R744와 R290 혼합 냉매 적용 히트펌프 시스템 설계
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친환경 냉매 특성 연구 및 히트펌프 설계
Study of the Characteristics of Eco-friendly Refrigerants and Heat Pump Design
◇연구배경
전 세계적으로 기후 변화 대응과 환경 보호를 위한 정책이 강화됨에 따라 냉매 산업에서도 친환경적인 대체 냉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 2016년 키갈리 개정서가 채택된 이후, 기존 HFC 계열 냉매의 사용이 점진적으로 규제되면서 자연 냉매의 활용이 대안으로 부각되고 있다. 자연 냉매는 기존 합성 냉매 대비 온실가스 지수(GWP)가 낮고, 환경에 미치는 영향이 적은 장점이 있다.
이러한 자연 냉매 중 하나인 **R744(이산화탄소, CO₂)**는 난방 성능이 뛰어나고 GWP가 1로 매우 낮아 친환경적인 대체 냉매로 주목받고 있다. 연구에 따르면, 외기 온도가 -5℃ 및 -10℃일 때 R744는 기존의 R134a 냉매보다 각각 32.69%, 45.93% 더 높은 난방 성능을 보인다. 그러나 R744는 낮은 임계 온도와 높은 작동 압력으로 인해 기존 히트펌프 시스템과의 호환성이 낮다는 단점이 존재한다.
한편, **R290(프로판)**은 저온 환경에서 우수한 난방 성능과 높은 에너지 효율(COP)을 제공하는 냉매로 평가된다. 연구 결과에 따르면, -10℃ 이상의 환경에서 R290은 기존 냉매보다 성능이 뛰어나며, 전기차 히트펌프 시스템에서 활용 가능성이 크다. 그러나 R290은 인화성이 높은 냉매로, 안전성을 고려하여 충진량을 최소화해야 하는 문제가 있다.
이러한 단점을 보완하고 각각의 냉매 특성을 최적화하기 위해 R744와 R290을 혼합하여 사용하는 방법이 연구되고 있다. 두 냉매를 혼합하면 R744의 높은 작동 압력을 낮추고, R290의 인화성 문제를 완화할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 혼합비율과 충진량이 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 R744/R290 혼합냉매의 비율 및 충진량에 따른 성능 특성을 분석하여, 차량용 히트펌프 시스템에 최적화된 혼합비율을 도출하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 차량용 히트펌프 시스템에서 R744/R290 혼합냉매를 적용하여 난방 및 냉방 성능을 분석하였다. 이를 위해 다양한 냉매 혼합비율 및 충진량을 설정하고, 이에 따른 시스템 성능 변화를 시뮬레이션을 통해 평가하였다.
2.1. 히트펌프 시스템 개요
본 연구에서 사용된 차량용 히트펌프 시스템은 직접팽창(Direct Expansion, DX) 사이클을 적용한 구조를 따른다. 해당 시스템은 실외기(응축기), 실내기(증발기), 압축기, 팽창밸브 등의 주요 부품으로 구성되며, 시스템 내의 열역학적 계산은 주요 구성 요소를 기준으로 수행되었다.
2.2. 냉매 혼합비율 및 실험 조건
본 연구에서는 R744와 R290의 혼합비율을 1:9에서 9:1까지 변화시키며 성능을 비교하였다. 또한 외기 온도 변화에 따른 성능 평가를 위해 난방 모드에서는 -15℃, -10℃, -5℃, 0℃에서 실험을 진행하였으며, 냉방 모드에서는 30℃, 35℃, 40℃에서 성능을 분석하였다. 냉매의 질량 유량은 실험 동안 일정하게 0.2 m³/sec로 설정하여 실험의 일관성을 유지하였다.
2.3. 성능 분석 방법
히트펌프 시스템의 성능을 평가하기 위해 다음과 같은 계산 방법을 활용하였다.
압축기 성능 평가: ARI 10-coefficient 방식의 압축기 맵을 사용하여 냉매 혼합비율 및 운전 조건 변화에 따른 압축기 성능을 예측하였다.
열교환기 성능 분석: NTU-효율(ε-NTU) 방식을 적용하여 열교환기의 열 전달 성능을 평가하였다. 이를 통해 증발기 및 응축기에서의 성능 변화를 분석하였다.
냉매 충진량 계산: 냉매 충진량은 Zibi의 공극률(Void Fraction) 모델을 사용하여 계산하였으며, 혼합냉매의 특성을 고려한 보정 인자를 추가하여 보다 정확한 충진량을 도출하였다.
◇연구결과
본 연구에서는 다양한 R744/R290 혼합비율 및 충진량에 따른 히트펌프 시스템의 난방 및 냉방 성능을 비교하였다. 실험 결과, 냉매의 혼합비율이 변함에 따라 히트펌프 시스템의 성능에도 큰 차이가 발생하였다. R744의 비율이 증가할수록 난방 성능이 향상되는 경향을 보였으며, 특히 -10℃ 이하의 저온 환경에서 높은 난방 효율을 나타냈다. R290의 비율이 증가할수록 냉방 성능이 개선되는 것으로 나타났으며, 35~40℃의 고온 환경에서 높은 에너지 효율을 기록하였다. 냉매 충진량 역시 혼합비율에 따라 차이를 보였으며, 최적의 성능을 유지하기 위한 충진량 설정이 중요함을 확인하였다. R744의 비율이 높을 경우 충진량이 증가하는 경향을 보였으나, 너무 높은 충진량은 시스템 내 과부하를 유발할 가능성이 있었다.
결과적으로, 차량용 히트펌프 시스템에 적합한 최적의 냉매 혼합비율은 R744와 R290이 적절하게 조합된 특정 비율에서 성능이 극대화됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 각기 다른 온도 조건에서 최적의 혼합비율을 설정하는 것이 차량용 히트펌프 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 중요한 요소임을 입증하였다.
본 연구에서는 R744와 R290을 혼합한 냉매를 차량용 히트펌프 시스템에 적용하여, 다양한 온도 조건에서 성능을 비교 분석하였다. 연구 결과, 냉매의 혼합비율이 히트펌프의 성능에 크게 영향을 미치며, 특정 비율에서 최적의 성능을 나타낸다는 점을 확인하였다. 또한, 냉매 충진량의 변화도 성능에 중요한 영향을 미치므로, 이를 고려한 최적 설계가 필요함을 시사하였다.
향후 연구에서는 실제 차량 환경에서 실험을 진행하여 보다 정밀한 성능 평가 및 안전성을 검토할 필요가 있다. 본 연구의 결과는 차량용 히트펌프 시스템의 에너지 효율 향상과 친환경 냉매 적용 확대에 기여할 것으로 기대된다.
