Refrigeration System

Prediction of change in composition ratio when mixed refrigerant leaks

  In a heat pump system, refrigerant mixtures are considered as promising alternative refrigerants. However, unlike pure refrigerants, the main drawback of mixtures is a change in composition during refrigerant leakage. Consequently, the combined effects of reduced charge and composition variation during leakage result in a degradation of performance.

  We select the various leakage scenarios that could occur in the heat pump system, and predict the composition change of the mixtures within the system as well as the corresponding changes in system performance. Furthermore, we propose a method to estimate the composition of the mixtures after a leakage utilizing operational data such as temperature, pressure, and mass flowrate.

혼합냉매 누출시 성분비 변화 예측

  혼합 냉매는 히트펌프 시스템에 사용될 차세대 냉매 중 하나로 거론되고 있으나, 단일 냉매와 달리 냉매 누출 시 성분비가 변하게 되는 문제가 있습니다. 따라서, 누출 시 충전량 감소와 성분비 변화가 함께 발생하게 되며, 이 2가지의 요인이 복합적으로 작용하여 시스템의 성능이 감소하게 됩니다.

  본 연구실은 히트펌프 시스템에서 발생할 수 있는 다양한 누출 시나리오를 선정하고, 각 시나리오에 대해 시스템 내 냉매의 성분비 변화와 그에 따른 시스템 성능 변화를 예측합니다. 또한, 압력, 온도, 유량과 같은 시스템 운전 정보를 이용하여 누출 후 시스템에 남아있는 혼합 냉매의 성분비를 추정하는 방법을 제시하고자 합니다. 

Thermal System Optimization of Outdoor Air Control Unit

  Outdoor Air Control (OAC) unit is a device that heats, cools, humidifies, or dehumidifies the outside air to supply the conditioned air. It is used in production processes such as semi-conductor and display etc. and is largely used in building HVAC. Recently, with increasing interest in a reduction of carbon emissions, research is being conducted to reduce HVAC energy use through waste heat recovery and system optimization.
  In this research, we construct the OAC system modeling including Waste Heat Recovery and find optimal operation condition for minimizing the total energy consumption.

폐열회수 외조기 시스템 최적화 연구

  외조기 시스템은 외기를 가열, 냉각, 가습 혹은 제습시켜 일정 온도, 습도 조건으로 공급하는 장치입니다. 이는 반도체, 디스플레이 등 생산공정 등에서 활용되며 크게는 건물 냉난방에서도 사용됩니다. 최근 탄소 배출 저감에 따라 에너지 절감에 대한 관심이 많아지면서 버려지는 폐열을 회수와 시스템 최적화를 통해서 공조 에너지 사용량을 줄이는 연구가 진행되고 있습니다.
   본 연구는 폐열회수 외조기 시스템을 모델링하고 에너지 소비를 최소화할 수 있는 운전지점을 찾는 것을 목표로 합니다.

Development of Digital Twin of VRF Systems

  The digital twin, which models a physical object in a virtual space, has gained significant interest for its applications in various areas such as system monitoring, simulation, optimization, control, and fault diagnosis.
  In our research laboratory, we are developing a digital twin for a Variable Refrigerant Flow (VRF) system in which a small number of outdoor units are connected to a large number of indoor units. We are conducting research to utilize this digital twin for outdoor unit frost prevention control and detecting insufficient refrigerant charge.

VRF 시스템의 디지털 트윈 개발

  물리적 객체를 가상 공간에 모델화한 디지털 트윈(Digital Twin)은 시스템 모니터링, 시뮬레이션, 최적화, 제어, 고장 진단 등 다양한 영역에서 활용될 수 있기에 많은 관심을 받고 있습니다.
  본 연구실에서는 소수의 실외기에 다수에 실내기가 연결된 VRF (Variable Refrigerant Flow) 시스템의 디지털 트윈을 개발하고, 이를 실외기 착상 방지 제어, 냉매 충전량 부족 탐지에 활용하는 연구를 수행하고 있습니다.

Flow Visualization of Vapor Injection

  The vapor injection cycle is a system that injects some of the saturated steam refrigerants passes the condenser into the compression process. The Schliren technique, a method of observing the refraction of light, can be used to visualized the gas phase injection process. Various characteristics of the injection process are revealed through visualized images.

  This study aims to derive an efficiency increase plan through characteristic analysis of the injection process of the vapor injection cycle.

