이상익
2000-06-28 19:07:51
2
62
다음의 상태량을 만족하는 에어컨을 설계할려고 합니다.
1. 냉동열량 : 1800kcal/h
2. 사용냉매 : R=22
3. 외기온도(건물밖의 온도) : 35도
4. 내기온도(건물안의 온도) : 27도
5. 건물밖의 응축기에서의 열교환기는 compact heat exchanger를
사용하고 송풍기를 이용할 생각입니다.
6. 요구되는 실내측의 온도조건은 20-25도 입니다.
7. 열교환기의 크기는
증발기 : 325*200 (mm)
응축기 : 325*300 (mm)
정도입니다.
결국 응축기, 증발기의 형태와 성능 송풍기의 성능(송풍량)의
문제라고 생각이 됩니다.
열역학과 열전달과목을 수강하여 어느 정도의 지식은 있으나
어떻게 접근해 나가야 하는지 잘 모르겠습니다. 사용되는 장치는
모두 시중에 나와있는것을 조합할 생각입니다. 조사해야 하는
항목과 문제해결의 방향을 제시해주시면 한번 설계해 볼 계획입니다.
감사합니다.
1. 냉동열량 : 1800kcal/h
2. 사용냉매 : R=22
3. 외기온도(건물밖의 온도) : 35도
4. 내기온도(건물안의 온도) : 27도
5. 건물밖의 응축기에서의 열교환기는 compact heat exchanger를
사용하고 송풍기를 이용할 생각입니다.
6. 요구되는 실내측의 온도조건은 20-25도 입니다.
7. 열교환기의 크기는
증발기 : 325*200 (mm)
응축기 : 325*300 (mm)
정도입니다.
결국 응축기, 증발기의 형태와 성능 송풍기의 성능(송풍량)의
문제라고 생각이 됩니다.
열역학과 열전달과목을 수강하여 어느 정도의 지식은 있으나
어떻게 접근해 나가야 하는지 잘 모르겠습니다. 사용되는 장치는
모두 시중에 나와있는것을 조합할 생각입니다. 조사해야 하는
항목과 문제해결의 방향을 제시해주시면 한번 설계해 볼 계획입니다.
감사합니다.
어려운 질문입니다.
어렵다기 보다 불가능합니다.
첫째로 설계를 하시려면 시중에서 구입하는 단품들의 설계 Data가 있어야 하는데,
삼성이나 LG 등 대표적인 에어컨 메이커도 자체의 똘똘한 설계 Data가 부족한 형편인데
시중 제품의 자료가 있을리 만무합니다.
예를 들면,
열교환기만 하더라도 최소한 아래 자료들이 필요합니다.
1. 냉매측의 열전달계수,
2. 냉매관과 핀과의 접촉열저항,
3. 공기측 열전달계수,
4. 냉매측 압력강하,
5. 공기측 압력강하
위의 자료를 냉매량에 대해서, 공기측 풍량에 따라서, 열교환량, 작동온도에 따라서
모두 알고 있어야 하니 얼마나 어렵겠습니까? 그것도 냉매측은 단순한
물도 아니고 포화상태의 이상유동이고, 공기측도 증발기는 응축수가 발생합니다.
한마디로 장난이 아니지요.
그러므로 현실적으로는 축적된 "경험"에 의해 사양이 결정되고 있습니다.
즉 처음부터 무에서 유로 설계가 되는 것이 아니라,
기존에 기본적인 에어컨 모델에서 minor change에 의한 설계변경이 이루어 집니다.
물론 부분적으로는 산술적인 설계가 가능합니다.
또한 그런 실험자료의 축적과 관계식 도출에 의해 에어컨 시뮬레이션도
대기업에서는 설계에 이용하고 있습니다.
--------------------------------------------------
1. 일단 목표상태를 정하는 것이 좋습니다.
에어컨이라면 일단 시중의 에어컨을 기준하여 부품도 동종의 것으로
사용한다고 가정하여 설명드리겠습니다.
