 설계 및 제작 ···························································································· 18

� � � 3.2� 데이터 측정 ··········································································································· 20

� � � 3.3� 실험 조건 ··············································································································· 22

� � � 3.4� 실험 방법 ··············································································································· 23

� � � 3.5� 윤활유 선정 ··········································································································· 23

제 4� 장.� 결과 및 고찰 ······························································································ 24

� � � 4.1� 실험 냉매 조성 ······································································································ 24

� � � 4.2� R32/R152a� 혼합냉매의 실험결과 ······································································ 28

� � � � � � 4.2.1� 사이클 시뮬레이션 ······················································································· 28

� � � � � � 4.2.2� 성능 계수 ······································································································ 30

� � � � � � 4.2.3� 소요 동력 ······································································································ 31

� � � � � � 4.2.4� 압축기 토출 온도 ························································································ 33

- vi -

� � � � � � 4.2.5� 냉매 충전량 ·································································································· 34

� � � 4.3� R32/R134a� 혼합냉매의 실험결과 ······································································ 35

� � � � � � 4.3.1� 사이클 시뮬레이션 ······················································································· 35

� � � � � � 4.3.2� 성능 계수 ······································································································ 37

� � � � � � 4.3.3� 소요 동력 ······································································································ 38

� � � � � � 4.3.4� 압축기 토출 온도 ························································································ 40

� � � � � � 4.3.5� 냉매 충전량 ·································································································· 41

제 5� 장.� 결론 ················································································································· 42

제 6� 장.� 참고 문헌 ····································································································· 43

- vii -

LIST OF TABLE

Table� 1.1� Production� percentage� reduction� as� accorded� � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

in� Montreal� Protocol ··················································································· 2

Table� 2.1� Fundamental� thermodynamic� properties� (at� 7℃) ································· 8

Table� 2.2� Comparison� of� Ideal� and� Experimental� Hfg� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

(at� summer� condition) ············································································· 11

Table� 2.3� Comparison� of� Ideal� and� Experimental� Pressure� Ratio� � � � � � � � � � �


Table� 3.1� Uncertainties� of� experimental� parameters ··········································· 20

Table� 3.2� Inlet� temperature� and� mass� flow� rates� of� the� secondary� � � � � � �

heat� transfer� fluid ······················································································ 22

Table� 4.1� R32/R152a� mixtures� tested� in� this� study ············································ 24

Table� 4.2� R32/R134a� mixtures� tested� in� this� study ············································ 24

Table� 4.3� Summary� results� of� test� condition� A(Summer)� for� � � � � � �

R32/R152a� mixtures ·················································································· 26

Table� 4.4� Summary� results� of� test� condition� B(Winter)� for� � � � � � � � �

R32/R152a� mixtures ·················································································· 26

Table� 4.5� Summary� results� of� test� condition� A(Summer)� for� � � � � � �

R32/R134a� mixtures ·················································································· 27

Table� 4.6� Summary� results� of� test� condition� B(Winter)� for� � � � � � � � �

R32/R134a� mixtures ·················································································· 27

- viii -

LIST OF FIGURE

Figure� 2.1� Nonazeotropic� R32/R152a� mixture ························································· 6

Figure� 2.2� Ideal� Carnot� cycle� and� Lorenz� cycle ······················································· 6

Figure� 2.3� Relations� between� VC� and� Critical� temperature� � � � � � � � � � � � � � � �


Figure� 2.4� Liquid� density� for� R22� and� mixtures ··················································· 12

Figure� 2.5� Work� of� compression� and� power� required� by� � � � � � � � � � � � � � � � � �

an� ideal� compressor,� Refrigerant� 22� and� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

35℃� condensing� temperature ································································ 14

Figure� 3.1� Schematic� of� the� heat� pump� bench� tester ······································· 18

Figure� 3.2� Details� of� the� evaporator� and� condenser� connection� ················· 19

Figure� 4.1� Simulation� results� of� COP� for� R32/R152a� mixtures ······················· 29

Figure� 4.2� Simulation� results� of� Discharge� temperature� for� � � � � � � � �

R32/R152a� mixtures ·················································································· 29

Figure� 4.3� Experimental� results� of� COP� for� R32/R152a� mixtures ··················· 30

Figure� 4.4� Temperature� distribution� in� the� evaporator� for� � � � � � � � � �

R32/R152a� mixtures� (at� summer� condition) ····································· 32

Figure� 4.5� Experimental� results� of� Work� for� R32/R152a� mixtures ················· 32

- ix -

Figure� 4.6� Experimental� results� of� Discharge� temperature� for� � � � � �

R32/R152a� mixtures ·················································································· 33

Figure� 4.7� Simulation� results� of� COP� for� R32/R134a� mixtures ······················· 36

Figure� 4.8� Simulation� results� of� Discharge� temperture� for� � � � � � � � �

R32/R134a� mixtures ·················································································· 36

Figure� 4.9� Experimental� results� of� COP� for� R32/R134a� mixtures ··················· 37

Figure� 4.10� Temperature� distribution� in� the� evaporator� for� � � � � � � �

R32/R134a� mixtures� (at� summer� condition) ····································· 39

Figure� 4.11� Experimental� results� of� Work� for� R32/R134a� mixtures ·············· 39

Figure� 4.12� Experimental� results� of� Discharge� temperature� for� � � � � �

R32/R134a� mixtures ·················································································· 40

HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매 히트펌프 성능평가 - 1 -

1.� 서론

우수한 열역학적 성질들로 인해 지난 반세기 동안 냉동/공조기의 냉매로 사용되어

온 염화불화탄소(CFC) 및 수소화염화불화탄소(HCFC)가 오존층 붕괴의 주원인으로

밝혀지면서 사람들은 이에 대해 경각심을 갖게 되었고 이것이 국제 사회의 중요한

환경 문제로 부상하면서 1987년에는 미국 및 구주 공동체를 포함한 23개국이 오존층

을 붕괴시키는 CFC의 생산, 무역, 사용을 규제하기 위한 모트리얼 의정서를 체결하

였다. 이에 따라 선진국들은 1996년 1월 1일부터 CFC를 전면 폐기하고 HCFC는 사

용량을 동결하여 2019년 말까지 전면 폐기시키기로 합의하였다.(1-2)

그 결과 가정용

및 산업용 냉동/공조 분야를 비롯해서 전자제품 세정, 단열재 합성, 각종 에어로졸의

분사 기체용 등 여러 분야에서 널리 사용되어 온 물질을 대신하여 친환경 대체물을

개발해야하는 필요성이 시급해졌고 이와 관련된 연구가 진행되고 있다.

한국은 이미 1992년 2월에 몬트리올 의정서에 제5조국으로 가입했으며, 따라서 현

재 CFC 사용과 생산의 규제를 받고 있고 조만간 이산화탄소 발생량의 규제도 받게

되리라 본다. Table 1.1은 몬트리올 의정서의 CFC 및 HCFC 폐기 일정을 보여준다.

이 일정에 따라 우리나라는 2010년에는 CFC를 전폐하여야 하며 2015년부터는

HCFC 사용량 또한 규제를 받게 된다.

CFC 대체가 한참 거론되면서 지구 온난화 문제 역시 심각한 환경 문제로 부상하

기 시작했다. 지구 온난화 현상은 화석 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소가 주

원인이며 이 온난화 현상을 완화시킬 수 잇는 방도를 강구하기 위해 지난 20여 년

동안 사상 최대의 국제 환경 회의가 여러 차례 열려 이산화탄소 발생 규제 및 감축

을 목표로 하는 교토의정서가 제안되었다.(3-4)

한국 경제의 수출 의존도가 높은 점을 감안해 볼 때, 이 같은 환경 규제에 묶여

수출량과 품목이 줄어든다는 것은 한국 경제에 큰 타격이 될 것이다. 따라서 현 시점

에서는 CFC와 이산화탄소로 인한 에너지 및 환경문제를 효과적으로 다룰 수 있는

기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 하지만 이러한 위기는 우리 나름대로의 독자적인

대체 냉매 생산 및 이용기술을 개발 할 경우 다른 선진국들과 동등하게 시장 경쟁을

할 수 있는 긍정적인 기회가 될 수도 있다.

HFCF22의 경우 가정용 공조기 분야에서 거의 독점적으로 사용되어 왔으며 시장

규모 역시 모든 냉매 중 가장 크기 때문에 대체 냉매의 개발은 매우 중요한 의미를

갖는다. 미국을 비롯한 여러 선진국들은 오존층 붕괴지수가 낮고 지구온난화를 유발


SubstanceReduction Percentage

(for Developed Country)

Reduction Percentage

(for Developing Country)

CFCs 100 % in 1996

0 % in 1999

50 % in 2005

85 % in 2007

100 % in 2010

Halons 100 % in 1994

0 % in 2002

50 % in 2005

100 % in 2010

CCl4 100 % in 199685 % in 2005

100 % in 2010

1,1,1 -

Tricloroethane100% in 1996

0 % in 2003

30 % in 2005

70 % in 2010

100 % in 2015

HBFCs 100 % in 1996 100 % in 1996

HCFCs

0 % in 1996

35 % in 2004

65 % in 2010

90 % in 2015

99.5 % in 2020

100 % in 2030

0 % in 2016

100 % in 2040

Table 1.1 Production percentage reduction as accorded in Montreal

Protocol

시키지 않는 HCFC22 대체냉매를 개발하는데 주력하고 있다. 따라서 우리나라가

HCFC22 대체냉매 산업에 성공적으로 참여하여 외국들과의 경쟁에서 이기기 위해서

는 냉매의 생산 못지않게 기본적인 성능 실험에 관한 연구도 수행하여야만 한다. 이

를 위해서는 우리나라 고유의 혼합냉매를 실제의 냉동 시스템에 충전하여 실제 조건


하에서 실험적으로 성능을 측정하고 비교하는 것이 매우 중요하다.

