Linear Compressor 열 해석 2010. 11. 16 (화) 학번 : 201083107 이름 : 김만석 에너지 변환 공학 Term Project Linear Compressor 열 해석 2010. 11. 16 (화) 학번 : 201083107 이름 : 김만석 연구기간 : 2010.03 ~ 2010.12 연구기관 : 부산대학교 LG CARE 지원기관 : LG전자

연구 배경 및 목표 연구배경 목표/내용 압축기 각 파트 별로 열 전달 해석을 하여 압축기 손실을 최소화하는 연구가 필요함 리니어압축기는 압축 과정에서 냉매와 내부 부품간의 열 교환으로 인해 압축기 효율이 감소함 압축기 각 파트 별로 열 전달 해석을 하여 압축기 손실을 최소화하는 연구가 필요함 수치 해석적 방법은 실제 제품과의 오차가 크기 때문에 적용에 한계가 있음 목표/내용 연구목표 -Linear 압축기 열 해석 모듈 개발 -압축기 부품 별 민감도 분석 -Linear 압축기 고효율 방안 제시 : EER 0.1 이상 연구내용 -열 전달 측정을 통한 상용 프로그램(EES) 이용 열해석 모듈 최적화 -리니어압축기 내부 온도 측정을 위한 시험용 샘플 제작 및 조건 별 실험 -압축기 부품 별 민감도 분석 및 고효율 방안 도출

Linear vs. Reciprocating Compressor 비교 Recipro. Compressor Linear Compressor ■ 모터의 회전 운동을 직성 왕복 운동으로 변화하기 위해 크랭크 메커니즘을 사용 → 4 friction parts ■ 배기량이 일정 ■ 초기 가동 시와 정지 시 최대 소음이 발생 ■ 고 효율 Linear Motor 적용 - 피스톤이 Linear motor에 직접연결 - No Crank Shaft → 마찰과 측력 감소 ■ Direct Suction System ■ Free Piston → 압축 용량 가변 가능 ■ Soft Start & Soft Stop System Crank shaft Rotor Friction Parts Piston & Cylinder stator Piston Out stator Coil Main Spring Magnet Inner

Linear Compressor의 구조 Magnet Outer Stator Cylinder Discharge Valve Piston Cylinder Suction Valve Discharge Valve Inner Stator Outer Stator Magnet Main Spring Coil

Ⓓ Linear Motor 구동원리 ⓐ ⓑ ⓓ ⓒ Coil에 흐르는 교류 전류에 의한 교번 자기장과 Magnet 사이에 발생되는 인력,척력으로 Piston이 가진되고 Piston의 진동이 주기적으로 냉매를 압축/팽창 시킴. ( Piston Mass와 Spring으로 구성된 진동 System의 공진이 발생하여 ) 전류 i 자기장 ⓐ ⓑ ⓒ ⓓ AC current 자계장 발생 원리 Piston stator Coil 자석 스프링 구조 및 명칭 전류 파형 S극 N극 전류 최대, 속도 최고 운동 에너지 최대 스프링(탄성) 에너지 Zero 전류 Zero, 속도 Zero 운동 에너지 Zero 스프링(탄성) 에너지 최대 토출 압축 팽창 흡입 Ⓓ Linear Motor의 구동 원리

Linear Motor의 종류 Moving Coil Type Moving Iron Type Moving Magnet Type ■ 효율: 어느 정도의 고효율이 가능 ■ 신뢰성 - Coil Burn-out발생→소용량 국한 - Side Force 적음. ■ Cost - 많은 Magnet가 필요→고가 - Moving Coil 제작이 어려움 - Moving Coil에 전류를 공급 난이 ■ Controllability - Inductance가 작아 Control 용이 ■ 효율: 효율이 나쁨 ■ 신뢰성 - Side Force 커서 Piston마모 불리 ■ Cost - Size가 아주 커지므로 Cost에 불리 - 고가의 Magnet 불필요 ■ Controllability - Inductance가 커 Control 난이 ■ 효율 : 고효율, 90% 이상 효율 ■ Cost - 고가의 Magnet 다수 사용 불리 ■ Controllability - Inductance가 어느 정도 커서 Control 시 주의가 필요

