열교환기 최적 설계를 통한 친환경 냉동탑차용 냉동시스템의 성능향상 연구

초록

본 연구에서는 냉동탑차 냉동사이클의 여러 운전조건에서의 성능을 해석할 수 있는 해석모델을 개발하였다. 냉동사이클의 효율 개선을 위해 열교환기 최적화를 하였고, 여러 운전조건에서 기존과 최적화된 사이클의 성능을 비교하였다. 또한, R404A의 대체냉매인 R455A를 drop-in하여 성능 특성 분석을 하였다. 본 연구를 통하여 얻은 주요 결론은 다음과 같다. (1) 열교환기 최적화를 위한 증발기 핀 형상은 wavy 핀이 열전달 상승률 대비 압력강하 증가 폭이 낮았다. 시뮬레이션에 적용된 증발기 핀 피치 및 튜브 관경은 열전달률과 압력강하를 고려하여 각각 3.5 mm와 7.52 mm로 선정하였다. 응축기의 핀 피치 및 높이가 각각 1.2 mm와 6 mm일 때 최고의 성능을 보였다. 하지만 핀 높이는 열전달률 상승에 큰 영향을 주지 않았다. (2) 최적화된 냉동시스템의 COP는 압축기 회전수가 증가함에 따라 증가하였고, 기존 냉동사이클의 COP 대비 평균 12.5% 높았다. 또한, 외기온도가 증가할수록 COP는 4% 감소하였다. (3) 기존 냉동시스템에 대체냉매인 R455A를 drop-in 하여 해석한 결과, R455A 적용된 시스템의 증발열량 및 소비전력은 기존 R404A 시스템의 증발열량 및 소비전력 대비 각각 16.9%, 17% 증가하여 COP 상승은 없었다. 하지만, 동일 열량 조건에서 R455A 적용 시스템의 COP는 R404A 적용 시스템 대비 약 8.7% 증가하였다. (4) 본 연구에서 제안한 열교환기 최적점은 냉동탑차 설계시 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 온실감축 및 탄소배출 감축에 기여할 것으로 기대된다.

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