상업용과 가정용 공조기의 경우 HCFC22를 대체할 수 있는 물질을 개발하였고 미

국 냉동 공조학회(ASHRAE)에서 공식적으로 R410A로 명명한 혼합냉매

(50%R32/50%R125, Allied Signal사의 AZ20)와 R407C로 명명한 혼합냉매

(23%R32/25%R125/52%R134a DuPont사의 AC9000)가 시장에 나와 있다.(5)

이 중에서 R410A는 GTD가 0.2℃미만인 근공비 혼합매체로서 전통적인 냉매 충

진 방법을 적용할 수 있을 뿐만 아니라 장비의 소형화에 대한 잠재성과 시스템 효율

이 향상될 가능성을 지니고 있어 매우 매력적이다. 그러나 이 냉매의 증기압은

HCFC22의 증기압보다 무려 60%정도 높기 때문에 설비 제조업체들은 압축기의 재

설계(소형화)와 관 벽의 두께 강화, 강인한 용접을 위한 고압 용기의 사용 등으로 인

한 제조비용의 증가와 체적용량의 증대로 인한 제조비용의 감소가 어떻게 경제적으로

서로 상쇄될 수 있는가를 연구하여 이 대체냉매의 사용을 결정해야만 한다. R410A

의 등엔트로피 효율은 HCFC22에 비해 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있지만 마찰

의 감소 및 밀도의 증가로 인한 압력 손실의 감소가 등엔트로피 효율의 감소를 상쇄

시킬 수 있으므로, 이 냉매를 사용하는 시스템의 효율은 HCFC22보다 클 것으로 전

문가들은 추측하고 있다.(5-6)

반면에 R407C는 6℃정도의 온도구배를 지닌 비공비 혼합매체로서 HCFC22와 비

슷한 증기압을 내며, 따라서 별도로 현행 장비를 크게 수정하지 않고서도 이를 적용

할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 그러나 비공비 혼합냉매이므로 시스템 누설이 있는

경우에는 분리 현상이 발생하여 냉매를 보충하는데 문제가 있고 또한 질량전달저항으

로 인해 열전달 계수가 감소하므로 열교환기의 성능저하가 우려된다.

하지만 이렇게 개발된 대체 냉매들 역시 높은 지구 온난화 계수를 가지고 있고 많

은 EU 국가들은 공기조화기와 히트펌프에서 HFC의 사용을 금지하는 것을 고려하고

있다.(7)

예를 들면, 덴마크는 2001년부터 HFC 사용을 줄이기 시작했고, 2007년부터

는 새로운 장비에는 HFC를 사용하지 않도록 하는 규제를 제안하였으며 HFC와 에스

테르 오일 사용에 대한 강력한 규제 사항을 만들었다. 또한 장기적으로는 지구 온난

화 지수(GWP)가 150 이하인 냉매들만을 냉동/공조기에 사용할 것을 법으로 규정하

였다.(8)

또한 자동차의 경우 신냉매 HFC134a가 개발되어 사용된 지 10여 년이 된

현 시점에서 2010년 이후에는 유럽에서 HFC134a를 사용할 수 없다는 F-gas 법률

이 통과되어 산업계는 또 다시 친환경 냉매를 개발해야 하는 어려움을 겪고 있다.(9)

지구온난화지수가 150이하인 냉매만을 사용해야하며 쿼터제를 실시하여 해마다


HFC134a 장착 자동차의 시장도입량을 줄이도록 하였다. 그리고 2017년에는 완전히

모든 차량이 이 규제를 따라 사용하도록 규정하고 있다. 이런 환경 보호 법규들은 시

간이 갈수록 강화될 것으로 보이며 이미 유럽 연합 국가들은 F-gas 법률 등에 의거

하여 기존 공조기 및 히트펌프의 대체 냉매로 개발된 HFC407C와 HFC410A 등에

막중한 세금을 매겨 정책적으로 탄화수소나 탄화수소와 HFC의 혼합냉매 같이 지구

온난화 지수가 낮은 친환경 냉매를 사용하게 하고 있다. 따라서 이러한 혼합냉매의

문제점 및 지구온난화에 영향을 끼치는 HFC의 사용규제를 해결해줄 친환경적 대체

냉매의 개발이 시급한 과제이다.

현 시점에서는 오존층 붕괴도 일으키지 않으며 에너지를 절감해서 지구 온난화 현

상도 완화시킬 수 있는 냉매들이 절실히 필요하며 이러한 대체냉매들의 한 종류로

각광을 받고 있는 것들이 바로 순수냉매들을 혼합한 ‘비공비 혼합냉

매’(Non-azeotropic refrigerant mixtures, NARMs)이다. 친환경적인 비공비 혼

합냉매를 사용하면 열효율을 10% 정도 향상시킬 수 있고, 냉동, 공조기를 크게 변화

시키지 않고도 시스템에 적용할 수도 있고 다른 물질 및 윤활유와의 호환성에 문제

가 생기지 않게 할 수 있다.(10)

이에 본 연구에서는 수열원 히트펌프를 모사하는 벤치 테스터를 제작하여 여름철

냉방조건과 겨울철 난방조건 하에서 환경 특성이 우수한 HFC32/HFC152a와

HFC32/HFC134a 혼합냉매의 조성을 변화시켜가면서 성능을 측정함으로써 조성 변

화에 따른 냉난방 특성을 비교하고 동시에 기준이 되는 HCFC22 냉매와의 차이점도

살펴보려고 한다.


2.� 이론적 배경

2.1� 혼합냉매의 필요성 및 특성

몬트리올 의정서의 규제조치에 따라 유럽 국가들에서는 이미 2000년대 초반부터

HCFC22의 사용이 금지되었고 미국의 경우에도 2010년 이후부터 제조되는 신제품에

대해서는 HCFC22를 사용할 수 없지만 현재까지 HCFC22를 성공적으로 대체할 수

있는 순수 냉매가 발견되지 않았다. 따라서 이미 개발된 순수 냉매들을 혼합한 혼합

냉매들이 앞으로 냉동/공조기 에서 HCFC22를 대체할 것으로 전망되고 있다. 이 같

은 시점에서 오존층 붕괴도 일으키지 않으며, 에너지를 절감해서 지구 온난화 현상도

완화시킬 수 있는 냉매들이 절실하게 요구되고 있고, 이러한 대체 냉매들의 한 종류

로서 각광을 받고 있는 것들이 바로 ‘비(非)오존층 붕괴’ 순수 냉매들을 혼합한 혼

합 냉매들인 것이다. 혼합 냉매들의 특징은 아래와 같다.

1. 열효율의 개선 가능성이 10% 정도 있음

2. 오존층 붕괴 지수 없음

3. 지구 온난화 지수 낮음

4. 냉동/공조기를 크게 변화시키지 않고도 이들을 적용할 수 있음

5. 이미 생산이 되어 오고 있고, 다른 물질 및 기존 냉동유와의 호환성이 있음

위에 열거된 특성들 때문에 비공비 혼합냉매(Non-azeotropic refrigerant

mixtures, NARMs)들은 냉동/공기조화 분야에서 에너지 효율을 현저하게 높일 수

있는 방안 중의 하나로서 부각되어 왔고, 외국의 경우에는 여러 연구소에서 이들의

열역학적 특성에 대해 많은 연구를 진행해 왔다.(6,11-14)

NARMs는 등압 상태에서 증발이 일어날 때 순수 냉매와는 달리 증발 온도가 올라

가며 반대로 응축 시에는 응축 온도가 감소하게 된다. 이와 같은 현상은 ‘온도 구

배 현상’(Gliding temperature phenomenon)이라 불린다. 혼합 냉매들의 증발이

시작되는 점과 끝나는 점의 온도 차이를‘온도구배차’(Gliding temperature

difference, GTD, Figure 2.1에서 ∆)라고 하며, 이 GTD는 선택된 혼합 냉매의

종류와 조성에 따라 변한다. Figure 2.1은 이 같은 전형적인 비공비 혼합 냉매의 온

도-조성 선도로서 비공비 혼합 냉매의 특징을 잘 보여주는 HFC32/HFC152a의 온


Figure 2.2 Ideal Carnot cycle and Lorenz cycle.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Composition(Mole frac. R32)

-30

-20

-10

0

10

Tem

pera

ture

(o C)

R32/R152aPressure = 300 kPa

R32R152a

Dew line

Bubble line

Superheated vaporregion

Subcooled liquidregion

Two-phaseregion

Dew point

Bubble point

.Tg

2

3

Xo

1

4

Figure 2.1 Nonazeotropic R32/R152a mixture

도-조성 선도이다.

