베이퍼 인젝션이 저온 냉동 사이클에 미치는 영향 실험적 비교

이용주 부산대학교 대학원 2020 국내석사

최근 냉장냉동 업계에서도 에너지 효율에 대한 관심 및 규제로 고효율화에 대한 시장요구가 증대하고 있다. 이에 따라 저온 냉동 사이클의 효율성을 높이기 위해 Vapor Injection 기능을 냉동 사이클에 적용하여 시험하였다. 이 논문은 저온 사이클의 효율 향상을 위해 Vapor Injection을 활용하는 데 중점을 두고 연구를 진행하였다. 보다 구체적으로, COP에 대한 Vapor Injection의 효과를 비교하기 위해 압축기 수량 변호 및 Vapor Injection에 대한 실험을 진행하였다. 또한, 최근 추가로 요구되고 있는 외기 온도 상승에 따른 효율과 능력 의 상관 관계 또한 확인하였다.

에어컨 실사용 조건에서 실내기 팬 제어를 통한 에너지 효율 향상에 대한 연구

박태병 부산대학교 2022 국내박사

지구 온난화에 따른 기온 상승과 개인 생활 주거 공간의 수준 향상은 쾌적 환경에 대한 요구 증가로 나타났으며, 온열 쾌적함을 지속하기 위한 에어컨 수요는 증가하고 있다. 공기조화에 따른 온열 쾌적함은 온도, 습도, 기류, 청정도 4대 구성 요소로 나타낼 수 있으며, 적은 에너지 소비로 성능을 극대화 할 수 있는 고효율 에어컨 개발의 필요성은 끊임없이 대두되고 있다. 이에 따라 공간의 쾌적성은 지속하고 에너지 효율은 최대로 높일 수 있는 가변속 인버터 에어컨이 개발 되었으며, 열부하에 따라 냉방 성능을 제어하여 에너지 손실을 방지하고 있다. 현재 에어컨에 적용되어 있는 제어 기술을 정리해 보면 다음과 같이 요약 할 수 있으며, 1) 공간 목표 온도 도달 제어 2) 공간 목표 온도와 현재 공간 온도의 차이 제어 본 연구에서는 목표 증발 압력 제어와 실내 팬 속도 제어의 최적화로 에너지 고효율 냉방 사이클 시스템을 고찰하였으며 이를 통해 압축기 제어의 과도한 변화 없이 공간 온도의 쾌적함을 확보하였다. 선행기술의 에어컨 제어는 실내기 팬 속도 조건에 상관없이 증발 온도가 일정하게 유지되는 것이지만, 이러한 제어 방법은 실내 열 부하보다 에어컨의 냉방 능력이 과도한 경우가 있었다. 에어컨의 용량이 냉방부하보다 크게 되면 실내 온도가 목표 온도 이하로 낮아지고 온도 변동도 크게 발생되고 동시에 에너지 효율도 감소된다. 본 연구에서는 선행제어 기술인 고정압력제어 기술과 냉방부하 판단 제어에 대해서 실험을 진행하였으며, 환경 온도 조건은 24℃, 27℃, 30℃, 33℃, 35℃로 선정하였다. 이에 실험 결과는 5가지 환경조건 전체에서 냉방부하 판단제어를 적용한 에어컨의 에너지 효율이 매우 높다는 것을 확인하였다. 하지만, 앞에서 언급되었듯이 에너지 고효율에 대한 요구 및 실내 룸 온도 변동성 최소화에 대한 고객의 요구가 높아지고 있는 상태이며 선행연구결과는 압축기제어, 팽창밸브제어, 실외 팬 제어에 대한 연구로만 진행이 되었다. 본 연구에서는 에너지 효율을 더욱 향상시키고 또한 실내 룸 온도의 변동성을 최소화하는 연구를 위해 냉방 부하를 판단하여 실내기 팬 제어를 적용하여 연구를 하였다. 냉방부하판단 팬 제어 기술은 실내 부하에 따라 압축기의 운전 주파수를 변경하고, 동시에 실내기의 팬 풍량을 변화시키는 것이다. 시스템은 목표온도 및 실온에서 필요한 용량을 예측하기 위해 가변 온도 조절을 적용한다. 동시에, 필요한 용량으로부터 최적의 냉매 온도가 되도록 압축기 제어를 수행한다. 이에 따라, 실내 룸의 부하가 낮아지게 되면 압축기의 운전 주파수가 감소하게 되고 동시에 실내 팬 풍량이 감소하게 됨으로서 목표온도와 실온의 오차가 더욱 정밀하게 제어되어 에너지 효율이 향상하게 된다. 반대로 냉방부하가 증가하면 목표온도 와 실온의 오차가 증가하여 압축기의 운전 주파수가 상승하게 되고 실내기 팬 풍량도 증가하게 되어 실내 룸 온도의 변동성이 커지게 된다. 