- 증발기 중간지점 냉매온도=8.5도 내외
- 증발기 중간지점 냉매압력=약 5.5기압(게이지압)
- 응축기 중간지점 냉매온도=48도 내외
- 응축기 중간지점 냉매압력=약 18기압(게이지압)
- 압축기 입구 냉매 과열도 = 약 5도
- 압축기 출구 냉매 온도 = 약 90도
- 모세관 입구 과열도 = 약 5도
- 증발기 입구 공기온도 = 27도, 상대습도 50%
- 증발기 출구 공기온도 = 약 12도
- 증발기측 풍량 = 약 6 m^3/min
- 응축기 입구 공기온도 = 35도
- 응축기 출구 공기온도 = 약 45~48도
- 응축기 출구 풍량 = 약 15 m^3/min
- 송풍기
실내측은 일반적으로 횡류형(Cross-Flow형)을 사용하나
시중구입이 어려우므로, 실내/실외 공히 축류형(Axial-Flow형)
- 열교환기
핀-관형
핀: 알루미늄 박막(두께 약 0.12~0.15mm)
관: 외경 7~9.52mm, 두께 0.5mm이하의 동관
- 압축기
로터리형 압축기 (어큐물레이터가 입구에 부착되어 있음)
2. 필요냉매유량 계산
- 계산식 = 냉방능력 / 증발기에서의 증발잠열
- 증발기 입구에서의 시작 건도가 약 0.2~0.25 라는 것을 감안하면
증발기의 증발잠열(즉 Hfg)이 구해집니다.
- 계산하면 약 45~50 kg/h 정도가 될 것입니다.
3. 필요한 압축기 선정.
- 압축기는 자동차 엔진처럼 배기량이 있습니다.
- 즉 이 운전조건에서 압축기가 기상냉매로 40~50 kg/h 를 배출할 수 있을
정도의 용량(배기량)을 가져야 합니다.
- 보통 시중품은 크게 고민할 필요없이 그냥 냉동능력을 말하면
그에 맞는 모델이 구비되어 있습니다.
4. 필요 모세관 선정
- 모세관은 모세관 입구압력(위의 18기압), 출구압력(위의 5.5기압), 과냉도(5도),
냉매유량(50 kg/h)에 따라서 관련 책자(ASHRAE Handbook 등)의 모세관 선도로
부터 내경과 길이를 선정합니다.
- 경험적으로 이 용량이라면 내경 1.3mm에 길이 700mm 한개를 사용하면 될 것입니다.
5. 송풍기 선정
- 이건 열교환기와 모든 부속을 장착후 운전하였을 때
위의 설계 풍량이 나와야 함을 의미합니다.
- 시중품으로 설계는 불가능 하고 비슷한 용량대에서 실제 장착하여
성능을 확인하는 수 밖에 없지요.
6. 증발기 선정
- 외곽 크기도 중요하지만,
열교환면적이 중요합니다. 즉 열교환기의 총 표면적이 가장 중요합니다.
- 각 핀의 면적(양면)*핀매수 등으로 정확히 계산해 보십시요.
- 5.0 m2 이상의 표면적이 필요합니다.
- 전면면적은 0.1 m2 내외로 결정하십시요.
- 한편 증발기에서 냉매관의 총 길이는 2~3m 나오겠습니다.
- 증발기를 키우면 냉방능력이 다소 증가하나, 증발압력이 올라가므로
압축기 소비전력은 증가합니다.
7. 응축기 선정
- 응축기에서 필요한 방열량은 약 냉동능력*(1.25~1.3) 으로 증발기 보다 큽니다.
- 한편 응축기는 현열교환만 하므로 증발기 보다 열교환 효율이 떨어집니다.
- 그래서 응축기는 풍량이 더 큼에도 불구하고 증발기에 비해 1.5~2.0 배의 크기가 필요합니다.
- 응축기가 크면 클수록 응축압력을 낮추게 되어 소비전력이 감소합니다.
8. 냉매량 선정
- 실제적으로는 냉매를 넣어가면서 최적 싸이클을 찾아야 하지만
개략적인 계산도 가능합니다.
- 즉 냉매가 들어가는 내용적을 부품별로 안다면 상당한 정확도로 예측도 됩니다.
- 여기서 설명은 어렵고, 결과값만 말씀드리면 500~600g 정도가 되겠습니다.
- 물론 냉매량은 응축기 내용적이 절대적으로 영향을 미치므로, 응축기를 키우면
냉매량이 비례적으로 증가합니다.
9. 참고.
- 시중의 냉동기 업체에선 콘덴싱 유닛이라 하여,
"응축기+압축기+송풍팬"을 냉방능력별로 일체로 제작하여 판매하고 있습니다.