증기 압축식 사이클에 의해 작동되는 냉동/공조기는 열원(Heat source)과 열 방출

구(Heat sink)로서 공기나 물 등의 ‘2차 열전달 매체’(Heat transfer fluid)를 필

요로 한다. Figure 2.2 (a)는 온도-엔트로피(Temperature-entropy) 선도 상에 이

상적인 Carnot cycle 및 Lorenz cycle을 보여주고 있다. Carnot cycle에서 작동되

는 순수 냉매의 경우에는 열교환기의 한쪽 끝에 반드시 Pinch point가 생기게 되고,


따라서 Pinch point가 생기지 않는 다른 쪽에는 냉매와 열전달 매체 간의 온도차가

필요 이상으로 커지게 되므로 결국 열교환시에 많은 양의 엔트로피가 형성된다.

그러나 비공비 혼합 냉매를 사용하는 경우에는, Figure 2.2 (b)에서 Lorenz

cycle이 보여주는 것처럼, 냉매의 온도구배와 열전달 매체의 온도구배를 이용하여 사

용자가 냉매와 열전달 매체의 온도를 평행이 되도록 조절해 줄 수 있다. 따라서 두

매체간의 온도차 및 ‘열역학적인 비가역성’(Thermodynamic irreversibility)이

줄어들게 되고, 결국 열교환 효율의 증대가 이루어진다. 그러나 이렇게 유체들의 온

도가 평행이 되도록 하려면 반드시 ‘대향류 열교환기’ (Counter-current heat

exchangers)를 사용해야만 하며 동시에 온도 구배 매칭을 해야 한다.

대체냉매를 선정할 때 친환경성의 평가기준은 냉매 자체의 환경 영향뿐만 아니라

시스템운전에 필요한 에너지 생산 시에 발생되는 이산화탄소에 의한 간접적인 영향을

함께 고려하는 것이 필요하다. 이러한 냉매의 직접적인 영향과 간접적인 영향을 함께

나타내는 척도가 총등가온난화지수(TEWI, Total equivalent warming impact)이며

이를 기준으로 보면 친환경냉매의 선정은 물론 시스템의 효율을 향상시켜 TEWI를

최소화하는 것이 중요하다.(15)

비공비 혼합냉매를 사용하는 Lorenz cycle의 경우에는, 열교환 효율의 증대뿐만

아니고 ‘압축기가 필요로 하는 일’(Compression work) 역시 Carnot cycle에 비

해 줄어들게 된다(Figure 2.2의 빗금친 부분). 따라서 비공비 혼합 냉매를 사용하게

되면, 냉동기의 성능 계수(COP)가 많게는 30∼40%까지도 증가할 수 있다.(16)


2.2� 열역학적 특성

Refrigerant R22 R32 R152a R134aR32/R152a

(35/65)

R32/R134a

(30/70)

끓는점(℃) -40.8 -51.6 -24.0 -26.1 -35.8 -38.6

증발잠열(kJ/kg) 199 304 300 193 311 233

임계온도(℃) 96 78 113 101 101 92

임계압력(MPa) 4.99 5.78 4.52 4.06 5.18 4.86

지구온난화지수

(GWP)1790 716 133 1370 337 1174

Table 2.1 Fundamental thermodynamic properties(at 7℃)

기준이 되는 단일냉매와 비교할 혼합냉매의 열역학적 특성을 Table 2.1에 정리하

였다. 혼합냉매의 혼합비율 선정은 실험 결과를 통해서 가장 타당하다고 생각되어지

는 혼합비율을 이용하여 열역학적 물성치를 계산하였다. 끓는점, 임계온도, 임계압력

은 냉매의 고유한 성질이고 증발잠열은 증발기 온도 조건인 7℃에서 나타나는 값을

계산하였다.

증발잠열은 냉동/공조기의 냉방능력과 난방능력을 결정하기 때문에 중요하다. 또한

증기압에 따라 냉매의 질량유량에서 차이가 생기게 되어 냉․난방능력이 다르게 나타

날 수도 있다. 단일냉매와 혼합냉매의 증발잠열만을 놓고 보았을 때는 R32/R152a의

혼합냉매가 단일냉매 R152a에 비해 3.7%정도 높고 R32에 비해서도 2.3% 높다.

R32/R134a의 혼합냉매는 단일냉매 R134a에 비해서 20.7%정도 높은 반면 R32에

비교했을 때는 23.4%정도 낮다.

R32는 열역학적 특성이 뛰어나지만 R152a에 비해 GWP가 높다. R32와 R152a를

혼합하여 사용하면 열역학적 특성이 더 좋아질 뿐만 아니라 GWP가 절반 이상 줄어

들게 되어 환경 규제에 적합한 냉매가 된다.

R134a는 R12를 대체로 나온 저온에 특화된 냉매로서 자동차 에어컨과 산업용 냉

장고에 주로 쓰인다. R32를 혼합함으로서 순수 R134a 보다 GWP가 줄어들었고 증

발잠열이 좋아졌다. 또한 R32의 비율이 커질수록 POE 오일과의 혼화성이 좋아져 시

스템이 안정적인 성능을 내는 것을 확인하였다.


2.2.1� 증기압 (Vapor� pressure)

대체냉매를 선정할 때 가장 먼저 비교해봐야 할 것 중 하나는 증기압이다. 냉매에

따라서 같은 온도에서도 증기압은 매우 다르며, 증기압에 로그를 취한 값과 온도의

역수는 근사적으로 직선 관계를 가진다.

냉동시스템의 구성요소들은 주로 1-25 bar의 압력으로 작동되는 냉매를 선택하여

사용하고 있다. 대기압보다 낮은 증기압을 가진 냉매는 시스템 내로 공기가 유입이

될 수 있다. 냉매의 증기압이 높아지면 비등점은 낮아지고 압축기의 행정체적이 작아

진다. 즉 동일한 행정체적의 압축기에 대하여 냉동능력이 크다. 또한 비등점이 낮은

냉매는 저압과 고압 사이의 압축비가 작다. 하지만 너무 높은 응축 압력은 압축기 및

배관의 내압강도를 높여야 하며 토출온도의 상승으로 인해 윤활유가 변질되기 쉽고

체적효율이 감소를 초래하기 때문에 증기압이 높은 냉매는 사용 시에 유의하여야 한

다.

터보 냉동기와 동일한 작동원리는 갖는 원심 압축식 터보 히트펌프는 고온의 열원

을 얻기 위해서 고압부가 30 bar까지 올라가기도 하며 시스템 설계 시 단일 설계점

에서의 성능 이외에 연간 운전형태를 고려하여 다양한 운전조건에서의 운전 안정성

및 성능 최적화가 필요하다.(17)

본 연구에서는 대체가 필요한 HCFC22를 기준으로 제시한 외부 조건을 기준으로

비교할 혼합 냉매들의 단일 성능을 비교하여 측정하였으며 응축기 쪽 고압부 작동

증기압은 13~20 bar 사이에서 작동하였고 증발기 쪽 저압부 작동 증기압은 2.5~7

bar 사이에서 작동하여 실험을 위한 작동 유체로서의 문제는 발생하지 않았다.


Figure 2.3 Relations between VC and Critical

temperature(at summer condition)

2.2.2� 임계온도와 임계압력 (Critical� temperature� and� critical� pressure)

물질의 고유한 특성에 따라 임계온도와 임계압력이 결정되며 입계온도가 높아지게

되면 상대적으로 작동 증기압이 낮아지게 되고 팽창 밸브에서의 교축 작용 이후 플

레쉬 가스의 발생이 적어지게 되어 고유하게 냉동 효율이 좋아지는 장점이 있다.(18)

반면에 증기압이 감소하게 되면 냉매들의 특성은 체적 용량이 감소하는 경향이 나타

나기 때문에 이는 냉난방용량의 부족함으로 이어질 수 있어 이것을 고려한 시스템

설계가 필요하다. Figure 2.3은 실험 결과를 바탕으로 임계 온도에 따른 체적 용량

의 변화를 나타내며 괄호안의 숫자는 각각의 혼합비율을 의미한다. 두 가지 혼합냉매

모두 R32의 혼합 비율이 증가할수록 임계온도가 상승하게 되고 이에 따라 체적 용량

이 감소하는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 동일한 냉난방용량을 기준으로 시스템

해석을 하였기 때문에 체적 용량에 감소에 따라 압축기의 RPM 회전수를 증가시켜

동일한 냉난방용량을 얻도록 하였다.

냉매가 높은 압력과 온도까지 상승하면 이상상태가 존재하지 않는 초임계유체가

되어 기체와 액체의 구분 상태가 없어지게 되고 응축현상이 일어나지 않는다. 따라서

증기 압축식 사이클에서 임계점보다 높은 압력과 온도를 적용할 수가 없기 때문에

임계온도와 임계압력 이하에서의 설계가 필요하다.


