| 논문명 |
Simulink를 활용한 내부 열교환기 적용 초임계 CO2 냉동시스템 열-경제성 성능평가 / Thermo-Economic Performance Evaluation of a Supercritical CO2 Refrigeration System with an Internal Heat Exchanger Using Simulink |
| 저자명 |
양정훈(Jung Hoon Yang) ; 조진균(Jin Kyun Cho) ; 문주현(Joo Hyun Moon) |
| 수록사항 |
설비공학논문집, Vol.37 No.11 (2025-11) |
| 주제어 |
CO2 냉매 시스템; 내부 열교환기; 심스케이프; 시뮬링크; 과열도; 초임계 ; CO2 refrigeration system; Internal heat exchanger; Simscape; Simulink; Superheat; Transcritical |
| 요약1 |
본 연구는 가스쿨러의 핀 면적과 관경, 그리고 외기온도(20-40℃) 변화가 초임계 CO2 냉동시스템의 열역학적 성능과 경제성에 미치는 영향을 분석하였다. 핀 면적의 경우, 0.06 m²에서 0.20 m² 까지 확대함에 따라 시스템 성능이 크게 향상되었다. 40℃ 고온 조건에서 COP는 1.22에서 2.2로 약 80% 상승하였으며, 압축기 소비전력은 148.1 W에서 90.4 W로 약 39% 감소하여 에너지 절감 효과가 명확히 발생하였다. 또한, 총비용(Total Cost) 분석 결과 40℃의 고온 조건에서는 핀 면적을 증가시킬수록 성능 및 경제성이 모두 개선되어, 최대 면적(0.2 m²)에서 최적 효율이 나타났다. 그러나 20~40℃의 전 온도 구간을 종합적으로 고려할 경우, 핀 면적 증가에 따른 성능 향상률은 0.14-0.16 m² 이후부터 점차 둔화되고, 추가적인 제작비용이 발생하므로 이 범위가 실질적인 최적 설계구간으로 판단된다. 반면, 파이프 관경은 0.004 m에서 0.011 m로 확대할수록, 40℃ 기준 COP가 2.05에서 1.616으로 하락하고 총비용은 68,114 KRW에서 97,847 KRW로 지속적으로 상승하여 성능과 경제성 모두 악화되었다. 따라서 파이프 직경은 테스트 범위 내 최소치인 0.004 m로 설계하는 것이 가장 바람직하다. 결론적으로, 외기온도 변동성이 큰 환경에서 고효율 운영을 달성하기 위해서는 파이프 직경 단순 최소화보다 핀 면적 경제적 최적화가 시스템 성능과 경제성을 결정하는 더 핵심적인 설계 변수임을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 초임계 CO2 냉동 사이클의 성능 분석 결과는, 고온 외기 조건에서 운전되는 상업용 냉장 쇼케이스, 저온 운송 차량(냉동 트럭), 소규모 냉동창고 시스템 등의 설계 최적화에 응용될 수 있다. 특히 핀 면적 확대를 통한 COP 향상과 소비전력 절감 효과는, 열교환기 제조 및 시스템 설계 단계에서 에너지 효율성과 비용 효율성을 동시에 고려한 설계 기준으로 활용 가능하다. |
| 요약2 |
Global warming increases refrigeration demand, impacting electricity consumption as higher ambient temperatures degrade system performance (higher power, lower COP). We simulated a transcritical CO2 system, varying gas cooler tube diameter (0.004-0.011 m) and fin area (0.06-0.20 m²) from 20-40℃. Enlarging tube diameter (0.004 to 0.011 m) proved detrimental: at 40℃, COP decreased 21.2% (from 2.05 to 1.62) and total cost increased, indicating the optimal diameter is 0.004 m. Conversely, expanding fin area (0.06 to 0.20 m²) markedly improved heat rejection. At 40℃, COP increased 80% (from 1.22 to 2.19) and compressor power dropped 39% (from 148.1 to 90.4 W). While performance improved up to 0.20 m², total cost analysis identified an economic optimum in the 0.14-0.16 m² range. Comparative results demonstrate that fin area adjustments produce more significant performance changes than tube diameter modifications, particularly under high ambient temperature conditions. Therefore, in practical system design, it is more effective to address fin area configuration before tube diameter adjustments, as this approach can maintain higher energy efficiency over different seasons while also reducing operational costs. |
