• 제목/요약/키워드: Heat pump water heater

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1kW급 유기랭킨사이클용 스크롤 팽창기의 성능 특성에 관한 실험적 연구 (Experimental Study on the Performance Characteristics of a Scroll Expander for 1kW-class Organic Rankine Cycle)

  • 김도균;윤은구;윤상열;김경천
    • 한국가스학회지
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    • 제19권4호
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    • pp.41-48
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    • 2015
  • 스크롤 팽창기의 성능특성은 유기랭킨사이클 (ORC) 시스템의 성능에 가장 중요한 변수이다. 본 연구에서는 1kW급 ORC 시스템을 구성하여 다양한 작동 조건에서 스크롤 팽창기의 성능특성을 파악하였다. ORC 시스템은 증발기, 스크롤 팽창기, 응축기, 작동유체펌프로 구성되어 있으며, 작동유체로 R245fa를 사용하였다. 고온수 온도는 50kW급 전기히터에 의해 $80^{\circ}C$에서 $115^{\circ}C$까지 제어되었다. 스크롤 팽창기의 최대 등엔트로피 효율은 77%로 측정되었고, ORC 시스템의 축동력은 열원의 온도 조건 및 팽창기의 회전속도에 따라 0.5kW에서 1.8kW까지 측정되었다.

초임계 CO2 사이클에서 가스 인젝션이 압축기 성능에 미치는 영향 (Effects of Vapor Injection on a Compressor in a Transcritical CO2 Cycle)

  • 김우영;심재휘;이용호;김현진
    • 한국유체기계학회 논문집
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    • 제10권2호
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    • pp.16-21
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    • 2007
  • Potential advantages of using vapor injection in a two stage rotary compressor for a $CO_2$ heat pump water heater system were addressed in this paper by numerical simulation. Vapor separated from a flash tank in the middle of the expansion process can be used for injection into the second stage suction plenum of the compressor to improve the system performance. Vapor injection increases the intermediate pressure between the two stages, thus increasing the first stage compressor work and reducing that of the second stage. As a whole, however, the compressor input power increases due to injected mass flow rate for the second stage. Computer simulation showed that increment of the cooling capacity by vapor injection exceeded that of the compressor work, thus improving the system performance. COP improvement by vapor injection was calculated to be about 5-14% for normal operating conditions. With vapor injection, a maximum COP was found when the displacement volume of the second stage becomes 90-95% of that of the first stage of the compressor.

강제 대류를 이용한 형상기억합금 작동기 (SMA(SHAPE MEMORY ALLOY) ACTUATOR USING FORCED CONVECTION)

  • 전형열;김정훈;박응식
    • 한국전산유체공학회지
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    • 제10권2호
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    • pp.48-53
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    • 2005
  • This work discusses the numerical analysis, the design and experimental test of the SMA actuator along with its capabilities and limitations. Convective heating and cooling using water actuate the SMA(Shape memory alloy) element of the actuator. The fuel such as propane, having a high energy density, is used as the energy source for the SMA actuator in order to increase power and energy density of the system, and thus in order to obviate the need for electrical power supplies such as batteries. The system is composed of a pump, valves, bellows, a heater(burner), control unit and a displacement amplification device. The experimental test of the SMA actuator system results in 150 MPa stress(force : 1560 N) with $3\%$ strain and 0.5 Hz. actuation frequency. The actuation frequency is compared with the prediction obtained from numerical analysis. For the designed SMA actuator system, the results of numerical analysis were utilized in determining design parameters and operating conditions.

1단 2실린더 $CO_2$ 압축기의 실린더 형상 최적 설계 (Optimal Design of Cylinder Configuration for a 1-Stage Two Cylinder $CO_2$ Compressor)

  • 안종민;김현진;조성욱
    • 대한설비공학회:학술대회논문집
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    • 대한설비공학회 2008년도 동계학술발표대회 논문집
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    • pp.119-124
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    • 2008
  • Recently, focus has been drawn on natural refrigerants due to increasing concern on global warming. As a consequence, CO2 systems such as a heat pump water heater using CO2 as a refrigerant are rapidly growing on the market. Currently, rolling piston rotary compressors are widely used for CO2 heating and/or refrigeration systems. There are several ways of realizing gas compression structure. They are single stage compression with single cylinder, single stage compression with two cylinders, and two stage compression with two cylinders. In this paper, computer simulation program which was validated for a single stage rotary compressor with one cylinder has been extended for a single stage, two cylinder rotary type. Numerical investigation has been made on optimal design for the cylinder configuration using the extended simulation program. For a single stage two cylinder rotary compressor having a displacement volume of 4 cc for each cylinder, compressor efficiency has been found to be maximum when the cylinder radius and height are 31mm and 10mm, respectively.