RefrigerantIdeal Hfg

(kJ/kg)

Experimental Hfg

(kJ/kg)

R22 199 151.9

R32/R152a(20/80) 308 236.7

R32/R152a(30/70) 310 237.5

R32/R152a(40/60) 312 238.3

R32/R152a(50/50) 312 238.2

R32/R134a(20/80) 221 158.1

R32/R134a(30/70) 233 168.8

R32/R134a(40/60) 244 178.7

Table 2.2 Comparison of Ideal and Experimental Hfg (at summer

condition)

2.2.3� 증발잠열 (Heat� of� vaporization)

증발잠열이란 주어진 온도와 압력에서 포화액체와 포화증기의 엔탈피의 차이를 말

한다. 하지만 실제 시스템에서 얻을 수 있는 증발잠열은 보통 이상적인 증발잠열의

70% 수준이다. 이는 팽창밸브에서 일어나는 교축작용에 의한 에너지 손실이 주요한

원인이고, 손실에 대한 크기는 앞서 설명한 임계온도의 비교를 통해서 어느 정도 예

상할 수 있음을 알 수 있다. 다음은 증발잠열과 냉난방용량의 관계를 나타내는 식이

다.

×

Table 2.2는 Refprop 9.0(19) 프로그램을 이용하여 구한 이론적 증발잠열과 실험

결과를 통해서 구한 증발잠열 값을 비교하였다. 실험결과 값이 23~28% 정도 낮음을

알 수 있다. 위 식을 통하여 필요한 질량유량을 얻을 수 있는데 이것은 압축기의 소

요 동력을 예상할 수 있다. 동일한 냉난방용량 조건에서 혼합냉매의 증발잠열이 R22

에 비해 크고 R32의 혼합비율이 증가할수록 증발점열도 증가하기 때문에 R22보다

적은 소요 동력으로 동일한 냉난방용량을 얻을 수 있고 R32의 혼합비율이 증가할수

록 소요 동력도 감소할 것이다.


Figure 2.4 Liquid density for R22 and mixtures

2.2.4� 밀도 (Density)

냉매의 밀도는 압축기에 의한 질량유량을 결정하는 기준이 된다. 냉매의 밀도가 높

다는 것은 비체적이 작다는 것이고 이는 압축기로 유입되는 냉매의 질량유량의 증가

로 이어져 소요 동력이 상승하게 된다.

또한 냉매의 액체밀도를 통해 실험을 하기 전에 시스템의 충전량을 예측할 수 있

다. 액체밀도는 증기밀도보다 훨씬 크며 냉매는 응축기 끝부분에 과냉되어 쌓이기 때

문에 관내에서 많은 부피를 차지한다. Figure 2.4는 R22와 각각 혼합냉매의 액체밀

도를 나타낸다. R32/R152a의 액체밀도는 R22보다 22~23% 정도 작기 때문에 혼합

냉매의 충전량이 더 작을 것으로 예측할 수 있다. 또한 액체밀도가 높은 R32의 혼합

비율이 커질수록 혼합냉매의 액체밀도가 증가하게 되고 이것을 통해 충전량이 증가할

것이라고 동일하게 예측할 수 있다. R32/134a의 액체밀도는 R22보다 4~11% 정도

작으며 R134a 액체밀도가 R32보다 높기 때문에 R134a의 혼합비율이 작아질수록 액

체밀도가 감소하게 된다.

혼합냉매의 작은 밀도로 인한 충전량의 감소 및 질량유량의 감소는 냉매의 환경에

대한 직. 간접적 영향을 줄일 수 있다. 하지만 증발잠열을 고려한 소요 동력의 변화

도 고려하여 시스템을 평가해야한다.


2.2.5� 압축비 (Pressure� ratio)

냉동기에서 압축비는 고압측의 압력을 저압측의 압력으로 나눈 값이다. 본 실험에

서는 냉매의 온도 조건이 여름철, 겨울철로 이미 정해져 있으므로 압축비가 정해져

있다고 생각할 수 있다.

압축기는 질량이 아닌 체적과 상관관계가 있으며 비체적이 작은 냉매가 유입되면

압축기가 밀어내는 질량유량을 증가시킨다. 따라서 낮은 압축비를 가진 냉매는 압축

기 효율 및 체적효율이 증가한다. 반대로 높은 압축비는 에너지 소비의 증가를 가져

오며 높은 응축압력은 누수의 위험과 토출온도의 증가로 인한 냉매의 붕괴를 야기하

므로 압축기의 효율이 감소하는 원인이 된다.

압축기 토출 온도를 고정시키고 흡입구 증발기의 온도를 증가시키면 압축비가 감

소하고 온도차가 작아지면서 엔탈피 차이가 감소하여 압축기가 하는 일이 줄어든다.

하지만 소요 동력을 살펴보면 압축기 흡입구 온도 증가로 인해 증기의 체적이 감소

하게 되고 이는 동력의 증가로 이어진다. 소요 동력은 계속 증가하다가 압축기가 하

는 일의 영향이 체적 감소의 영향보다 더 커지게 되면 감소하여 소요 동력의 피크점

을 만드는 현상이 발생하는데 이는 실제로 다양한 운전 조건에서 발생할 수 있는 동

력 손실로서 이를 고려하여 시스템을 설계하는 것이 필요하다. Figure 2.5는 등엔트

로피 과정에서의 EES(20)

시뮬레이션 결과를 보여준다. 다음은 소요 동력을 나타내는

식이다.

증발기에서는 압력강하로 인해 실제 압축기 흡입구의 압력이 여름철 온도 조건인

7℃의 포화압력보다 낮다. 반면 압축기 토출구의 고압부분은 45℃ 조건보다 높게 나

타난다. 결국 실제 압축비는 등엔트로피 압축비보다 높게 나타난다. Table 4.1은 이

러한 결과를 보여준다. R22는 실제 압축비가 등엔트로피 압축비보다 5.4% 높게 나

타나고 R32/R152a는 4.8~6.8% 높게, R32/R134a는 5.9~7.9% 높게 나타난다. 혼

합냉매는 R22보다 높은 압축비로 인해 토출 온도는 높아지지만 온도 구배로 인한 열

효율 개선으로 오히려 소요 동력은 줄어드는 것을 알 수 있다.


Refrigerant Ideal P.R. Experimental P.R.

R22 2.78 2.93

R32/R152a(20/80) 2.96 3.14

R32/R152a(30/70) 2.92 3.12

R32/R152a(40/60) 2.90 3.04

R32/R152a(50/50) 2.88 2.95

R32/R134a(20/80) 2.95 3.17

R32/R134a(30/70) 2.91 3.14

R32/R134a(40/60) 2.89 3.06

Table 2.3 Comparison of Ideal and Experimental Pressure Ratio

(at summer condition)

-60 -40 -20 0 20 400

5

10

15

20

25

0

20

40

60

80

100

Evaporating temperature, oC

Pow

er, k

W

Wor

k of

com

pres

sion

, kJ/

kg

Power

Workcomp

Figure 2.5 Work of compression and power required by an ideal

compressor, Refrigerant 22 and 35℃ condensing

temperature


2.2.6� 오일의 혼화성 (Miscibility)

압축기의 효율적인 작동과 시스템의 효율을 위해선 적절한 오일을 선정하는 것이

중요하다. 오일은 윤활작용, 냉각작용, 밀봉작용, 방청작용, 응력·분산작용의 기능이

있으며 적절치 못한 오일을 용해할 경우, 베어링의 고착, 밸브의 파손, 각 밀봉부(로

터와 케이싱, 피스톤과 피스톤링, 실린더부)의 누설로 성능저하와 함께 수명을 단축

시킨다. 또한 저온영역인 증발기 부분에서 상분리가 일어나 압축기로의 회수가 불가

능해지며 이러한 현상은 오일이 증발기 열전달부에 잔류되어 열전달 방해를 유발하

며, 결국 냉동능력을 급격히 감소시킬 수 있다. 또한 모세관이나 팽창 밸브를 막히게

하는 요인이 된다.(21-27)

오일의 기능은 다음과 같다.

1. 윤활작용 : 마찰표면에 유막을 형성하여 금속간 마찰 감소.

2. 냉각작용 : 마찰에 의해 생긴 열을 순환 냉각하여 과열방지.

3. 밀봉작용 : 이물질의 침입을 방지하고 압력이 누설 방지.

4. 방청작용 : 금속표면에 형성된 유막으로 산소나 물 또는 부식성 가스와의 접촉

을 방지함으로써 산화 방지.

5. 응력․분산작용 : 마찰면에 걸리는 부하를 균일하게 분산시켜 충격 및 마모를 줄

이는 작용.

물리적 특성 중 중요한 것은 점도, 점도지수, 각종 냉매와의 상호 용해성, 저온부

에서의 유동성, 왁스의 분리, 수분 용해성, 공기 용해성, 휘발성, 포밍 현상

(foaming) 등이며, 화학적 특성에는 경계면에서의 유막 형성능력, 열안정성, 냉매와

의 반응성, 혼합물과 첨가제의 영향 등이 있다.

오일과 냉매는 적절히 혼화되어야 하며 적정 오일량에 관한 연구는 열교환기의 적

확한 해석과 압축기의 파손을 예방할 수 있다.(28)

오일이 냉매에 용해되어 서로 잘

혼화된다면 증발기에서 순수 냉매보다 낮은 증기압을 갖게 되며 소요 동력이 줄어들

어 효율이 올라갈 수 있는 가능성이 있다.