본 연구의 최종 목표는 현재 냉방부하판단제어 시스템을 실내기 팬 제어를 연동하는 제어알고리즘을 추가하여 에너지 소비 효율을 개선하고 실내 룸 공간에 대한 온도의 변동성을 최소화하는 시스템을 개발하는 것이다. 본 연구에서 진행한 실험의 환경온도는 24°C, 27°C, 30°C, 33°C, 35°C의 다섯 가지 조건에서 모두 실험을 진행되었다. 그리고 실험이 진행된 사이클 제어 로직은 1) 고정압력제어 2) 냉방부하판단제어 3) 냉방부하판단 팬 연동제어 기술을 적용하여 실시하였다. 실험결과는 냉방부하판단 팬 연동제가 환경온도 조건에 따라 에너지 효율에 대한 차이가 발생한 것으로 확인하였다. 데이타 분석결과 실내 룸의 온도가 목표온도에 근접하게 되면 목표온도 오차가 감소하면서 압축기의 운전 주파수가 낮아지는 현상이 발생되고 동시에 실내기 팬 풍량도 감소하게 된다. 그에 따라, 실내 룸 온도가 순간적으로 미세하게 상승하게 되어 냉방부하가 상승되고 목표온도 오차가 상승되어 압축기는 냉방성능을 상승시키기 위해서 운전 주파수가 다시 상승하는 현상이 발생되었다. 그에 따른 결과로 압축기가 운전 주파수가 빈번하게 상승과 하락을 반복하는 현상으로 나타나고, 이로 인하여 에너지 효율이 감소하는 현상을 발견하였다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 압축기 운전 주파수가 변경되면 실내기 팬 제어는 동시에 진행되지 않고 시간적인 차이 두고 제어가 되도록 로직을 변경하였다. 즉, 시스템의 냉방성능이 목표 냉방성능과 동일하게 안정되는 시간을 반영하였다. 본 연구는 실내기 팬 풍량 변경시점을 30초~ 90초 정도 지연시킴으로써 순간적인 풍량 변화에 의한 목표온도 오차가 상승하지 않도록 제어를 실시하였다. 추가로 실시한 실험의 제어 로직은 1) 냉방부하판단 팬 30초 지연제어 2) 냉방부하판단 팬 90초 지연제어를 적용하여 진행 하였다. 그 결과 환경 온도 24°C, 27°C, 30°C, 33°C, 35°C 에서 실내 룸의 온도가 목표온도에 근접하여 압축기의 운전 주파수가 감소하더라도 실내기 팬 풍량 감소에 의한 압축기 운전 주파수가 상승하는 현상이 발생하지 않는 것으로 확인하였다. 그리고 냉방부하판단제어에 실내기 팬을 30초 지연하여 제어하는 조건이 다른 제어 로직보다 가장 높은 에너지 효율을 나타내는 것을 실험결과로 확인하였다. 따라서, 이러한 냉방부하판단 팬 지연제어의 실험결과는 실내기 팬의 속도가 변동되더라도 압축기 운전 주파수는 실내기 팬 속도 변동에 의해 상승되지 않는다. 그리고 실내기 팬 지연제어 로직은 실내 룸 온도의 변동성을 최소화하여 목표온도에 도달하는 결과가 확인되었고 에너지 효율이 더욱 향상되었다. 본 연구에서 30초 지연제어 로직이 에너지 효율에서 가장 효과가 높게 나타난 사유를 아래와 같이 설명할 수 있다. 에어컨 시스템의 동적특성은 과열도, 증발 및 응축압력변동, 압축기 주파수, 팽창밸브 개도, 실내기 팬 풍량과 같은 제어입력의 특성에 따라 결정된다. 이 중에서도 증발열교환기의 과열도가 동적특성의 기본이 된다. 증발열교환기의 실내기 팬 풍량 변화는 증발열교환기의 총합열전달계수, Ue에 영향을 미치고 증발열교환기의 과열도 변화에 결정적인 영향을 준다. 증발열교환기의 과열도 변화와 팽창밸브의 개도변화와의 사이에는 열교환기의 열용량과 냉매측 및 공기측의 열전달특성에 의해 시간지연이 발생하게 된다. 이러한 시간 지연이 30초와 90초의 제어주기 중에 30초에 더욱 가깝기 때문에 90초보다는 30초의 제어주기경우가 소비전력 소비량이 적어 에너지 효율이 높은 효과를 가져온다. 하지만, 30초가 최적의 제어주기라는 것은 현 data로는 판단이 불가하다. 최적의 제어주기를 찿기 위해서는 더욱 더 세분화된 시간으로 제어주기에 대한 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다.