Linear vs. Rotary Motor 비교 Linear Motor Iron Magnet Coil ■ High Speed Rotary Motion ■ Compact하고 가격이 저렴 ■ 회전체(Rotor)에 의한 Inertia 가 큼 →토크 변화량이 적음 →기동 시 큰 토크가 필요함 ■ 회전 운동을 직선 운동으로 변경시켜 주기 위해 Crank Mechanism 필요 ■ Low Speed Oscillatory Motion ■ 기동 시 작은 힘이 필요하여 조용한 운전 가능 ■ 동력 손실과 측력이 작아 고효율 가능 ■ 코일을 한 방향으로 감기 때문에 구조 가 간단 ■ 고가의 Magnet 재료를 사용

압축기의 손실 = Motor손실 + 마찰손실 + 유동/열 전달 손실 리니어압축기의 특징 압축기의 손실 = Motor손실 + 마찰손실 + 유동/열 전달 손실 ■ Linear Comp. 구조상 마찰이 적다. ■ 냉매 흡입/토출이 직선적이어서 유동/열 전달 손실이 가장 적은 구조이다. ■ Linear Motor 자체가 고 효율이다. ■ 측력이 작다. ■ Linear Compressor의 경우 Piston의 진동 Stroke 조절로 냉매 토출량을 조절을 할 수 있다. ■ 기존의 Compressor의 경우 BLDC Motor를 적용하여 가변 운전을 하면 동일한 효과를 볼 수 있으나, BLDC Motor의 구동장치가 고가에 따른 부담이 있다.

리니어 압축기 열 해석 연구목적 Suction 부의 흡열량 증가 시 - 냉매의 비체적 증가로 질량 유량 감소 - 유량 감소로 인해 압축일 증가 Discharge 부 및 모터의 방열량 감소 시 - 토출 냉매의 과열도 증가 - 모터 효율 저하 발생 압축기 구성 요소 각 부분의 열 전달 특성 파악을 통한 압축기 효율 향상 방안 제시 Capillary Tube Compressor Condenser Evaporator <토출부 온도 상승에 따른 냉동 Cycle 변화 Simulation> Pressure (kPa) Discharge 온도 상승 <흡입부 온도 상승에 따른 냉동 Cycle 변화 Simulation> Pressure (kPa) Suction 온도 상승

리니어 압축기의 열 해석 모듈 개발 방법 각 부품 열 전달 량 측정 열 전달 계수 도출 시스템 simulation 영향도 분석 압축기 단품 실험 실험식 도출/해석적 방법 (UA Function) Simulation Program (EES) 효율향상 방안 제시 압축기 내부부품 Modeling 압축기 내부 각각의 CV(Control Volume) 온도 측정 조건 별 온도변화 시험 ① 입구온도변화(12.2~52.2℃) 주위온도변화 (12.2~52.2℃) 냉매유량변화(T, P 가변) 용량가변(FM, FC) 냉동능력 가변(Stroke 제어) - 실험결과 이용 CV내부 열 전달 Correlation 도출 - 실험측정이 어려운 부분은 해석적 방법 사용 - 내부 열 유동의 자연대류/ 강제대류 여부 결정 각 CV 간의 관계식 적용 해석의 방법의 타당성 확인을 위해 열 저항 회로 작성 - 요소 부품변경 시 성능(EER) 예측 각 조건 별 변수 실험 결과 와 비교 Mixing region leakage 감소 - Motor 효율 향상 Suction Chamber/Suction Muffler 단열 증가