오일은 크게 광유와 합성유로 나누어지며 광유는 Mineral oil(MO)이라 불리고 비

극성 오일로서 비극성 물질인 CFC, HCFC 냉매와 윤활성이 양호하고 수분관리에 장

점을 가지고 있어 시스템 순환시 특별한 관리가 없어도 된다, 합성유에는 대표적으로

Alkyl benzene(AB), Poly alkylen glycol(PAG), Poly alpha olefin(PAO), Poly

ester(POE) 등이 있으며 극성을 띄는 HFC 냉매와 잘 혼화되는 극성 합성유이다.


PAG 오일은 혼화성을 높이기 위해 산소분자를 넣어 개선하였고 POE 오일은 염소원

자가 없어 윤활성이 떨어지는 HFC 냉매의 단점을 보완하기 위해 첨가제를 넣어 개

선을 하였다. 하지만 HFC134a에 주로 쓰이는 PAG는 탄화수소 냉매와 부분적 적용

이 가능하며 수분 흡수성이 높고 상분리현상 등의 문제가 있어 안정성이 높은 POE

오일의 사용이 요구되었다.(29)

2.2.7� 재료의 호환성 (Compatibility)

HFC 냉매는 기존의 냉동장치에 쓰이는 물질들과 혼화성이 좋은 장점이 있다.

철, 주철, 황동, 구리, 주석, 납, 알루미늄 등 대부분의 금속재료와 호환성이 좋다.

하지만 최악의 온도 조건에서는 가수분해와 열분해를 일으켜 장치를 부식시키고 냉매

의 고유 성질을 변질 시킬 수도 있다.(29)

고무는 HFC 냉매를 흡수하여 팽창하며 종류에 따라서 팽창율이 달라진다. 냉매를

사용할 때는 팽창율을 고려하여 고무를 선정해야한다. 또한 노출된 고무의 인장 강

도, 경도, 추출량 등 다른 요인도 고려할 필요가 있으며 탄성체와 냉매의 호환성에

관한 광범위한 연구를 Hamed et al.이 하였다. HFC 냉매는 천연 고무와 호환성이

떨어져 부식을 시키기 때문에 기밀성을 위한 패킹재료를 선정할시 피해야한다.

플라스틱은 최소 두 가지 이상의 복합재이기 때문에 냉매와의 호환성을 예측하기

가 어렵다. Cavestri가 23 종류의 플라스틱, 10 종류의 냉매, 7 종류의 오일, 17 종

류의 냉매-오일 혼합물을 포함하는 호환성에 대해 연구를 하였으며 Acrylonitrile

butadiene styrene(ABS 수지), Polyphenylene oxide, Polycarbonate(PC) 세 가

지가 호환이 잘 되지 않는 재료임을 제시하였다.

2.2.8� 가연성과 독성 (Flammability� and� Toxicity)

냉매의 가연성에는 세 가지 단계가 있다.(29-30)

Class 1 : 21℃, 101kPa에서 화염이 생기지 않는다.

Class 2 : 21℃, 101kPa에서 희박 가연 한계(Lower flammability limit, LFL)

가 0.10kg/m3 이상 이며 연소열이 19000kJ/kg 이하 이다.

Class 3 : 21℃, 101kPa에서 희박 가연 한계(Lower flammability limit, LFL)

가 0.10kg/m3 이하이며 연소열이 1900kJ/kg 이상 이다.


Class 숫자가 커질수록 가연성을 지니며 R32와 R152a는 Class 2로 약간의 가연

성이 있고 R134a는 Class 1로 비가연성 냉매이다. 가연성이 높은 냉매는 누출을 고

려하여 시스템이 환기가 잘 되는 곳에 있어야 하고 이를 대비한 설계가 필요하다. 또

한 비가연성 냉매와 혼합하여 사용하여 가연성을 줄일 수 있다.(94) 냉매의 가연성을

명확하게 분류하기 위해서는 희박 가연 한계(LFL)에 대한 자료가 필요하다. R32는

가연 하한 농도가 14%이고 가연 상한 농도가 31%이고 R152a는 가연 하한 농도가

3.9%이고 가연 상한 농도가 16.9%이다.

냉매의 독성에는 두 가지 단계가 있다.(29)

Class A : 400ppm 이하의 농도에서 독성이 검출되지 않는다.

Class B : 400ppm 미만의 농도에서 독성이 검출된다.

R32, R152a, R134a는 Class A로 모두 무독성 냉매이며 인체에 무해하다.


Figure 3.1 Schematic of the heat pump bench tester

3.� 실험 장치

3.1� 열펌프 설계 및 제작

이론적 해석을 통해 선정한 중·저온용 냉동기 보충 냉매 및 대체 냉매의 성능을

실험적으로 측정하기 위해 본 연구에서는 냉매와 물이 대향류를 이루고 흐르며 압축

기 등을 원하는 대로 쉽게 바꿀 수 있는 가변형 냉동기를 설계하고 제작하여 몇 가

지 냉매의 성능을 측정하였다.(31)

Figure 3.1은 HCFC22 대체 혼합 냉매의 성능을

측정하기 위한 냉동기의 구성을 개략적으로 보여준다. 본 연구에서는 증기 압축식 냉

동기의 중요 요소인 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등을 조합하여 약 3.5kW(1

냉동톤)의 용량을 낼 수 있는 냉동기를 설계, 제작하였다. 본 실험에서 증발기와 응

축기로 사용한 열교환기는 내경 19.0mm, 외경 25.4mm, 길이 740mm의 이중관 형

태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. Figure 3.2는 동관 연결 부위를 상세

히 보여 준다. 증발기와 응축기의 총 길이는 각각 5.92m이며 내벽면을 기준으로 한


Figure 3.2 Details of the evaporator and condenser connection

열교환기의 면적은 각각 0.3536m2이다. 이중관 열교환기의 내관으로는 2차 유체가

흐르도록 하였으며, 냉매는 내관과 외관 사이의 환상 공간으로 흐르게 하였다. 한편

혼합 매체의 특성을 살리고 열교환을 극대화시키기 위해 열교환기의 형태는 대향류가

되도록 하였다.

본 실험 장치에서는 개방형 왕복동식 압축기를 전기모터와 인버터에 연결하여

사용하였다. 본 실험의 목적은 동일한 냉동용량 하에서 HCFC22와

HFC32/HFC152a, HFC32/HFC134a 혼합냉매의 성능을 비교하는 것이기 때문에

각각 혼합냉매의 경우 조성에 따라 용량이 변하므로 회전수(rpm)를 변화시켜

HCFC22와 동일한 냉동용량을 낼 수 있도록 하였다.

응축기를 통과한 냉매가 완전히 과냉 되었는지 확인하기 위해 유리로 된 가시화

장치(Sight glass)를 설치하였으며 팽창밸브 전에 필터 드라이어를 설치하여 냉매 속

에 있을지도 모르는 불순물이나 수분 등을 제거하였다. 그리고 증발기로 들어가는 냉

매의 양과 압력을 조절하기 위해 미세조절이 가능한 수동식 팽창 밸브를 사용하여

증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하였다. 혼합 냉매를 충전할 때는 분리

현상을 방지하기 위해 냉매를 액상으로 충전해야 하며 이를 위해 압축기 입구 뿐만

아니라 증발기 입구에도 냉매 주입구를 만들었다. 냉동 사이클의 특성상 응축기 압력

은 25기압까지 올라갈 수 있기 때문에 이와 같은 고압에서도 시스템이 견딜 수 있도

록 하기 위해 모든 접합부는 은납을 사용하여 용접하였다.

증발기의 2차유체로는 에틸렌글리콜이 35wt% 혼합된 물-에틸렌글리콜 혼합물을

사용하였고, 응축기에는 물을 사용 하였다. 물의 온도를 일정하게 맞추기 위해 응축

기에는 칠러를 사용하였으며, 증발기에는 히터를 사용하였다. 그리고 열교환기의 물

측 입구에는 필터를 설치하여 물속에 섞여 있을지도 모르는 불순물을 제거하였다. 또

한 칠러와 히터의 부하를 최소화하기 위해 응축기에서 나오는 뜨거운 물과 증발기에


Parameters Uncertainty

Temp.(RTD) ±0.01℃

Temp.(Thermocouple) ±0.1℃

Pressure ±3.4kPa

Mass flow rate ±0.2%

Work(Wattmeter) ±0.5%

Table 3.1 Uncertainties of experimental parameters

서 나오는 차가운 물을 열교환시켜 각각의 용량을 줄였다. 본 실험에서는 열손실을

최소화하기 위해 열교환기 외벽에 3 mm 두께의 스펀지 테이프를 두 겹으로 감고,

그 위에 25 mm 두께의 단열 폼을 덮었으며 그 뒤 열교환기 전체를 50 mm 두

께의 유리섬유로 덮었다.