기상 주입 과정의 유동 가시화

  기상 주입 사이클은 응축기를 지난 포화증기 냉매의 일부를 압축 과정에 주입하는 시스템입니다. 빛의 굴절을 관측하는 방법인 슐리렌 기법을 활용하여 기상주입 과정을 가시화할 수 있습니다. 인젝션 과정에서의 다양한 특성이 가시화된 이미지를 통해 드러납니다.

  본 연구에서는 기상 주입 사이클의 주입 과정의 특성 분석을 통한 효율 증대 방안 도출을 목표로 연구하고 있습니다. 

Refrigerant Charge Amount Prediction Method

  The amount of refrigerant charge greatly affects the performance of the heat pump system. Therefore, it is necessary to continuously monitor the refrigerant charge amount during the operation of the heat pump.

  The amount of refrigerant in the heat pump system is indirectly predicted by parameters measured in the system. However, it is known as a challenge to determine whether the change of measured parameters results from the refrigerant charge amount change, a variety of operating conditions or system control. This is because various parameters act in a complex manner depending on one another.

  Through this research, we propose a highly reliable refrigerant charge amount prediction method.

냉매 충전량 예측 기법 개발

  냉매 충전량은 히트펌프 시스템 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 히트펌프가 구동되는 동시에 지속적으로 시스템 내부의 냉매 충전량을 모니터링 할 필요가 있습니다. 히트펌프 시스템 내의 층전 냉매량은 시스템 내 측정 변수들을 이용하여 간접적으로 예측됩니다. 그러나 측정된 시스템 변수들이 냉매 충전량의 변화나 작동 조건의 차이, 아니면 시스템 제어로 인해 야기되었는지는 판단하기 매우 어려운데, 그 이유는 많은 시스템 변수들이 복합적으로 서로 영향을 주고 받기 때문입니다.

  우리 연구실에서는 본 연구를 통하여 높은 신뢰도를 가지는 냉매 충전량 예측 기법을 제시하고자 합니다. 

Heat Pump Heat Exchanger Frost Accumulation/Defrost Decision Algorithm

  Frost is deposited on the surface of an outdoor heat exchanger when the heat pump operates at low temperature and in a high humidity condition. This accumulated frost at the heat exchanger blocks air path and hinders heat transfer at the evaporator, which decreases system efficiency. Thus, a proper defrost determination logic is needed to carry out the defrost cycle at regular times. However, there is malfunctioning of defrost cycle including ‘Pseudo-defrosting’ and ‘Frost accumulation’ due to the imperfectness of existing defrost determination logic.

  In this study, we propose to defrost determination logic with high reliability based on signals and sensors in the heat pump.

히트펌프 열교환기 착상/제상 판단 알고리즘

  히트펌프가 저온고습조건에서 작동할 시 실외 열교환기에서는 착상현상이 발생합니다. 열교환기에 누적된 서리는 공기유입을 차단하고 증발기의 열교환을 저해하여 히트펌프의 시스템 효율을 감소시킵니다. 따라서 일정시간마다 제상운전을 수행하기 위한 적절한 제상판단 로직이 필요합니다. 그러나 기존의 제상판단로직의 경우 불완전한 정확성을 지니고 있으며, 이로인하여 가제상과 누적결빙을 비롯한 오작동이 존재합니다.

  본 연구에서는 사이클 신호정보와 착상감지센서를 기반으로 한 높은 신뢰도를 지닌 제상판단로직을 제안합니다. 

Research/Development on Steam Heat Pump

  A heat pump is a thermal system which elevates low-quality thermal energy to a higher one by means of consuming only a small amount of energy such as electricity. Thanks to that capability, the heat pump recovers waste heat from other thermal systems such as a boiler, steam turbines, and fuel cell. Consequently, it reduces total energy consumption, costs, and environmental effects.

  A steam heat pump is one of the heat pumps, which utilizes low-temperature heat sources in order to increase the temperature of the water up to around 120℃.

  We are now researching the optimization, performance improvement, and novel system configuration of the steam heat pump through various creative solutions.

스팀히트펌프 연구/개발

  히트펌프는 낮은 온도의 활용 불가능한 열을 약간의 전기에너지를 이용하여 높은 온도의 열에너지로 변환시키는 열시스템입니다. 이러한 원리를 이용하여 보일러, 발전소, 연료전지와 같은 시스템에서 배출되는 폐열을 회수, 이용할 수 있습니다. 따라서 히트펌프는 친환경, 저비용의 에너지 시스템입니다.