냉동, 냉장, 공조 복합시스템의 폐열 회수 성능 분석에 대한 연구

황준현 부산대학교 2016 국내박사

Cold chain business has an important function of keeping the freshness of food and goods. There are many equipments and control devices in the cold chain retail shop such as super supermarket(SSM). It’s needed to optimize new platform for freeze outdoor unit(ODU). With multi compression through two compressors, it’s possible to stand in the high pressure ratio in the refrigeration condition. Also, we can control discharge temperature of compressor with a liquid injection function. For heat exchanger as condenser, we can adopt new fin type, wide louver, improving convective heat transfer rate by 68% compared current constant system. Heat recovery heat exchanger is designed as 60% of efficiency. Freeze ODU has a performance of 5.0kW at evaporating temperature –40℃, and COP 1.02. Refrigeration ODU has a performance of 28kW at evaporating temperature –10℃, and COP 2.33. The complex system composed of freeze, refrigeration and air conditioning has an advantage of energy savings due to heat recovery system. This is due to higher evaporating temperature of air conditioner in the heating mode from heat recovery with freeze and refrigeration ODU. Compared current constant system, total energy savings 25.6% which is divided with 20% by inverter effect and 5.6% by heat recovery effect in the standard condition. This present study has conducted for verifying energy saving effect through testing in the standard site. We can confirm annual energy saving by 17%, plus 5% except machinery cooling, totally by 22%. Also, we can check the operating condition of compressor in the freeze ODU. The running ratio of higher step compressor is 64% in the summer season. Additionally, we can learn the need of longer pipe installation in the complex system. Therefore, we’re checking reliability in short time focusing on operating compressor condition. Freeze ODU is experimented under expanding operating range such as evaporating temperature, condensing temperature and pressure ratio. Considering compressor reliability, we check oil level condition in the compression process in the steady state and transient state such as on/off running mode. This present study can make a result of economic competitiveness of complex system by 2.2 years in payback. It’s necessary to confirm the longer piping installation as a field test. Then, we can suggest this complex system for the SSM cold chain business as a best solution in energy savings.

냉동 사이클의 동적 특성 모델링과 슬라이딩 관측기 기반 슬라이딩 모드제어

김낙훈 부산대학교 대학원 2017 국내박사

In this dissertation, a lumped parameter model of an air conditioning system for the control object is developed. Because thermal-uid systems have great complexity and dependency of environment, it is not easy to predict their physical behaviors and to design appropriate controllers. Several assumptions are made to simplify the governing partial dierential equations such as mass and energy conservation. Also, a time invariant mean void fraction and a moving boundary concept in the heat exchangers are employed to convert partial dierential equations to the set of ordinary dierential equations so as to extract state space representations. Simulations and experiments are conducted to show the validity of the proposed model. Based on this mathematical model, a robust controller and observer are designed by applying sliding mode theory. In the design of controller, a sliding observer is designed to estimate the unmeasurable state variables. Also, a new type discontinuous controller to reduce the eect of chattering and to improve the response time of the given system is introduced and computer simulation is conducted in order to demonstrate the eciency, chattering reduction, and robustness of the proposed control methodology for the given vapor compression cycle system.