그런 제품을 구입하여 실내측 부분을 제작 조합하시면 수고가 반감됩니다.
10. 결론
- 어려운 일이지만, 시중부품으로 제대로 설계가 되었다면,
아마 소비전력이 800~1000 W 정도가 될 것입니다.
COP를 계산하면 2.1~2.6 근처가 되겠군요.
---------------------
이 정도로 마칩니다.
원래 답변이 불가능한 질문이라
많이 부족하더라도 이해하시기 바랍니다.
그리고 저도 현재 상당히 중요한 시험의 기간중이라 추가적인
질문에 대한 답변은 어렵겠습니다.
감사합니다.
----------------------
ps) 자료실에 제가 만든 습공기 물성계산 Sheet (엑셀97파일)이 있습니다.
입구공기, 출구공기, 풍량등에 따라 능력, 제습량 등등을 알수 있는,
상당히 유용한 자료가 될 것입니다.
어렵다기 보다 불가능합니다.
첫째로 설계를 하시려면 시중에서 구입하는 단품들의 설계 Data가 있어야 하는데,
삼성이나 LG 등 대표적인 에어컨 메이커도 자체의 똘똘한 설계 Data가 부족한 형편인데
시중 제품의 자료가 있을리 만무합니다.
예를 들면,
열교환기만 하더라도 최소한 아래 자료들이 필요합니다.
1. 냉매측의 열전달계수,
2. 냉매관과 핀과의 접촉열저항,
3. 공기측 열전달계수,
4. 냉매측 압력강하,
5. 공기측 압력강하
위의 자료를 냉매량에 대해서, 공기측 풍량에 따라서, 열교환량, 작동온도에 따라서
모두 알고 있어야 하니 얼마나 어렵겠습니까? 그것도 냉매측은 단순한
물도 아니고 포화상태의 이상유동이고, 공기측도 증발기는 응축수가 발생합니다.
한마디로 장난이 아니지요.
그러므로 현실적으로는 축적된 "경험"에 의해 사양이 결정되고 있습니다.
즉 처음부터 무에서 유로 설계가 되는 것이 아니라,
기존에 기본적인 에어컨 모델에서 minor change에 의한 설계변경이 이루어 집니다.
물론 부분적으로는 산술적인 설계가 가능합니다.
또한 그런 실험자료의 축적과 관계식 도출에 의해 에어컨 시뮬레이션도
대기업에서는 설계에 이용하고 있습니다.
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1. 일단 목표상태를 정하는 것이 좋습니다.
에어컨이라면 일단 시중의 에어컨을 기준하여 부품도 동종의 것으로
사용한다고 가정하여 설명드리겠습니다.
- 증발기 중간지점 냉매온도=8.5도 내외
- 증발기 중간지점 냉매압력=약 5.5기압(게이지압)
- 응축기 중간지점 냉매온도=48도 내외
- 응축기 중간지점 냉매압력=약 18기압(게이지압)
- 압축기 입구 냉매 과열도 = 약 5도
- 압축기 출구 냉매 온도 = 약 90도
- 모세관 입구 과열도 = 약 5도
- 증발기 입구 공기온도 = 27도, 상대습도 50%
- 증발기 출구 공기온도 = 약 12도
- 증발기측 풍량 = 약 6 m^3/min
- 응축기 입구 공기온도 = 35도
- 응축기 출구 공기온도 = 약 45~48도
- 응축기 출구 풍량 = 약 15 m^3/min
- 송풍기
실내측은 일반적으로 횡류형(Cross-Flow형)을 사용하나
시중구입이 어려우므로, 실내/실외 공히 축류형(Axial-Flow형)
- 열교환기
핀-관형
핀: 알루미늄 박막(두께 약 0.12~0.15mm)
관: 외경 7~9.52mm, 두께 0.5mm이하의 동관
- 압축기
로터리형 압축기 (어큐물레이터가 입구에 부착되어 있음)
2. 필요냉매유량 계산
- 계산식 = 냉방능력 / 증발기에서의 증발잠열
- 증발기 입구에서의 시작 건도가 약 0.2~0.25 라는 것을 감안하면
증발기의 증발잠열(즉 Hfg)이 구해집니다.
- 계산하면 약 45~50 kg/h 정도가 될 것입니다.