3.2� 데이터 측정

증발기 및 응축기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 20개 이상의

T-type 열전대를 열교환기 연결 부위의 냉매 및 물이 흐르는 관속에 삽입하였고 모

든 열전대는 사용에 앞서 정도 0.01℃의 정밀 온도계로 보정했다. 응축기의 냉매와

물의 온도를 측정하기 위해서는 T-type 열전대를 열교환기 표면에 부착하였다. 증발

기의 용량을 결정하기 위해서는 증발기로 흐르는 2차 유체의 유량 및 온도차를 정확

히 측정해야 한다. 2차 유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 6개의 열전대를

연결하여 Thermopile을 제작했고 이 역시 정밀 온도계로 보정한 뒤 물 측 입출구에

삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입 온도와 토출 온도도 측정하여 압

축기의 안정성이나 냉매의 혼합비에 따른 변화도 살펴보았다.

한편 증발기와 응축기의 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고

정도가 3.4kPa 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매측 압력을 측정하였다. 압

축기의 소요동력은 정도가 0.5% 미만인 정밀 토크미터를 이용하여 측정하였다. 냉동

기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기 측 2차 유체의 질량유량을 정확하게


측정해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 코리올리힘의 원리를 이용하여 점도나 밀도

등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 0.2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하

여 증발기 측 2차 유체의 유량을 정확하게 측정하였다.

끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터는 PC와 데이터 로깅 시스템(HP3852A) 상

호 연결하여 15-30초 간격으로 수집하였으며, 이렇게 수집한 데이터는 PC의 하드디

스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석할 수 있게

했다. 실험에 사용된 계측장치의 정확도를 Table 3.4에 나타내었다.

냉동용량을 구하기 위해서 본 연구에서는 다음과 같은 계산식을 사용하였다.

: 냉동 능력 (kW)

: 난방 능력 (kW)

: 증발기로 유입되는 열전달 유체의 질량유량 (kg/s)

: 응축기로 유입되는 열전달 유체의 질량유량 (kg/s)

: 열전달 유체의 비열 (kJ/kg℃)

: 증발기 출입구에서의 열전달 유체의 온도차 (℃)

: 응축기 출입구에서의 열전달 유체의 온도차 (℃)

냉동기의 성능계수는 다음과 같은 식으로 구하였다.

COP : 냉동기의 성능계수

Wcomp : 압축기의 소요동력 (kW)


Test condition

(℃)

(℃)

(g/s)

(g/s)

A(summer)

29 35 85 142

B(winter)

10 33 85 142

Table 3.2 Inlet temperature and mass flow rates of the secondary

heat transfer fluid

3.3� 실험 조건

냉매들의 성능을 공정하게 비교하기 위해서는 동일한 실험 조건 하에서 데이

터를 취해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 HCFC22를 대체하기 위해 선정한

HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a 혼합냉매들이 냉방조건과 난방조건에서

HCFC22를 대체하는 것이 적절한지 알아보기 위해서 기준이 되어 비교할 수 있는

HCFC22의 실험을 앞서 수행하여 결과를 얻었다. 기준이 되는 시스템의 조건은 기존

의 여름철 에어컨의 냉방 온도 조건인 7℃/45℃와 겨울철 히트펌프의 난방 온도 조

건인 -7℃/41℃이며 2가지 온도조건에서 HCFC22의 성능을 테스트 하였다.

HCFC22가 이러한 2가지 온도조건과 3.5kW의 냉난방용량을 만족할 때 이것을 비교

하고자 하는 시스템으로 결정하였고 그때의 2차 유체의 외부 온도조건을 결정하고

비교하기위해 정해놓은 혼합냉매를 HCFC22의 실험조건과 동일한 조건에 적용하여

그 성능을 비교하였다.

Table 3.2는 본 연구에서 적용된 2차 유체의 입구온도와 유량 조건을 나타낸다.

외부 유체의 입구온도와 유량을 고정하였으므로 실험 냉매들의 포화 온도는 열전달계

수 등에 따라 조금씩 다르며 이렇게 실험 데이터를 구해야 공정한 비교와 평가를 할

수 있다. 한편 본 실험에서 증발기 출구의 과열도와 응축기 출구의 과냉도를 각각

5℃로 그리고 그 편차는 ±1℃로 유지했다.


3.4� 실험 방법

실험 방법은 다음과 같다.

1) 먼저 냉매 주입구와 압축기 흡입구에 진공 펌프를 연결하여 작동시키고 게이지

의 압력이 더 이상 떨어지지 않는 것을 확인한 뒤 약 2시간가량 계속해서 작동시켜

시스템의 내부를 완전히 진공상태로 만든다.

2) 칠러와 히터를 작동시킨 상태에서 1g의 정도를 지닌 전자저울로 냉매의 양을

측정해가면서 조금씩 냉매를 주입한다. 순수 냉매의 경우에는 기체 상태로 압축기 흡

입부로 충전하고 혼합 냉매는 증기압이 다른 두 가지 이상의 냉매이므로 증발기 입

구에서 액체로 충전한다.

3) 압축기와 칠러, 히터를 작동시켜 시스템을 작동시킨다. 압축기는 저단부터 서서

히 작동시켜 무리가 없도록 하고 칠러와 히터는 외부 조건에 맞도록 온도와 질량 유

량을 조절하여 설정한다.

4) 팽창밸브를 조절하여 과열도를 5℃로 맞추고 과냉도는 부족할 경우 냉매를 추

가로 충전하여 5℃를 유지하도록 한다.

5) 조건과 부합하는 온도와 냉난방용량을 만족하게 되면 시스템을 완전히 안정적인

상태가 되도록 60분 이상 작동시켜 정상상태에서 데이터를 취한다. 이 결과는 30초

간격으로 30분 이상 데이터를 취한다.

3.5� 윤활유 선정

압축기에 들어가는 윤활유는 냉매와 혼합되어 시스템 내부에서 순환하기 때문에

대체 냉매의 성능 평가 시 올바른 윤활유를 선정하는 것은 매우 중요한 일이다. 본

연구에서는 각각의 냉매 특성에 맞추어서 HCFC22에는 미네랄 오일(Mineral oil)을

사용하였고 HFC32/HFC152a와 HFC32/HFC134a의 혼합냉매에는 HFC계 냉매와

호환성이 있는 동일 점도의 POE 오일을 사용하였다.

- 24 -

Ref.

No.

Refrigerant

(Mass fraction)

GTD

(Psat at 7℃)GWP

1 HCFC22 0 1790

2 R32/R152a(20/80) 5.9 250

3 R32/R152a(30/70) 7.1 308

4 R32/R152a(40/60) 7.7 366

5 R32/R152a(50/50) 7.6 426

Table 4.1 R32/R152a mixtures tested in this study

Ref.

No.

Refrigerant

(Mass fraction)

GTD

(Psat at 7℃)GWP

1 HCFC22 0 1790

2 R32/R134a(20/80) 5.7 1239

3 R32/R134a(30/70) 6.3 1174

4 R32/R134a(40/60) 6.1 1108

Table 4.2 R32/R134a mixtures tested in this study

4.� 결과 및 고찰

4.1� 실험 냉매 조성

본 연구에서는 먼저 기준 냉매로서 HCFC22의 성능을 측정하고 HFC32와

HFC152a, HFC134a를 각각 혼합한 네 가지 조성의 비공비 혼합냉매의 성능을 측정

하였다. 혼합냉매의 조성을 결정하기 위해 Radermache and Jung(32)

이 만든 사이

클 해석 프로그램을 이용하였으며 냉매의 물성치는 미국의 표준 연구소에서 개발한

Refprop 9.0(19)

을 이용하여 구하였다.

Table 4.1과 Table 4.2는 각각 번호에 따른 혼합냉매 조성을 나타내고 온도 구배

(GTD)와 지구온난화지수(GWP)를 보여준다. 각 냉매의 조성은 R22를 대체하기 위해


비슷한 수준의 체적 용량을 기준으로 계산된 것이며 기존의 R22에 비해 GWP가 낮

기 때문에 환경적으로 개선되었다. 특히 R32/152a는 모든 조성에서 GWP가 500이

하이기 때문에 친환경적이다. 두 혼합냉매 모두 GTD가 증가하다가 감소하는 추세를

보였으며 R32/R152a와 R32/R134a 모두 비공비 혼합냉매의 특성이 잘 나타났다.

GTD가 거의 비슷한 R32/R152a의 3번과 5번 혼합비율과 R32/R134a의 3번과 4번

혼합비율은 비슷한 경향을 보였다. R22와 각각 혼합냉매를 비교하여 실험하였으며

R32/R152a와 R32/R134a도 비교하여 살펴보았다.

Table 4.3부터 Table 4.6은 모든 실험 결과를 정리한 것이다. 대체적으로 성능계

수(COP)는 증가하고 소요 동력은 감소하는 경향이 있다. 토출 온도는 R22보다 높게

나왔으며 충전량은 감소하는 방향으로 진행되었다. R32/R134a 겨울철 실험은

R134a와 POE 오일이 증발기 내부에서는 저온으로 인해 혼화성이 많이 저감된 것으

로 보이며 R134a의 혼합비율이 증가할수록 정상상태에서 시스템이 운전 되지 않았

다.