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100kW급 연료전지 열관리 시스템 실도로 운전조건 해석적 연구 (Analytic study on thermal management operating conditions of balance of 100kW fuel cell power plant for a fuel cell electric vehicle)

  • 이호성;이무연;조중원
    • 한국산학기술학회논문지
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    • 제20권2호
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    • pp.1-6
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    • 2019
  • 본 연구의 목적은 100kW급 연료전지 시스템의 열관리 성능을 실도로 운전조건에서 분석하여, 성능 해석 모델링을 개발하는 것이다. 개발된 모델을 적용하여, 열관리 시스템의 운전조건 변화에 따른 성능 변화를 고찰하고자 한다. 해석 모델링은 핵심부품들에 대한 성능 평가 데이터를 바탕으로, 성능에 영향을 주는 변수들로 개발하였다. 개발된 연료전지 열관리 시스템 해석 모델링으로 다양한 실차 운전조건에서의 최적 열관리 시스템에 대한 전력소비량을 분석하였다. 주요하게, 연료전지 열관리시스템 핵심부품(워터펌프, 냉각 팬, 3 Way Valve, 라디에이터)에 대한 성능 특성 분석 후 모델링을 진행하였다. 개발된 모델링으로 운전조건에 따른 유량 예측을 하였고, 실험값과 예측값과의 비교분석을 통하여서, 해석 모델링에 대한 검증을 진행하였다. 과도해석을 통하여서, 냉시동시 냉각수 온도가 특정온도까지의 소요시간을 예측하였다. 스택 운전조건에서 스택 입출구 온도가 적정 수준에서 움직이기 위한 열관리 시스템 운전조건에 대한 예측을 진행하였다. 그 결과를 바탕으로, 소모전력과 열방출량과의 비교분석을 하였다. 개발된 해석 모델링은 핵심부품들의 성능 변화시 연료전지 시스템 운전에 대한 영향도를 분석할 수 있도록 활용할 예정이다.

설비공학 분야의 최근 연구 동향: 2011년 학회지 논문에 대한 종합적 고찰 (Recent Progress in Air-Conditioning and Refrigeration Research: A Review of Papers Published in the Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering in 2011)

  • 한화택;이대영;김서영;최종민;백용규;김수민
    • 설비공학논문집
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    • 제24권6호
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    • pp.521-537
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    • 2012
  • This article reviews the papers published in the Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering during 2011. It is intended to understand the status of current research in the areas of heating, cooling, ventilation, sanitation, and indoor environments of buildings and plant facilities. Conclusions are as follows. (1) Research trends of thermal and fluid engineering have been surveyed as groups of fluid machinery and fluid flow, thermodynamic cycle, and new and renewable energy. Various topics were presented in the field of fluid machinery and fluid flow. Research issues mainly focused on the rankine cycle in the field of thermodynamic cycle. In the new and renewable energy area, researches were presented on geothermal energy, fuel cell, biogas, reformer, solar water heating system, and metane hydration. (2) Research works on heat transfer area have been reviewed in the categories of heat transfer characteristics, pool boiling and condensing heat transfer, nanofluids and industrial heat exchangers. Researches on heat transfer characteristics included heat transfer above liquid helium surface in a cryostat, methane hydrate formation, heat and mass transfer in a liquid desiccant dehumidifier, thermoelectric air-cooling system, heat transfer in multiple slot impinging jet, and heat transfer enhancement by protrusion-in-dimples. In the area of pool boiling and condensing heat transfer, researches on pool boiling of water in low-fin and turbo-B surfaces, pool boiling of R245a, convective boiling two-phase flow in trapezoidal microchannels, condensing of FC-72 on pin-finned surfaces, and natural circulation vertical evaporator were actively performed. In the area of nanofluids, thermal characteristics of heat pipes using water-based MWCNT nanofluids and the thermal conductivity and viscosity were measured. In the area of industrial heat exchangers, researches on fin-tube heat exchangers for waste gas heat recovery and Chevron type plate heat exchanger were implemented. (3) Refrigeration systems with alternative refrigerants such as $CO_2$, hydrocarbons, and mixed refrigerants were studied. Heating performance improvement of heat pump systems were tried applying supplementary components such as a refrigerant heater or a solar collector. The effects of frost growth were studied on the operation characteristic of refrigeration systems and the energy performance of various defrost methods were evaluated. The current situation of the domestic cold storage facilities was analyzed and the future demand was predicted. (4) In building mechanical system fields, a variety of studies were conducted to achieve effective consumption of heat and maximize efficiency of heat in buildings. Various researches were performed to maximize performance of mechanical devices and optimize the operation of HVAC systems. (5) In the fields of architectural environment and energy, diverse purposes of studies were conducted such as indoor environment, building energy, and renewable energy. In particular, renewable energy and building energy-related researches have mainly been studied as reflecting the global interests. In addition, various researches have been performed for reducing cooling load in a building using spot exhaust air, natural ventilation and energy efficiency systems.

