[기계공학실험]증기 압축식 열펌프 성능 2부

실험 결과

1. 결과 분석

실내 온도 : 16.5℃

1) 측정 결과

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
냉매의 유량 mr [g/sec]	6.3	6	5.8	5.7	5.6
응축 압력 Pcond [kPa]	1130	790	665	610	575
증발 압력 Pevap [kPa]	268	258	241	230	221
압축기 입구 온도 T1 [℃]	13.2	13.4	14.2	14.3	14.4
압축기 출구 온도 T2 [℃]	76.8	69.5	66.2	65.5	64.5
응축기 출구 온도 T3 [℃]	43.3	31.3	26.0	23.4	21.9
증발기 입구 온도 T4 [℃]	7.0	5.4	4.4	3.6	3.1
냉각수 입구 온도 T5 [℃]	21.7	18.6	17.8	17.4	17.3
냉각수 출구 온도 T6 [℃]	45.0	32.4	27.1	24.4	22.9
Time of 1 rev. of disk	42 sec	48.14	51.53	54.48	55.35

 

냉각수 유량에 따른 냉매의 유량	냉각수 유량에 따른 응축/증발 압력 변화
냉각수 유량, 각 위치별 온도변화 그래프 - 1	냉각수 유량, 각 위치별 온도변화 그래프 - 2

Time of 1 rev. of disk

 

2) 성능 계산

① 압축기의 성능

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
냉매의 유량 mr [g/sec]	6.3	6	5.8	5.7	5.6
전기동력 Welec [W]	361	311.6	291.1	275.3	271
상태 1의 엔탈피h1 [kJ/㎏]	308	312	312	313	314
상태 2의 엔탈피h2 [kJ/㎏]	357	355	353	353	352
냉매의 실제 압축일 Wact [W]	327.6	294	243.6	239.4	235.2
상태 2,ad의 엔탈피 h2,ad [kJ/㎏]	337	336	332	332	331
가역단열 압축일 Wad [W]	163.8	168	121	119.7	61.6
압축과정 등엔트로피 효율	0.5	0.5714	0.4967	0.5	0.2919
압축기 기계 효율	0.9075	0.9435	0.8368	0.8696	0.8679
압축기 단열 효율	0.4537	0.5392	0.4157	0.4348	0.2273

 

3) 난방 능력

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
응축기에서의 회수 열전달율[W]	973.9	1153.6	1166.22	1170.4	1170.4

 

4) 각 지점 냉매의 상태 결정

Test		1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]		10	20	30	40	50
3과정에서의 상태		과 냉	과 냉	과 냉	과 냉	과 냉
3과정에서 엔탈피 h3[J/g]		168	150	142	138	132
등 엔탈피 과정 일때의 4과정의 압력, 건도	P4[kPa]	318	305	298	296	292
	x4[%]	26	22	21	20	19

냉매의 상태량을 확인하면 3과정에서의 상태는 모든 테스트에서 포화온도보다 낮은 온도를 가짐으로써 과냉 상태라 볼 수 있다.

3-4과정이 등 엔탈피 과정이라 할 때에 4과정은 포화상태이므로 T4의 온도일때의 포화증기압을 선도에서 찾아 압력을 구할 수 있으며 등 엔트로피 과정이므로 건도를 쉽게 구할 수 있다.

 

5) 성능 계수

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
열역학적 성능계수 COP2	2.97	3.92	4.9	4.9	5.0
시스템 성능계수 COP1	2.698	3.702	4.006	4.251	4.319

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 측정 자료의 정확성과 실험 결과의 신뢰성에 대하여 기술하시오.

실험 데이터를 수집하는 과정에서 유량과 각 지점에서의 온도와 압력이 정상 상태가 되는 데는 많은 시간을 필요로 한다. 특히 온도의 경우에 정상 상태에 이르렀다고 확신할 수 있기에는 더욱 그렇다 할 수 있다. 유체가 관내에서 유동하는 것이므로 각 지점에서의 부위의 온도가 정확히 그 지점의 온도라 하기에는 문제가 있다.

실험을 하는 과정에서 물의 유량을 정확히 조절할 수 없었다. 로타미터의 유량이 안쪽으로 파져 기울어져 있는 것은 아주 약간 위쪽으로 맞추어 물의 유량을 조절하였다. 또한 유량을 조절 하기에는 수압이 일정하지 못하였다. 특히 유량이 가장 적은 10으로 했을 때는 유량의 오차가 상대적으로 많을 것이고 유량이 많은 양인 40, 50으로 했을 때는 실험 중에 변화가 심해서 측정하는데 어려움을 느꼈다.