압축기 열 해석 선행연구 분석 저자/소속 제목 주요내용 비고 No. 1 김병조, 나병철/ LG Electronics Heat Transfer Analysis of L-Comp -Seven model 리니어 압축기 열해석 -압축기실 주변온도, 냉매 유량, 압축기 입구 변수 결과 해석 LGE/1999 2 Eckhard A. Groll / Purdue University, USA Mathematical modeling of scroll compressors — part II: overall scroll compressor modeling Scroll 압축기의 열해석 결과 및 실험 결과 비교분석 - 압축기 투입 에너지, 냉매 토출 온도 등을 비교 International Journal of Refrigeration (1.537)/2001 3 Kitae Jang/ KAIST Experimental investigation on convective heat transfer mechanism in a scroll compressor -Scroll 압축기의 대류 열전달 메커니즘 실험적 , 해석적 분석 냉매와 압축기 scroll 만 열전달이 이루어진다고 가정하면 측적 값과 예측값이 잘 맞음 (1.537) /2006 4 Eric L. Winandy/ University of Lie`ge, Belgium Scroll compressors using gas and liquid injection: experimental analysis and modelling Scroll 압축기의 liquid, vapor의 주입에 따른 싸이클 거동 분석 예측 값과 냉매의 상태에 따른 오차 정도를 분석 /2001 5 Hyun Jin Kim/ University of Incheon Lubrication oil pumping by utilizing vane motion in a horizontal rotary compressor - Rotary 압축기의 oil pumping simulation 및 실험 - 압축기 속도에 따른 오일 공급량 실험 값 과 예측 값 비교 /2005 6 Yongchan Kim/ Korea University Thermodynamic analysis on the performance of a variable speed scroll compressor with refrigerant injection Scroll 압축기의 orbiting angle 과 회전 수에 따른 실험 값 및 결과값 비교 분석 토출 냉매의 온도 예측 값이 측정값과 10%이내의 오차

선행연구 분석: 리니어 압축기 열해석(LG 전자, 1999) 리니어 압축기 열전달 network 분석 (Seven Model) 열 해석에 의한 Seven Model(6.9cc/rev) 효율 향상 방안 제시 - Suction Muffler 와 Suction Pipe 직결 : EER 0.1 증가 - Suction Muffler 단열 증가(UA 50% 감소 시) : EER 0.17 증가 - Oil을 통한 토출부 열 전달량 증가 : EER 0.03 증가

선행연구 분석: 스크롤 압축기 열해석(Groll, 2002) Suction Motor Discharge Scroll <The schematic diagram of scroll compressor> <Thermal resistances between the parts> 스크롤 압축기(13.42cc/rev, R22) 열 해석 - 열 저항의 개념으로 열 해석 모듈 완성 - 실험을 통한 열 해석 모듈 완성 및 결과 값 비교 - 해석 결과 값의 오차율 20% 이내 주요변수 : 응축/증발 온도 주요결과 : 출구 온도, 소모 전력, 질량 유량 X Measurement - Simulation <Verification of the discharge temperature>

리니어 압축기 부품 별 열 전달 측정 Qcomp ② ③ ④ ⑥ ⑤ ⑦ ① Win QRef ☆ ① ☆ ☆: 온도 측정 위치 (총 21 point) <Recipro/Linear compressor 전영역 성능 시험장치> 리니어 압축기 Control Volume Qcomp ② Suction Muffler ③ Chamber ④ Cylinder ⑥ Loop Pipe ⑤ Discharge ⑦ Motor ① Mixing Region Win G% QRef A% B% C% E% F% D%

Thermal Conduction and Convection (Fourier’s Law) (Newton’s Cooling Law) t A T1 T2 T1 T∞ Fluid Flow hconv 1) 물질의 밀도가 높을 수록 열 전도 계수k 가 크다. 2) 전기 전도성이 큰 물질은 열 전도 계수k도 크다. 3) 열 전도 계수 k는 온도의 함수이다. 4) 물질에 생긴 결함은 열 전도성을 변화 시킬 수 있다. (Convection Thermal Resistance) Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

A T∞ hrad. Thermal Radiation Radiation (Boltzman-Stefan’s Law) hr (Radiation Thermal Resistance) : emissivity = f(Surface Material, Color….) : Constant Fr : Radiation Factor (Factor related to the shape) Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

Temperature difference, ΔT Electrical Analogy 여러 재료가 혼합된 상태의 복잡한 열 전달 문제와, 여러 방향으로의 열 전달이 이루어지는 시스템의 문제를 간단히 해석 하기 위해, 다음과 같이 전기 회로 해석 방법을 도입하여 열의 흐름을 분석한다. Quantity Electrical Energy Heat Driving potential Voltage, V Temperature difference, ΔT Flow Current, I Heat transfer rate, Q Governing law Ohm’s law R is thermal resistance and C=1/R is the thermal conductance 전도 열 저항 대류 열 저항 복사 열 저항 Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