오일 용해도를 고려한 $CO_2$ 트윈 로타리 압축기 성능해석 (Solubility Consideration in Performance Analysis of a $CO_2$ Twin Rotary Compressor)

  • 김우영;안종민;김현진;조성욱
    • 설비공학논문집
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    • 제19권12호
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    • pp.842-849
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    • 2007
  • For a $CO_2$ two-stage twin rotary compressor used for heat pump water heater system, changes of $CO_2$ solubility in PAG oil were investigated along the gas passages from the first stage suction to final discharge. Only slight changes in solubility took place in suction chambers for both of the first and second stages, but for compression chambers, solubility variation ranged from 0.115 to 0.136, and from 0.133 to 0.182, respectively for the first and second stages. Calculation of gas flashing in parts of leakage oil flows and of oil contained in control volumes due to solubility changes was conducted and included in gas pressure calculation. For the second stage, gas flashing amounts to around $5%\sim6%$ for most leakage flows. Cooling capacity, compressor input, and COP obtained by calculation were well compared to the experimental results. Effects of operation speed on the compressor performance was also studied: as the shaft speed increased, adiabatic efficiency decreased rapidly due to increased over-compression loss.

$CO_2$ 2단 트윈 로타리 압축기 성능해석 (Performance Analysis of a $CO_2$ Two-Stage Twin Rotary Compressor)

  • 김우영;안종민;김현진;조성욱
    • 설비공학논문집
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    • 제19권1호
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    • pp.19-27
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    • 2007
  • Analytical investigation on the performance of a two stage twin rotary compressor for $CO_2$ heat pump water heater system has been carried out. A computer simulation program was made based on analytical models for gas compression in control volumes, leakages among neighboring volumes, and dynamics of moving elements of the compressor. Calculated cooling capacity, compressor input, and COP were well compared to those of experiments over the compressor speeds tested. For the operating condition of suction pressure of 3 MPa, and discharge pressure of 9 MPa, and compressor inlet temperature of $35^{\circ}C$, the compressor efficiency was calculated to be 80.2%: volumetric, adiabatic, and mechanical efficiencies were 88.3%, 93.2%, and 92.7%, respectively. For the present compressor model, volumetric and adiabatic efficiencies of the second stage cylinder were lower by about $6{\sim}7%$ than those of the first stage mainly due to the smaller discharge port at the second stage. Parametric study on the discharge port size showed that the compressor performance could be improved by 3.5% just by increasing the discharge port diameter by 20%.

파프리카 재배 벤로형 유리온실에서 난방에너지 절감 패키지 기술 적용효과 (Application Effect of Heating Energy Saving Package on Venlo Type Glasshouse of Paprika Cultivation)