실내공기 습도를 이용한 에어컨 제어로 에너지효율 및 실내쾌적성 향상

임대규 부산대학교 대학원 2019 국내박사

지구 온난화는 경제 발전과 인구 증가로 인한 화석연료 사용량의 증가로 악화되고 있다. 경제 발전과 인구 증가는 지구 온난화를 억제하기 위해 화석연료 사용량을 줄여야 함에도 불구하고 계속 진행될 것으로 예상된다. 그러므로 에너지 소비량이 화석연료 사용량을 줄이기 위한 에너지 효율 향상 정책에 의해 감소되어야 된다. 에너지 효율 향상 정책은 전세계 국가들의 분야별 규제 의무 비율 배분과 중장기 목표 설정에 의해 강화되고 있다. 하지만 에어컨 사용량은 경제 발전과 인구 증가로 인한 도시 열섬 현상에 의해 증가되는 악순환이 반복되고 있다. 결국 에너지 소비량을 줄이는 방법은 에어컨 시스템 측면의 효율 향상과 에너지 사용 시간을 줄이는 기술 개발로 이루어진다. 본 논문에서는 실내 쾌적성 및 효율 향상을 위한 습도센서 기반의 에어컨 제어를 통해 에너지 사용 시간을 줄이는 연구 내용에 대해 기술한다. 현대 사회에서 에어컨 시스템은 가정, 회사, 학교 및 작업장과 같이 사람들이 모이는 경향이 있는 장소에서 널리 사용된다. 공조 시스템의 에너지 효율은 건구 온도와 상대 습도를 측정하고 제어하여 실내 쾌적성을 높여서 향상되어야 한다. 이를 위해 에어컨에 사용될 상대 습도센서는 선행연구를 통한 여름철 쾌적 영역이 정의된 후에 결정되었다. 증발기 출구 압력 판독 (evaporation pressure control technique based on evaporator outlet pressure reading (EPCP)) 방법은 현재의 에어컨 제어로써 실내 쾌적성이 만족되는지 분석되었다. 증발기 출구 압력 판독 (EPCP) 방법은 증발 압력을 제어하기 위해 건구 온도만 이용되기 때문에 실내 쾌적성이 만족되지 못하였다. 그래서 증발기 압력과 상대 습도 판독 (Evaporation pressure control based on the evaporator pressure and the relative humidity reading (EPCR)) 방법이 건구 온도와 상대 습도를 기반으로 한 증발 압력 제어로 개발되었다. 증발압력은 건구 온도 및 공기의 상대 습도로 제어하는 EPCR 방법에 의해 변경된다. 압축기 주파수는 변경 된 증발압력에 의해 변경된다. 기존의 EPCP 방법과 새로 제안 된 EPCR 방법은 동일한 공기 조절 장치의 성능을 비교 실험으로 측정되었다. EPCP와 EPCR의 성능은 정확한 시험을 위해 천정형 에어컨과 바닥형 에어컨으로 모두 측정되었다. 결과는 새로운 EPCR 방법이 실내 공기의 쾌적성과 에너지 효율을 향상 시킨다는 것을 보여준다.