Refrigerant COP Work(W) Tdis(℃) RPM Charge(g)

HCFC22 3.11 1187 66.9 660 1100

R32/R152a(20/80) 3.28 1114 70.8 800 805

R32/R152a(30/70) 3.37 1101 73.6 700 835

R32/R152a(40/60) 3.49 1062 75.2 610 860

R32/R152a(50/50) 3.60 1024 76.1 530 880

Table 4.3 Summary results of test condition A(Summer) for

R32/R152a mixtures


HCFC22 3.21 964 73.2 660 1250

R32/R152a(20/80) 3.40 898 80.7 840 960

R32/R152a(30/70) 3.44 900 84.3 730 995

R32/R152a(40/60) 3.49 886 86.1 640 1030

R32/R152a(50/50) 3.51 876 88.6 560 1055

Table 4.4 Summary results of test condition B(Winter) for

R32/R152a mixtures



HCFC22 3.11 1187 66.9 660 1100

R32/R134a(20/80) 3.24 1136 73.0 700 1225

R32/R134a(30/70) 3.29 1121 75.4 610 1051

R32/R134a(40/60) 3.40 1084 76.9 540 1044

Table 4.5 Summary results of test condition A(Summer) for

R32/R134a mixtures


HCFC22 3.21 964 73.2 660 1250

R32/R134a(20/80) 3.43 908 77.2 740 1300

R32/R134a(30/70) 3.31 924 80.6 650 1197

R32/R134a(40/60) 3.31 926 84.1 590 1234

Table 4.6 Summary results of test condition B(Winter) for

R32/R134a mixtures


4.2� R32/R152a� 혼합냉매의 실험결과

4.2.1� 사이클 시뮬레이션

대체 냉매를 실험적으로 연구하기 전에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 예

측하고 분석, 검토하는 것이 중요하다. 따라서 히트펌프에 적용할 수 있는 UA 모델

의 증기 압축식 사이클 모사 프로그램을(32-33)

를 이용해 실험을 수행할 냉매의 성능계

수(COP)와 토출 온도 및 소요 동력을 동일한 냉동 용량 하에서 수치적으로 예측하였

다. 사이클 성능 분석에서는 냉동 용량을 두 가지 온도 조건에서 1 냉동톤(3.5 kW)

으로 고정하고 압축기 효율을 80%로 하여 실제 실증 실험에서의 조건과 유사하게

설정하였다. 열역학 사이클 시뮬레이션은 실험을 수행하기 전에 실험 결과를 상대적

으로 예측하기 위한 작업이므로 결과에서 절대적 수치는 큰 의미가 없고 변수에 따

른 상대적 변화량과 경향성에 초점을 맞추어 분석하여야 한다.

Figures 4.1∼4.2은 사이클 모사 프로그램을 이용해 분석한 결과를 보여준다. 결

과에서 확인할 수 있듯이 Table 4.1의 조성에서 HFC32/HFC152a 혼합냉매의 성능

계수는 HFC32의 비율이 10%씩 증가할수록 HCFC22에 비해 최대 10.9%나 높은 값

을 보였다. 압축기 토출 온도 또한 HFC32의 비율이 높아질수록 증가하는 경향을 보

이며 R22에 비해 최대 10.8℃ 정도 높은 것으로 나타났다.


Figure 4.1 Simulation results of COP for

R32/R152a mixtures

Figure 4.2 Simulation results of Discharge

temperature for R32/R152a

mixtures


Figure 4.3 Experimental results of COP for

R32/R152a mixtures

4.2.2� 성능 계수

지구 온난화를 줄이기 위해서는 에너지 변환 장치들의 에너지 효율이 향상 되어야

한다. 냉동/공조기기에서 성능 계수(COP)는 특정 냉매를 주입한 장치에서의 에너지

효율의 척도이다. 따라서 무엇보다 대체 냉매를 선택할 때에는 기준 유체에 대한 여

러 냉매들의 성능 계수를 조사하는 것이 중요하다.

Fig. 8은 여름철, 겨울철 조건에서 취한 HCFC22와 HFC32/HFC152a 혼합냉매의

COP를 보여 준다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이 여름철과 겨울철 조건 모두에서

HFC32의 비율이 10%씩 증가할수록 COP는 증가하는 경향을 보이며 R22와 비교해

서 최대 15.9%까지 높은 것으로 드러났다. HFC32의 비율이 증가할수록 COP가 증

가하는 경향은 Fig. 4에 있는 열역학 사이클 모사 결과와 거의 비슷하였다. 실제 시

스템에서 이 같이 COP가 향상된 것은 에너지 보존 차원에서 대단히 의미가 있는 결

과이다.


4.2.3� 소요 동력

에너지 효율에 가장 큰 영향을 미치는 것은 압축기 소요 동력이다. Fig. 6은

HCFC22와 체적에 따라 RPM을 변화시켜가며 측정한 HFC32/HFC152a 혼합냉매의

소요 동력을 보여 준다. Fig. 6을 통해 알 수 있듯이 HFC32의 조성이 10%씩 증가

할수록 소요 동력은 R22와 비교해서 최대 13.7%나 적은 것으로 나타났다. 또한

HFC32의 비율이 증가할수록 소요 동력이 더 크게 감소하는 경향을 보였다. 이런 경

향은 HFC32의 비율이 높아질수록 비공비 혼합냉매의 온도 구배(GTD)와 열전달 유

체의 온도 구배가 잘 매칭이 되어 성능 증대 특성이 나타났기 때문으로 판단된다.

Fig. 7은 증발기에서 냉매와 열전달 유체(HTF)의 온도 분포를 보여 준다. R22의 경

우 증발기를 타고 가면서 압력 강하로 인해 온도가 떨어지다가 끝 부분에 가서 과열

이 되는 것으로 나타났다. 반면에 R32/R152a 냉매는 압력 강하에도 불구하고 온도

가 꾸준히 상승해서 외부의 열전달 유체와 평행으로 온도 매칭이 잘 되는 것을 볼

수 있다. 물론 R32의 조성이 증가할수록 온도 구배 매칭은 더 잘 되는 것을 알 수

있다. 이런 현상으로 인해 R32의 조성이 증가할수록 압축기 소요 동력이 줄어들고

궁극적으로 이것이 성능계수의 증대로 이어진 것으로 보인다.


Figure 4.5 Experimental results of Work for

R32/R152a mixtures

Figure 4.4 Temperature distribution in the

evaporator for R32/R152a mixtures

(at summer condition)


Figure 4.6 Experimental results of Discharge


mixtures

4.2.4� 압축기 토출 온도

대체냉매를 적용할 때는 시스템의 수명이나 윤활유 및 냉매의 안정성 등을 반드시

고려해야 하는데 이 경우 압축기 토출 온도는 간접적으로 이런 특성을 알려주는 지

표가 된다. Fig. 9는 혼합냉매들의 압축기 토출 온도를 보여 준다. Fig. 9를 통해

알 수 있듯이 HFC32/HFC152a 혼합냉매의 압축기 토출 온도는 R22에 비해 최대

15.4℃ 정도 높은 것으로 나타났다. 하지만 이 정도의 변화는 시스템 장기 안정성과

내구성에 큰 문제를 일으키지 않을 것으로 보인다.(34)

한편 열역학 모사 결과와 마찬

가지로 실험에서도 HFC32의 비율이 높아질수록 토출 온도가 증가하는 경향을 보였

다.


4.2.5� 냉매 충전량

본 연구에서는 각각의 실험조건에 대하여 응축기 끝부분의 과냉도와 증발기 끝부

분의 과열도가 각각 5℃로 될 때의 충전량을 적정 충전량으로 결정하였으며 Table

4는 이 값들을 보여 준다. Table 4에서 볼 수 있듯이 여름철, 겨울철 조건에서

HFC32/HFC152a 혼합냉매의 충전량은 R22와 비교하여 15.6~26.8% 정도 줄어드는

것으로 나타났다. 한편 HFC32의 비율이 커질수록 충전량은 증가했는데 이는

HFC32의 액체 밀도가 크기 때문이다.

- 35 -

4.3� R32/R134a� 혼합냉매의 실험결과

4.3.1� 사이클 시뮬레이션

대체 냉매를 실험적으로 연구하기 전에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 예

측하고 분석, 검토하는 것이 중요하다. R32/R134a 시뮬레이션 결과도 위 실험과 마

찬가지로 UA 모델의 증기 압축식 사이클 모사 프로그램을(32-33)

을 이용하였으며 실

험을 수행할 냉매의 성능계수(COP)와 토출 온도 및 소요 동력을 동일한 냉동 용량

하에서 수치적으로 예측하였다. 사이클 성능 분석에서는 냉동 용량을 두 가지 온도

조건에서 1 냉동톤(3.5 kW)으로 고정하고 압축기 효율을 80%로 하여 실제 실증 실

험에서의 조건과 유사하게 설정하였다. 열역학 사이클 시뮬레이션은 실험을 수행하기

전에 실험 결과를 상대적으로 예측하기 위한 작업이므로 결과에서 절대적 수치는 큰

의미가 없고 변수에 따른 상대적 변화량과 경향성에 초점을 맞추어 분석하여야 한다.

