Linear Compressor 열 해석 (화) 학번 : 이름 : 김만석

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

2 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

3 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

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

5 Ⓓ 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

6 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

7 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

8 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.

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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>

14 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%

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 <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 >

23 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) kJ/℃ Suction muffler(outlet) Suction chamber Loop pipe Shell(top) Shell(bottom) 실험 결과와 오차율 3% 이내 시뮬레이션의 최적화 과정을 통해 신뢰성 확보 필요 다른 종류의 압축기에 적용 가능성 여부 점검 필요

24 <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