냉매의 유량, 압력계, 전기 동력을 구하기 위하여 시간을 재는 것 역시 육안으로 측정하는 것이기에 조원이 보는 각도에 따라 차이가 났다. 냉매의 유량과 압력계는 각각 조원이 한명씩 같은각도에서 측정을 하였고 2차 측정자가 확인을 하였다. 적산 전력계의 원판은 3회측정하여 중간값을 선택하였다. 오차의 원인이 될 것 이라고 생각한다.

실험 시간이 길어짐에 따라 외부온도 즉 실험실 온도가 상승함으로 증발기의 성능에 영향을 끼쳤다. 또한 냉매와 냉각수의 파이프 이동시 열을 외부에 빼앗겼을 가능성도 있다.

자와 펜을 이용하여 육안으로 냉매 R-134a의 P-H 선도를 이용하여 각 데이터를 계산하였는데 이때도 많은 오차를 발생하였을 것이다. 눈금과 단위가 일반 자와 펜을 이용하여 값을 찾기에는 너무도 정확한 값을 얻기에는 불가능 했을 것이라 생각한다. 열역학 책의 냉매 R-134a 표를 이용하여 보간법을 사용하여야 했으나 실험 결과의 성공여부를 결정하기 위해서 실험실안에서 직접 선도를 통하여 직접 계산하였다.

이러한 이유로 하여금 결과의 정확성에는 문제가 있다. 하지만 측정 데이터를 분석해보면 결과 항들마다 일정한 경향성을 보이며 관계를 나타내고 있다. 냉각수 유량이 증가함에 따라서 냉매의 유량이 감소하며 응축 압력이나 증발 압력 등등 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 압축기 입구 온도는 증가 하는 것을 알 수 있다. 전체적으로 특정한 관계를 나타내고 있다는 점에서 실험에 이해를 도왔고 실험 결과의 신뢰성에는 어느 정도 부합된다고 볼 수 있다.

 

2) 압축기의 효율에 대하여 기술 하시오.

압축기가 에너지를 받아 일을 함으로 저압의 냉매를 고압으로 압축 시킨다. 압축시 투입된 전기의 에너지를 실제 수행한 일의 양과 비교하는 기계효율과 가역 단열 과정에서 이뤄지는 이상적인 에너지와 비교하는 단열 효율이 있다.

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
압축기 기계 효율	0.9075	0.9435	0.8368	0.8696	0.8679
압축과정 등엔트로피 효율	0.5	0.5714	0.4967	0.5	0.2919
압축기 단열 효율	0.4537	0.5392	0.4157	0.4348	0.2273

 

이 실험 결과를 분석해보면 기계효율은 냉각수 유량이 증가함에 따라 미약하게 감소하는 추세로 대략 85% 내외로 나타난다. 냉각수 10 ~ 20 증가 시에만 상이한 변화를 가지고 있는데 이것은 첫 번째 냉각수 유량 10mw [g/sec]시에 정상상태 미도달이 가능성 여부와 선도확인 및 측정 오차가 원인이었을 가능성이 크다.

압축기의 기계 효율은 다른 두 효율에 비하여 약 두 배 정도 높게 나타나는데 그것은 압축기에 동력Welec이 전달된 후에 압축기에서는 별다른 손실 없이 대부분의 동력을 냉매를 압축하는 데에 사용하였기 때문이다. 위 결과를 보면 투입된 전기 동력의 85% 정도가 실제 압축하는데 쓰여 졌으며 나머지 15% 가량은 실제적인 비가역성에 의해 손실 되었다는 것을 알 수 있다.

역시 단열 효율도 점점 감소하는 추세를 보이다 냉각수의 유량이 50[g/sec]이 됬을 때에는 22%에 이른다.

압축기 내부에서의 비가역성은 내부에서의 발열과 마찰 그리고 열전달 등이 있다. 특히 냉각수 유량이 증가할 때 단열 효율이 급격히 감소한다는 것을 알 수 있다.

 

3) 물 유량 변화가 열펌프 성능에 미치는 영향을 고찰하시오.

Test	1	2	3	4	5
냉각수 유량 mw [g/sec]	10	20	30	40	50
열역학적 성능계수 COP2	2.97	3.92	4.9	4.9	5.0
시스템 성능계수 COP1	2.698	3.702	4.006	4.251	4.319

 

냉각수 유량이 증가함에 따라 열역학적 성능계수와 시스템 성능계수 모두 증가함을 알 수 있다. 그리고 성능계수의 변화량을 보면 유량이 더 증가하더라도 일정한 성능계수를 가질 것으로 보여 진다.

전반적인 그래프의 개형은 같이 증가하는 추세를 보이면서 시스템 성능계수 COP1은 열역학적 성능계수 COP2에 비하여 항상 작은 값을 가진다. 이유는 이론상에 비하여 손실되는 동력의 양 때문 일 것이다.

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