Electrical Analogy: Thermal Resistance 직렬 연결 병렬 연결 T1 T2 Q3 R1 R2 R3 (T1 -T2) Q2 Q1 T1 T2 T3 T4 R1 R2 R3 (T1 -T2) (T2 -T3) (T3 -T4) (T1 -T4) Overall thermal resistance Overall thermal resistance Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

Overall Heat Transfer Coefficient U: 총괄 열 전달 계수 k1 k2 k3 hi ho Ti To t1 t2 t3 1 UA = UcAc + UhAh (ηohA)c R f (ηoA)c Rw (ηoA)h (ηohA)h Ti To Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

Analysis of Heat Exchanger (LMTD) Parallel Flow Cross Flow Th,i Tc,i Th,o Tc,o DT1 DT2 Th, Ch Tc, Cc dq T 1 2 Th,i Tc,i Th,o Tc,o DT1 DT2 Th, Ch Tc, Cc dq T 1 2 Q = UA DTlm Q = UA DTlm DTlm = ln (DT2 / DT1 ) DT2 - DT1 DTlm = ln (DT2 / DT1 ) DT2 - DT1 DT 1 = T h1 - T c1 = T hi - T ci DT 2 = T h2 - T c2 = T ho - T co DT 1 = T h1 - T c1 = T hi - T co DT 2 = T h2 - T c2 = T ho - T ci Ref.: 이재근, “에너지 시스템 설계 및 실습”, 강의자료, 2009

압축기 시스템 분석 방법 Ta - Overall Heat Transfer Coefficient UA = Q / ( Ta - Ti ) R1 Ta T2 T2 ※열 전달 과정이 길어서 과도 열 해석 우려가 있을 때 LMTD 사용 R2 T1 T1 Ti R3 - Log Mean Temperature Difference LMTD =( (Ta - Ti) - (Ta-To) ) / ln( (Ta-Ti) / (Ta-To) ) Ti Ti To Ta

<Motor 효율 향상에 따른 EER 향상 정도 예측 > 현재 모델 Suction 부 단열 향상 시 감소 시 현재 모델 <냉매의 압축기 입구 온도와 내부 단열에 따른 EER 예측 > <Motor 효율 향상에 따른 EER 향상 정도 예측 > EER 향상 정도 <압축기 부품 별 EER 향상 정도 예측 >

실험 결과 (1/2) Suction muffler(inlet) Suction muffler(outlet) <EES 시뮬레이션 결과: 냉장고 조건에서의 냉동 사이클> 빨간색 선 : 압축기 내부에서의 냉매 특성 파란색 선 : 응축기, 팽창변, 증발기에서의 냉매 특성 <실제 실험 결과와 EES 시뮬레이션 결과의 비교> 각 부품 별 UA Suction muffler(inlet) 0.001635 kJ/℃ Suction muffler(outlet) 0.001642 Suction chamber 0.001648 Loop pipe -0.001742 Shell(top) 0.001037 Shell(bottom) 0.000516 실험 결과와 오차율 3% 이내 시뮬레이션의 최적화 과정을 통해 신뢰성 확보 필요 다른 종류의 압축기에 적용 가능성 여부 점검 필요

<UA 및 냉매 혼합 비율 변화에 따른 EER 변화 예측> 실험 결과 (2/2) <UA 및 냉매 혼합 비율 변화에 따른 EER 변화 예측> Shell 내부 냉매와 흡입 냉매의 혼합 비율을 줄일 수록(압축 전 온도를 낮출 수록) EER이 향상 할 것으로 예상 - 흡입 온도가 주변의 영향을 받지 않고 그대로 압축 - 압축기 내부 part들의 온도 상승 예상 EER 감소 각 부분을 단열 시켜 UA를 감소 시킬 수록 EER이 감소 할 것으로 예상 - 냉매로의 열 전달량 감소 - 내부 온도 상승으로 인해 압축기 열 효율 저하 EER 감소