  • 권진경;전종길;김승희;김형권
    • 생물환경조절학회지
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    • 제25권4호
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    • pp.225-231
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    • 2016
  • 본 연구에서는 유리온실 경영비 절감을 위한 고효율 난방기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 알루미늄 다겹보온커튼, 근권부 국소난방장치를 조합한 난방 패키지 모델을 구성하고 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용 시험을 수행하였다. 적용효과 분석을 위하여 관행 경유온수보일러와 일반 보온커튼을 설치한 대조구 온실과 비교시험을 통해 온실환경, 난방비용, 작물생육 등을 검토하였다. 알루미늄 다겹보온커튼과 일반 부직포 보온커튼을 설치한 온실에 대한 무가온 조건에서의 야간온도 비교시험에서 알루미늄 다겹보온커튼 설치 온실의 온도가 일반 부직포 보온커튼 설치 온실에 비해 평균 $2.2^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 또한 근권부 국소 난방장치를 설치한 온실에서 미설치 온실에 비해 야간 난방 중의 베드내부 근권온도가 $4.7^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 난방패키지를 구성하는 지하수열원 히트펌프의 난방성능을 분석한 결과 지하수를 직접 열원으로 이용하는 시스템 특성상 난방성능계수는 평균 3.7로 비교적 높게 나타났다. 난방패키지를 적용한 처리구 온실과 관행 난방의 대조구 온실에 대하여 연료소비량을 계측한 결과 10a($1,000m^2$)당 대조구 온실은 경유 14,071L, 전력 364kWh를 소비하였고, 처리구는 전력 35,082kWh를 소비하여 난방비용 기준으로 대조구 온실의 비용 절감율은 87%로 나타났다. 처리구 및 대조구 온실의 작물생육을 비교한 결과 초장과 엽록소 함량에서 차이가 발생하였으나 두 온실의 난방온도가 거의 동일하므로 전체적인 생육은 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 원예시설의 난방에너지 절감효과를 극대화하기 위해서는 본 연구의 난방패키지를 구성하는 개별 기술뿐 아니라 이미 개발된 고효율 공조기 이용기술, 보온성 향상기술, 온도관리 기술 등을 지역, 시설, 작목, 작형 등에 최적화하여 조합할 수 있는 추가적 패키지 모델의 개발 연구가 필요한 것으로 판단되었다.

지열 난방시스템을 이용한 분만돈사의 난방효과 분석 (Evaluation on Heating Effects of Geothermal Heat Pump System in Farrowing House)

  • 최희철;박재홍;송준익;나재천;김민지;방한태;강환구;박성복;채현석;서옥석;유영선;김태원
    • 한국축산시설환경학회지
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    • 제16권3호
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    • pp.205-215
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    • 2010
  • 지열히트펌프를 이용한 축사용 냉난방시스템을 개발하고 농장 적용성을 검토하기 위하여 330 $m^2$ 규모의 농장에 개발 시스템을 설치하여 돈사에서의 난방 이용효과를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 1. 지열 난방시 부하량은 24,104 kcal이었으며 농장시험 지열이용 냉난방시스템의 제원은 히트펌프 용량은 10 USRT 였으며, 상부 덕트형 30,000 kcal 홴코일유니트를 사용하였으며 FCU의 풍량은 90 $m^3$/분 이었다. 2. 지열 난방 1주령시 외부 최고기온 $14.2^{\circ}C$, 최저 영하 $9.3^{\circ}C$일때 시험구는 평균 $21.5^{\circ}C$로서 대조구 $19.8^{\circ}C$에 비하여 높았다. 3. 지열 난방 시험돈사의 먼지 농도는 PM10 185.3, PM2.5 40, PM1.0 $23.4{\mu}g/m^3$으로 대조구 PM10 481.4, PM2.5 47, PM1.0 $28.2{\mu}g/m^3$에 비하여 낮았다.4. 지열 난방 시험돈사의 유해가스농도는 $CO_2$ 1,470, $NH_3$ 10.6, $H_2S$ 0.05 ppm으로서 대조구 $CO_2$ 2,025, $NH_3$ 23.3, $H_2S$ 0.69 ppm에 비하여 유의적으로 (p<0.05) 낮았다. 5. 지열난방시 복당 이유두수는 10.5두로 대조구 10.4두에 비하여 높았으며 이유시체 중도 6.93 kg으로 대조구 6.86 kg에 비하여 컸으며 특히 온도가 낮은 대조구에서 모돈사료 섭취량이 99.6 kg으로 시험구 88.2 kg 보다 유의적으로 (p<0.05) 많았다. 6. 지열 난방시 외부기온과 지하수 순환량에 있어서 외부기온이 낮을 경우 1일간 8.4-12.9톤으로 지하수 순환량이 많았다.