초월 임계(transcritical) CO2(R744) 냉동 사이클
이 예제에서는 사이클의 고압 구간이 초임계(supercritical) 유체 영역에서 작동하는 증기 압축 냉동 사이클을 모델링합니다. 냉매는 이산화탄소(CO2)이며, 이 예제에서는 R744라고도 합니다.
압축기는 사이클을 따라 CO2를 흐르게 하여 압력을 임계 압력 이상으로 높입니다. 기체 냉각기는 고압 CO2의 열을 외부 환경으로 방출합니다. CO2는 초임계(supercritical) 상태이므로 응축되지 않고 온도가 낮아집니다. 팽창 밸브는 압력을 낮추어 일부 CO2를 기화시킵니다. 2상 혼합물은 증발기를 통과하면서, 과열 상태가 될 때까지 해당 공간으로부터 열을 흡수합니다. 내부 열 교환기는 사이클의 고온 측과 저온 측 사이에서 일부 열을 전달하여 사이클 효율을 향상시킵니다.
모델
Compartment 서브시스템
Compressor 서브시스템
Controller 서브시스템
Evaporator 서브시스템
Expansion Valve 서브시스템
Gas Cooler 서브시스템
Internal Heat Exchanger 서브시스템
스코프의 시뮬레이션 결과
Simscape 기록의 시뮬레이션 결과
다음 플롯은 사이클 내 질량 유량, 등엔트로피 압축기 파워 입력, 열 유량을 보여줍니다. Gas Cooler와 Evaporator 열 유량은 사이클의 열 방출과 열 흡수를 나타내는 반면, IHX 열 유량은 내부 열 교환기를 통한 사이클 내부에서의 열 전달을 나타냅니다.
다음 플롯은 사이클의 여러 다른 지점에서의 압력과 온도를 보여줍니다. 증발기 압력은 약 3.5MPa로 유지되며, 기체 냉각기 압력은 약 10MPa로서 CO2(R744)의 임계 압력인 7.4MPa보다 높습니다. 따라서 이는 초월 임계(transcritical) 냉동 사이클입니다. 기체 냉각기 압력은 환경의 온도 변화에 따라 달라집니다. 환경의 온도가 낮아지면 기체 냉각기 압력은 아임계(subcritical) 압력까지 떨어질 수 있습니다.
2상 혼합물이 증발기에 들어가므로 증발기 입구 온도 T5는 포화 온도와 같습니다. 따라서 T6 - T5는 증발기의 과열 상태를 나타내며, 이는 팽창 밸브에 의해 제어됩니다.
다음 플롯은 다양한 샤프트 속도에서의 압축기 압력 대 유동 곡선을 보여줍니다. 회전 샤프트는 여기에 모델링되지 않았으며, 필요한 유량을 생성하기 위해 제어기가 샤프트 속도를 직접 설정합니다.
Simscape 기록 결과 애니메이션
아래 그림은 초월 임계(transcritical) 냉동 사이클의 유체 상태가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 보여줍니다. 냉동 사이클의 6개 지점은 압축기 입구, 응축기 입구, 내부 열 교환기 고온 측 입구, 팽창 밸브 입구, 증발기 입구, 내부 열 교환기 저온 측 입구이며, 모델에서 센서 S1~S6으로 측정됩니다. 이러한 측정값이 압력-엔탈피 다이어그램에 플로팅되어 있습니다. 등고선은 CO2(R744)의 등온선입니다.
유체 물성
다음 두 그림은 CO2(R744)의 유체 물성을 압력(p)과 정규화된 내부 에너지(unorm)의 함수로, 그리고 압력(p)과 비내부에너지(u)의 함수로 각각 나타낸 것입니다. 유체 상태는 다음과 같습니다.
-1 <= unorm < 0일 때 과냉 액체
0 <= unorm <= 1일 때 2상 혼합물
1 <= unorm <= 2일 때 과열 증기
유체 물성 데이터는 p와 unorm으로 구성된 사각 그리드로 제공됩니다. 따라서 p와 u를 기준으로 하는 그리드는 사각이 아닙니다.
CO2(R744) 유체 물성 데이터는 CO2PropertyTables.mat에서 확인할 수 있습니다.