Figures 4.1∼4.2은 사이클 모사 프로그램을 이용해 분석한 결과를 보여준다. 결

과에서 확인할 수 있듯이 Table 4.1의 조성에서 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 성능

계수는 HFC32의 비율이 10%씩 증가할수록 HCFC22에 비해 최대 3.9%나 높은 값

을 보였다. 압축기 토출 온도 또한 HFC32의 비율이 높아질수록 증가하는 경향을 보

이며 R22에 비해 최대 -8.5℃ 정도 낮은 것으로 나타났다.


Figure 4.7 Simulation results of COP for

R32/R134a mixtures

Figure 4.8 Simulation results of Discharge

temperture for R32/R134a

mixtures


Figure 4.9 Experimental results of COP for

R32/R134a mixtures

4.3.2� 성능 계수

지구 온난화를 줄이기 위해서는 에너지 변환 장치들의 에너지 효율이 향상 되어야

한다. 냉동/공조기기에서 성능 계수(COP)는 특정 냉매를 주입한 장치에서의 에너지

효율의 척도이다. 따라서 무엇보다 대체 냉매를 선택할 때에는 기준 유체에 대한 여

러 냉매들의 성능 계수를 조사하는 것이 중요하다.

Fig. 8은 여름철, 겨울철 조건에서 취한 HCFC22와 HFC32/HFC134a 혼합냉매의

COP를 보여 준다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이 여름철 성능계수는 HFC32의 혼합비율

이 10%씩 증가할수록 최대 9.5%까지 높아지는 것과 달리 겨울철 성능계수는 오히려

낮아지는 경향이 나타나고 크기는 최대 7%까지 높다. 여름철 성능계수는 Fig. 4에

있는 열역학 사이클 모사 결과와 거의 비슷하다. 겨울철 실험 결과도 사이클 모사와

비교하였을 때 성능계수의 향상에 대한 결과는 같지만 경향성은 반대로 나타난다. 이

는 겨울철 실험의 증발기 쪽 온도 조건이 낮아 POE 오일과 HFC134a 사이에 혼화

성이 떨어져 분리가 일어난 것으로 보이며 이로 인해 겨울철 실험이 정상상태에서

안정적으로 운전이 이루어지지 않았고 정확한 실험결과를 얻는데 안 좋은 영향을 미

친 것으로 생각된다.


4.3.3� 소요 동력

에너지 효율에 가장 큰 영향을 미치는 것은 압축기 소요 동력이다. Fig. 6은

HCFC22와 체적에 따라 RPM을 변화시켜가며 측정한 HFC32/HFC134a 혼합냉매의

소요 동력을 보여 준다. Fig. 6을 통해 알 수 있듯이 HFC32의 조성이 10%씩 증가

할수록 소요 동력은 R22와 비교해서 최대 8.7%나 적은 것으로 나타났다. 또한

HFC32의 비율이 증가할수록 소요 동력이 감소하는 경향을 보였다. 이런 경향은

HFC32의 비율이 높아질수록 비공비 혼합냉매의 온도 구배(GTD)와 열전달 유체의

온도 구배가 잘 매칭이 되어 성능 증대 특성이 나타났기 때문으로 판단된다. Fig. 7

은 증발기에서 냉매와 열전달 유체(HTF)의 온도 분포를 보여 준다. R22의 경우 증

발기를 타고 가면서 압력 강하로 인해 온도가 떨어지다가 끝 부분에 가서 과열이 되

는 것으로 나타났다. 반면에 R32/R134a 냉매는 압력 강하에도 불구하고 온도가 꾸

준히 상승해서 외부의 열전달 유체와 평행으로 온도 매칭이 잘 되는 것을 볼 수 있

다. 물론 R32의 조성이 증가할수록 온도 구배 매칭은 더 잘 되는 것을 알 수 있다.

이런 현상으로 인해 R32의 조성이 증가할수록 압축기 소요 동력이 줄어들고 궁극적

으로 이것이 성능계수의 증대로 이어진 것으로 보인다.

겨울철 실험에서 역시 혼합냉매의 특성을 보이며 관내 압력 보강이 이루어졌지만

그 효과는 미미한 수준이며 온도 구배가 잘 매칭이 되지 않았다. 소요 동력은 전체적

으로 3.9~5.8% 정도 감소하였고 HFC32의 혼합비율이 증가할수록 커지는 경향을

나타내었다. 다른 혼합냉매와 달리 소요 동력 면에서 보강은 보이지 않지만 HFC32

의 높은 증기압에도 불구하고 증가율이 작은 것을 감안할 때 어느 정도 동력의 보강

은 이루어진 것으로 판단된다.


Figure 4.11 Experimental results of Work for

R32/R134a mixtures

Figure 4.10 Temperature distribution in the

evaporator for R32/R134a

mixtures (at summer condition)


Figure 4.12 Experimental results of Discharge


mixtures

4.3.4� 압축기 토출 온도

대체냉매를 적용할 때는 시스템의 수명이나 윤활유 및 냉매의 안정성 등을 반드시

고려해야 하는데 이 경우 압축기 토출 온도는 간접적으로 이런 특성을 알려주는 지

표가 된다. Fig. 9는 혼합냉매들의 압축기 토출 온도를 보여 준다. Fig. 9를 통해

알 수 있듯이 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 압축기 토출 온도는 R22에 비해 최대

10.9℃ 정도 높은 것으로 나타났다. 하지만 이 정도의 변화는 시스템 장기 안정성과

내구성에 큰 문제를 일으키지 않을 것으로 보인다.(34)

한편 열역학 모사와 비교하였

을 때 HFC32의 비율이 높아질수록 토출 온도가 증가하는 경향은 동일하지만 전체적

으로 HCFC22의 토출 온도보다 낮은 것에 비하여 높게 나타났다. 이러한 결과를 바

탕으로 HFC32/HFC134a 혼합냉매가 POE 오일과의 혼화성이 부족하여 압축 시에

불안정성이 높아져 전체적으로 토출 온도가 높은 것으로 판단된다.


4.3.5� 냉매 충전량

본 연구에서는 각각의 실험조건에 대하여 응축기 끝부분의 과냉도와 증발기 끝부

분의 과열도가 각각 5℃로 될 때의 충전량을 적정 충전량으로 결정하였으며 Table

4는 이 값들을 보여 준다. Table 4에서 볼 수 있듯이 여름철, 겨울철 조건에서

HFC32/HFC134a 혼합냉매는 HCFC22보다 낮은 액체밀도에도 불구하고 충전량이

더 많았고 HCFC32의 비율이 커질수록 충전량이 감소하면서 HCFC22와 비교하여

1.3~5.1% 정도 줄어드는 것으로 나타났다. 한편 HFC32의 비율이 커질수록 충전량

은 감소하는데 이는 HFC32의 액체밀도가 HFC134a 보다 작기 때문이다.


5.� 결론

본 연구에서는 HCFC22를 대체할 수 있는 7가지의 혼합냉매를 선정하여 그 성능

을 측정했다. 이를 위해 인버터와 연결된 개방형 왕복동식 압축기를 장착한 수냉식

벤치 테스터를 설계․제작하였다. 그리고 기준이 되는 냉매인 HCFC22의 증발기와 응

축기 내 냉매의 포화온도가 기존의 여름철 에어컨의 냉방 온도 조건인 7℃/45℃, 겨

울철 히트펌프의 난방 온도 조건인 -7℃/41℃가 되는 2차 유체의 2가지 입구온도

및 유량 조건하에서 실험냉매들의 성능을 측정하고 특성을 분석하여 다음과 같은 결

론을 얻었다.

(1) HFC32/HFC152a 혼합냉매의 소요 동력은 HCFC22와 비교하여 최대 13.7%의

감소를 보였고 HFC32의 비율이 높아지면서 열전달 유체와의 온도구배 매칭이 잘 이

루어지면서 소요 동력이 더욱 감소하였다. HFC32/HFC134a 혼합냉매의 소요 동력

은 HCFC22와 비교하여 최대 8.7%의 감소를 보였고 여름철은 온도구배 매칭이 잘

이루어졌으나 겨울철은 증발기 쪽에 생기는 저온의 영향으로 인해 혼화성이 더 떨어

지게 되어 매칭이 잘 이루어지지 않은 것으로 판단된다.

(2) R32의 조성을 10%씩 변화시키면서 측정한 HFC32/HFC152a 혼합냉매의 성능

계수는 HCFC22와 비교해 최대 15.8%의 향상을 보였으며 HFC32/HFC134a 혼합냉

매 성능계수도 최대 9.4% 증가하였다. 따라서 HFC32/HFC152a와 HFC32/

HFC134a 혼합냉매는 에너지 효율 측면에서 HCFC22에 비해 뛰어난 것으로 나타났

다.

(3) HFC32/HFC152a 혼합냉매의 압축기 토출 온도는 HCFC22와 비교하여 최대

15.4℃ 높았고 HFC32/HFC134a 혼합냉매의 토출 온도도 최대 10.9℃ 높은 것으로

나타났다.

(4) HFC32/HFC152a 혼합냉매의 냉매 충전량은 R22와 비교하여 15.6～26.8%

정도 줄어들었고 액체밀도가 큰 HFC32의 비율이 커질수록 증가하였다. HFC32/

HFC134a는 HCFC22와 크게 차이가 없었고 HFC134a에 비해 액체밀도가 작은

HFC32의 비율이 커질수록 충전량이 감소하였다.

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