  스팀히트펌프는 히트펌프의 한 종류로, 저급의 열을 이용하여 약 120℃의 고온의 스팀을 발생 시킬 수 있습니다.

  우리 연구실은 이러한 스팀히트펌프의 최적화, COP 향상, 창의적인 시스템 설계를 연구하고 있습니다. 

A Low-Temperature Heat Source Organic Rankine Cycle

  An Organic Rankine Cycle (ORC) has the same system structure as existing Rankine cycles, but different working fluid. ORC uses organic mixtures as the working fluid instead of water. One of the advantages of the ORC is a lower evaporating temperature than steam power cycle. In other words, power can be generated under the medium or low-temperature condition of a heat source.

  In our laboratory, we study an ORC which uses waste heat of 60~80 ℃ generated by fuel cell as a heat source.

저온 열원 이용 유기랭킨사이클 (Organic Rankine Cycle)

  유기랭킨사이클은 기존 랭킨사이클과 동일한 구성을 갖추고 있으나, 작동 유체로 물 대신 유기혼합물을 사용하는 발전 사이클입니다. 유기랭킨사이클에서 작동유체는 증기 발전사이클 보다 낮은 온도에서 상 변화가 일어나기 때문에 중,저온의 열원으로 전력을 발생시킬 수 있는 장점이 있습니다.

  저희 연구실에서는 연료전지 작동 시 발생하는 60~80℃ 정도의 미활용 열을 열원으로 이용하는 유기랭킨사이클을 연구하고 있습니다. 

Vapor Injection Cycle

  A Vapor Injection(VI) cycle is a method of injecting a portion of saturated vapor refrigerant from a condenser into the compression process. Two different types of VI are widely known and the first is VI with an internal heat exchanger (IHX-VI) and the other is VI with a flash tank (FT-VI). The IHX-VI is characterized by exchanging heat between the main flow and the injection flow in the internal heat exchanger. IHX-VI also varies according to the position of the branch point that makes the injection flow. Meanwhile, the FT-VI separates phase in the flash tank.

  In our lab, through the study of the VI, reducing the compression work and increasing the heat exchange capacity are expected.

기상 주입 사이클 (Vapor Injection Cycle)

  증기 인젝션 사이클은 응축기를 지난 포화증기 냉매의 일부를 압축 과정에 주입하는 시스템입니다. 증기 인젝션 사이클의 종류는 크게 주 흐름과 인젝션 흐름을 내부 열 교환하는 방식과 상 분리기를 사용하는 방식으로 나뉩니다. 내부 열 교환 방식은 또한 인젝션 흐름을 만드는 분기점의 위치에 따라 사이클이 다양하게 나뉩니다.

  본 연구실에서는 증기 인젝션 사이클의 압축일 감소와 열교환량의 증가를 궁극적인 목표로 연구 하고 있습니다. 

Supercritical CO2 Cycle

  When carbon dioxide is beyond the critical point, it is called supercritical carbon dioxide(S-CO2). In the supercritical region, its density is similar to a liquid state and its viscosity is like gas state. Therefore, if it is used in a power cycle as a working fluid, compression work dramatically decreases. Consequently, the cycle can achieve higher thermal efficiency and cycle component size could be reduced. Also because of low critical temperature and better compatibility with other materials in the high temperature, the S-CO2 cycle could be applied to various heat sources.

  In our lab, the performance analysis of the S-CO2 cycle is being conducted. The required conditions of cycle components are also being studied in order to commercialize this cycle, at the same time.

초임계 이산화탄소 발전 사이클

  이산화탄소가 임계점을 넘어가면 초임계이산화탄소(S-CO2)가 됩니다. 초임계상태는 액체와 기체의 중간 상태이며, 이 때 이산화탄소의 밀도는 액체와 유사하고, 점성은 기체와 유사합니다. 이러한 특성 때문에 S-CO2를 발전 사이클의 작동유체로 사용하면, 압축일이 줄어들게 되며 따라서 사이클의 효율이 증가하고 작은 밀도로 인해 사이클 구성요소의 소형화가 가능합니다. 또한 낮은 임계온도와 높은 온도에서 S-CO2와 다른 재료의 양립성 덕분에 다양한 열원에 대한 적용이 가능합니다.