3. 필요한 압축기 선정.
- 압축기는 자동차 엔진처럼 배기량이 있습니다.
- 즉 이 운전조건에서 압축기가 기상냉매로 40~50 kg/h 를 배출할 수 있을
정도의 용량(배기량)을 가져야 합니다.
- 보통 시중품은 크게 고민할 필요없이 그냥 냉동능력을 말하면
그에 맞는 모델이 구비되어 있습니다.
4. 필요 모세관 선정
- 모세관은 모세관 입구압력(위의 18기압), 출구압력(위의 5.5기압), 과냉도(5도),
냉매유량(50 kg/h)에 따라서 관련 책자(ASHRAE Handbook 등)의 모세관 선도로
부터 내경과 길이를 선정합니다.
- 경험적으로 이 용량이라면 내경 1.3mm에 길이 700mm 한개를 사용하면 될 것입니다.
5. 송풍기 선정
- 이건 열교환기와 모든 부속을 장착후 운전하였을 때
위의 설계 풍량이 나와야 함을 의미합니다.
- 시중품으로 설계는 불가능 하고 비슷한 용량대에서 실제 장착하여
성능을 확인하는 수 밖에 없지요.
6. 증발기 선정
- 외곽 크기도 중요하지만,
열교환면적이 중요합니다. 즉 열교환기의 총 표면적이 가장 중요합니다.
- 각 핀의 면적(양면)*핀매수 등으로 정확히 계산해 보십시요.
- 5.0 m2 이상의 표면적이 필요합니다.
- 전면면적은 0.1 m2 내외로 결정하십시요.
- 한편 증발기에서 냉매관의 총 길이는 2~3m 나오겠습니다.
- 증발기를 키우면 냉방능력이 다소 증가하나, 증발압력이 올라가므로
압축기 소비전력은 증가합니다.
7. 응축기 선정
- 응축기에서 필요한 방열량은 약 냉동능력*(1.25~1.3) 으로 증발기 보다 큽니다.
- 한편 응축기는 현열교환만 하므로 증발기 보다 열교환 효율이 떨어집니다.
- 그래서 응축기는 풍량이 더 큼에도 불구하고 증발기에 비해 1.5~2.0 배의 크기가 필요합니다.
- 응축기가 크면 클수록 응축압력을 낮추게 되어 소비전력이 감소합니다.
8. 냉매량 선정
- 실제적으로는 냉매를 넣어가면서 최적 싸이클을 찾아야 하지만
개략적인 계산도 가능합니다.
- 즉 냉매가 들어가는 내용적을 부품별로 안다면 상당한 정확도로 예측도 됩니다.
- 여기서 설명은 어렵고, 결과값만 말씀드리면 500~600g 정도가 되겠습니다.
- 물론 냉매량은 응축기 내용적이 절대적으로 영향을 미치므로, 응축기를 키우면
냉매량이 비례적으로 증가합니다.
9. 참고.
- 시중의 냉동기 업체에선 콘덴싱 유닛이라 하여,
"응축기+압축기+송풍팬"을 냉방능력별로 일체로 제작하여 판매하고 있습니다.
그런 제품을 구입하여 실내측 부분을 제작 조합하시면 수고가 반감됩니다.
10. 결론
- 어려운 일이지만, 시중부품으로 제대로 설계가 되었다면,
아마 소비전력이 800~1000 W 정도가 될 것입니다.
COP를 계산하면 2.1~2.6 근처가 되겠군요.
---------------------
이 정도로 마칩니다.
원래 답변이 불가능한 질문이라
많이 부족하더라도 이해하시기 바랍니다.
그리고 저도 현재 상당히 중요한 시험의 기간중이라 추가적인
질문에 대한 답변은 어렵겠습니다.
감사합니다.
----------------------
ps) 자료실에 제가 만든 습공기 물성계산 Sheet (엑셀97파일)이 있습니다.
입구공기, 출구공기, 풍량등에 따라 능력, 제습량 등등을 알수 있는,
상당히 유용한 자료가 될 것입니다.
공지사항
개인적으로 신정섭님께도 이 글을 멜로 올린것 같네요. 맞죠?
어둠속에서 빛을 찾은 기분입니다. 일단은 님의 글을 바탕으로
자료조사를 할 생각입니다.
다시 한번 감사드립니다.