A Study on the Carbon Dioxide Cycle Using a Two-Phase Ejector Considering the Effect of Lubricant Oil

Abstract

전세계적으로 환경규제가 강화됨에 따라, HCFC와 HFC와 같은 기존의 냉매는 높은 지구온난화지수로 인해 냉매 시장에서 퇴출되고 있다. 이에 비해 자연 냉매의 경우 지구온난화지수 및 오존층파괴지수가 매우 낮아 환경에 미치는 영향이 적다. 이 중 이산화탄소의 경우 초임계상태에서 열전달계수가 높아 대체 냉매로 적용되었으나, 그 작동 압력이 높기 때문에 압축일이 커 COP가 낮다. 따라서 이산화탄소 사이클에는 압축일을 줄이기 위한 추가적인 장치가 필요하다. 이 중, 본 학위논문에서는 2상 이젝터를 이용한 이산화탄소 사이클에 대해 연구를 수행했으며, 특히 윤활유의 순환 비율이 이젝터의 유동 및 전체 사이클에 미치는 영향을 분석했다. 압축기가 포함된 증기압축 사이클에서 압축기의 윤활은 필수적이며, 이 윤활유는 냉매와 함께 사이클로 토출된다. 이 오일 순환 비율은 이젝터 내부 유동, 특히 이젝터의 질량 유량을 결정하는데 큰 영향을 끼친다. 오일의 영향을 고려한 시뮬레이션 결과, 기존의 오일을 고려하지 않은 이젝터 해석에 비해 크게는 13.6% 더 낮은 질량 유량이 예측되었으며, 이는 실험 연구를 통해 검증되었다. 또한 윤활유의 영향을 고려하여 이젝터 내부의 유동을 해석하기 위하여 2상 이젝터 전체에 대한 분석을 수행하였다. 앞 장에서는 2상 이젝터의 converging-diverging 노즐에 초점을 맞춘 시뮬레이션 연구를 수행하였고, 이를 확장하여 2상 이젝터 전체에 대한 윤활유의 영향을 연구했다. 다양한 노즐 직경에서 OCR을 변화시켜가며 시뮬레이션 및 실험 연구를 수행했으며, 이를 통해 2상 이젝터 해석에 OCR을 고려하는 것이 필수적임을 알 수 있었다. 이산화탄소 사이클의 이젝터는 converging-diverging 노즐을 사용하여 증발기 측에 흡입 유량을 생성하고, 혼합된 두 유동은 압축기 입구에서의 압력을 증가시켜 압축일을 낮춰, 결과적으로 사이클의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다. 주 유동의 질량 유량에 대한 흡입 유동의 질량 유량을 유인비라고 하며, 이 유인비가 높을수록 냉방 용량이 커진다. 그러나 동시에 이젝터 출구 압력은 감소하며, 이는 압축기 작동에 해로운 영향을 미친다. 따라서 이젝터가 사이클에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 전체 사이클에 대한 분석과 실험 연구가 필요하다. 본 연구를 통해 윤활유의 영향을 고려한 새로운 2상 이젝터 분석법을 제안할 수 있었으며, 나아가 이젝터를 활용한 이산화탄소 사이클의 분석 및 설계에 본 연구가 도움이 될 것으로 기대된다.

Traditional refrigerants such as HCFC and HFC contribute significantly to global warming. Natural refrigerants, on the other hand, have a low global warming potential (GWP) and no ozone depletion potential (ODP), which are important characteristics. Carbon dioxide is one among them, and it's employed as an alternative natural refrigerant because of its good heat transfer efficiency in a supercritical form, but its coefficient of performance (COP) is low due to the heavy compressor work it requires. For carbon dioxide cycles, extra components such as ejectors are employed to reduce compressor work. A research of two-phase ejectors is undertaken in this thesis. Ejector analysis is done in particular with the influence of lubrication oil in consideration. Lubrication is necessary in a compressor cycle, and this lubricating oil is discharged into the system via the compressor. The oil circulation ratio (OCR) in the refrigerant and oil combination interacts with the flow of the ejector nozzle throat and affects the ejector mass flow rate. As a result of the simulation, considering the effect of oil, a lower mass flow rate was predicted compared to the existing analysis. Compared to previous studies without considering oil, there was an average mass flow rate difference of 13.6%. In addition, this was validated through experiments. In addition, a two-phase ejector analysis was performed to calculate the flow inside the ejector while taking into account the influence of lubricant. In the preceding chapter, simulation studies focusing on the converging-diverging nozzle of the two-phase ejector were carried out and tested. Simulation and experimental studies were conducted by varying OCR at various nozzle diameters, indicating that it is essential to consider OCR for two-phase ejector analysis. The ejector in the carbon dioxide cycle uses a converging-diverging nozzle to create a suction flow on the evaporator side, and the mixing flow raises the pressure at the compressor inlet, lowering compressor work. As a result, the overall efficiency of the cycle can be improved. The mass flow rate of the suction flow relative to the mass flow rate of the main flow is called the attraction ratio, and the higher the attraction ratio, the greater the cooling capacity. However, at the same time, diffuser pressure is reduced, as it was in the prior ejector research, which has a detrimental influence on compressor operation. Analysis and experimental studies on the entire cycle are required to determine the effect of the ejector on the cycle. As a consequence of this research, I suggest a two-phase ejector analysis approach that takes into account the influence of lubricant, and I expect that this would aid in the analysis and design of the carbon dioxide cycle utilizing ejector.