   우리 연구실에서는 S-CO2 사이클의 성능 분석과 함께 이 사이클의 상용화를 위해 요구되는 구성 요소의 성능에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 

Natural Refrigerant Cycle

  As global warming and environmental problems from the destruction of the ozone layer are intensifying, worldwide political restrictions on CFC, HCFC, and even HFC refrigerants are getting more fierce. Specifically, developed countries have already started to reduce their use of HFC refrigerants, while the Kigali Amendment Protocol came into effect on January 1, 2019.

  Natural refrigerants are used in the first vapor compression refrigeration systems and they have been replaced by synthetic refrigerants such as CFC due to their safety issues such as flammability and toxicity. However, due to the recent changes in policies and regulations, the demand for natural refrigerants with very low global warming potential (GWP) and ozone depletion potential (ODP) is increasing in the refrigerant industry.

  Therefore, we are conducting researches on the performance improvement of the refrigeration heat pump system by using natural refrigerant. In particular, the uniform temperature difference in a heat exchanger using hydrocarbon mixed refrigerant and CO2 supercritical refrigeration cycle using ejector are studied.

자연냉매 이용 사이클

  지구 온난화 및 오존층 파괴로 인한 환경 문제가 심화됨에 따라 CFC계 냉매, HCFC계 냉매에 이어 HFC계 냉매에 대한 규제가 심화되고 있습니다. 특히 2019년 1월 1일부로 키갈리 개정의정서가 발효됨에 따라 선진국 등에서는 이미 HFC 냉매에 대한 사용량 감축이 시작된 상황입니다.

  최초의 증기 압축 냉동 시스템에서 사용되던 자연냉매는 가연성 및 독성 문제로 인해 CFC 등의 합성냉매로 대체되어 왔습니다. 그러나 환경 정책 및 규제 변화에 의해 최근 냉매 산업에서는 GWP (global warming potential) 및 ODP (ozone depletion potential)가 매우 낮은 자연냉매에 대한 수요가 증가하고 있는 추세입니다.

  따라서 본 연구실에서는 자연냉매를 이용한 냉동 시스템 및 히트펌프의 성능 향상 연구를 진행하고 있습니다. 특히 탄화수소 혼합냉매를 이용한 균일한 열교환 온도차, 이젝터를 적용한 CO2 초임계 냉동 사이클 등이 연구되고 있습니다. 

Electric Vehicle Heat Pump Using Natural Refrigerants

  When using a heat pump for heating in electric vehicles, it provides better efficiency compared to using a heater, contributing to an improvement in driving range. According to refrigerant regulations, the refrigerant used in the heat pump for mobile air conditioning system must have a global warming potential of less than 150. There is also regulation on PFAS, increasing the importance of research on electric vehicle heat pumps using natural refrigerants.

  Carbon dioxide and propane are particularly mentioned as major refrigerant candidates. However, carbon dioxide heat pumps have relativelypoor cooling performance and operate at high pressures. For propane, caution is required due to its high flammability. We are working on various cycles with the goal of utilizing natural refrigerants such as carbon dioxide and propane in electric vehicle heat pumps. The aim is to overcome the disadvantages of each refrigerant and improve overall performance.

  Additionally, we are conducting a comprehensive analysis of the entire vehicle thermal energy system, integrating with the battery and other electrical components' cooling circuits. We are researching efficient thermal management methods for the vehicle as a whole.

자연냉매를 이용한 전기자동차 히트펌프

  전기자동차 난방에 히트펌프를 사용할 경우 히터를 사용하는 것에 비해 효율이 좋아 주행거리 향상에 도움이 됩니다. 냉매 규제에 따라 차량용 히트펌프에 사용되는 냉매는 지구온난화 지수가 150 미만이어야 하며, 유럽에서는 PFAS 규제도 시행하고 있기 때문에 자연냉매를 활용한 전기자동차 히트펌프 연구의 중요성이 증가하고 있습니다.

  특히 이산화탄소와 프로판이 주요 냉매 후보로서 거론되고 있습니다. 하지만, 이산화탄소 히트펌프는 상대적으로 냉방 성능이 부족하며 고압에서 작동하고, 프로판의 경우 높은 가연성으로 인해 사용 시 유의해야 합니다.

  본 연구실에서는 이산화탄소, 프로판 등 자연냉매를 활용한 전기자동차 히트펌프에 대해, 각 냉매의 단점을 보완하고 성능을 향상시키는 것을 목표로 다양한 사이클을 구상하여 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 배터리 및 전장품 측의 냉각수 회로와 연계하여 차량 전체 열에너지시스템을 다각적으로 분석하고, 효율적인 열관리 방법에 대해 연구하고 있습니다.