가정용 냉장고 내 성에 성장 억제를 위한 배수 시스템 개발

강성희 부산대학교 대학원 2024 국내박사

전열관내 냉매 분배에 따른 건식 Shell&Tube 증발기의 성능특성 실험 평가

박상언 부산대학교 대학원 2019 국내석사

최근 에너지 사용규제 및 제재에 관한 국제적인 관심이 날로 커지고 있다. 이에 대한 원인은 화석 에너지 고갈에 따른 원자재 상승 및 지구온난화와 같은 이상기후 현상과 이산화탄소 방출을 대응하기 위한 국가주도의 온실효과 대책과 에너지 절감에 대한 정책의 수위가 높아지는 결과를 야기하고 있다. 이러한 문제를 해결하고자, 에너지 소비량이 높은 플랜트, 공정 설비, 대형 냉난방 공조 시스템과 같은 공정 냉각용 및 공조용 냉동기에는 효율이 높은 판형 열교환기를 많이 적용하고 있으나, Fouling 혹은 사용 부주의에 의한 동파 발생 빈도가 잦아 건식 Shell&Tube 증발기를 선호 하고 있다. 본 연구에서는 Shell&Tube 증발기 냉매 분배 개선을 위하여 막음판 사용 유무와 크기에 따른 냉매 유동패턴을 CFD(Computational fluid dynamics; 전산유체역학) 해석을 통해 분석하고, 막음판을 추가한 Shell&Tube 증발기를 냉동기에 적용하여 시스템 실험을 실시했다. 그 결과 막음판 유무에 따라서 냉동기 시스템의 성능과 효율이 개선되는 것을 확인하였다. 이 연구는 건식 Shell&Tube 증발기 헤더에 최적화된 막음판을 적용한 냉동기 시스템 설계를 이끌 것으로 기대한다. Recent international interest in regulations on energy use and sanctions is increasing day by day. The reason for this is that the rise of raw materials accompanying the depletion of fossil energy and the result of high level of national-led greenhouse effect measures and energy conservation policy to cope with abnormal weather phenomena such as global warming and carbon dioxide emissions. In order to solve these problems, plate heat exchangers with high efficiency are applied to process cooling and air conditioning refrigeration systems such as plants with high energy consumption, process facilities, and large air-conditioning and air-conditioning systems, but the frequency of occurrence of freezing due to fouling or carelessness It is often preferred to use a dry type Shell&Tube evaporator. In this study, to improve the distribution of refrigerant in Shell & Tube Evaporator, the flow pattern of refrigerant is analyzed by CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis according to the presence or absence of use of the perforate plate, and the disturbance version is added We have applied the system to the chiller of the Shell & Tube evaporator. As a result, it was confirmed that the performance and efficiency of the refrigerant system were improved depending on the presence or absence of the perforate plate. In this research, we expect to lead to the design of a system that applied the perforate plate version optimized for the dry Shell & Tube evaporator header.

배기식 전기건조기의 에너지 효율을 높이기 위한 Air Dry 필요성

장인호 부산대학교 대학원 2020 국내석사

류건조기 시장이 커짐에 따라 에너지 효율에 관한 관심도도 높아지고 있다. 높은 에너지 효율을 가진 제품들은 에너지 스타 마크를 달고 출시하여 많은 고객이 에너지 효율에 관심이 있다. 본 연구는 의류건조기가 북미 시장에서 적은 에너지를 이용하여 옷감을 말리는데 높은 열량을 사용하지 않고도 건조가 될 수 있다는 점을 실험적으로 확인하여 에너지 효율을 높일 수 있다는 것을 논문의 주제로 연구하였다.

양문형 냉장고의 냉동실 토출구 형상 변화가 에너지 효율 등급에 미치는 영향

정희록 부산대학교 2010 국내석사

냉동사이클 운전로직 변경에 따른 냉장실 정온도 개선연구

한탁원 부산대학교 대학원 2019 국내석사

식품을 보관하는 냉장고의 주요 본질 속성으로써 사용자들은 식품의 신선한 보관과 합리적인 에너지 소비를 중요한 요소라고 인식하고 있다. 냉장중에 일어나는 식품의 품질변화에 영향을 미치는 인자는 주로 저장시간과 온도인데 냉장온도가 높을 경우뿐만 아니라 온도변화가 심할 경우에도 품질변화가 일어난다. 따라서 식품의 최적 보관 온도를 맞추고, 온도의 편차를 줄여 정온화를 기한다면 품질 유지 기간을 연장할 수 있다. 본 연구에서는 냉장고의 냉동사이클 운전로직을 변경함에 따른 냉장실의 정온도 성능을 에너지는 기존의 운전로직 대비하여 동등 이하 수준을 유지하면서 개선할 수 있는 방법을 연구하였다. As a key attribute of refrigerators that store food, users recognize that fresh storage of food and rational energy consumption are important factors. The factors affecting the quality change of food during refrigeration are mainly storage time and temperature. The food quality changes occur not only when the refrigeration temperature is high but also when the temperature fluctuation is severe. Therefore, it is possible to extend the quality maintenance period by adjusting the optimum storage temperature of the food and decreasing the temperature fluctuation to maintain the constant temperature. In this study, the influence of the change of refrigeration cycle operation algorithm on the improvement of the constant temperature performance of fridge has been studied. The power consumption of the refrigerator was considered to be below the level of existing algorithm.