R455A 냉매 및 PVE 오일 혼합물의 냉동시스템 흡입관 내 잔류량에 관한 연구 = A study on oil retention characteristics of R455A and PVE oil mixture in suction line of vapor compression system

국문 초록 (Abstract)

냉동시스템에서 오일은 압축기의 마모 및 마찰을 줄이고, 미세 간극을 밀봉하는 효과를 제공하여 냉매 누출 방지 역할을 한다. 그러나 오일은 압축기 내부에만 머무르지 않고 냉매와 함께 냉동시스템을 순환하며, 이 과정에서 윤활유의 일부는 시스템의 각 부품 내 잔류하게 된다. 특히 가변 냉매 유량 제어시스템(Variable Refrigerant Flow, VRF) 및 다수의 유닛쿨러가 설치된 멀티 스플릿 시스템에서, 부하가 낮거나 일부 실내기만 가동되는 조건일 때, 흡입관 내 유량이 매우 적어, 오일이 장시간 잔류할 수 있다. 이러한 현상은 압축기로 회수되는 윤활유의 양을 감소시켜 압축기 부품의 마모를 발생시키고, 심한 경우 압축기 손상을 일으킬 수 있다. 최근, 환경 규제의 강화로 Low-GWP(Global Warming Potential) 냉매의 적용이 필수 과제로 떠오르는 상황에서 친환경 냉매 및 오일 조합에 따른 냉동시스템의 오일 회수 특성에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 R404A의 대체냉매인 R455A와 PVE(Polyvinyl Ether) 오일을 적용한 냉동시스템을 대상으로 흡입관 내 오일 잔류량 특성에 관한 연구를 수행하였다. 우선, 내경 16.9 mm 흡입관에서 냉매 질량 유속과 OCR에 따른 단위길이당 오일 잔류량 및 압력강하 측정 실험을 수행하였다. 오일 잔류량은 냉매 질량 유속의 증가 및 OCR 감소에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 압력강하는 질량 유속과 OCR에 비례하여 증가하였다. 본 연구에서 측정한 단위길이당 오일 잔류량은 수평 흡입관에서 7.9-21.3 g/m, 수직 흡입관에서 11.7-27 g/m로 기존 연구 대비 1.25-2배, 압력강하는 2-3배 높게 나타났으며, 이는 냉매/오일 조합과 온도 조건 차이에 따른 물성 변화의 영향으로 분석되었다.
유동 가시화 실험을 통해 유동 특성을 관찰한 결과, 수평 흡입관에서는 층화(Stratified), 파형(Wavy), 환형(Annular) 흐름의 세 가지 유동 패턴이 나타났다. OCR 3-5% 조건에서는 약 50-61 kg/m²s, OCR 1% 조건에서는 약 80 kg/m²s의 냉매 질량 유속 조건에서 환형 흐름으로 천이됨을 확인하였으며, 이는 기존 연구 대비 더 낮은 질량 유속 영역으로 나타났다. 이러한 현상은 R455A/PVE56 혼합물의 물성치 및 온도 조건의 변화로 인하여, 점도 및 표면장력이 기존 시스템보다 높기 때문으로 분석되었다. 수직 흡입관에서는 모든 조건에서 환형 흐름이 나타났으며, 오일이 냉매 흐름의 반대로 역류하는 오일 역전 현상(Oil reversal flow)은 임계 냉매 유속(Critical mass flux)인 Jacobs limit(28.3 kg/m²s) 대비 다소 높은 영역에서(50 kg/m²s) 발생했다. 반면 60 kg/m²s 이상의 조건에서는 환형 흐름이 안정적으로 유지되었으며, 질량 유속 증가에 따라 액막 두께가 얇아지고 고리형 파동의 간격이 줄어드는 것을 관측했다.
마지막으로, 실험 결과를 기반으로 흡입관 내 오일 잔류량과 압력강하를 예측하기 위한 공극률 기반 모델(Empirical void fraction model)을 개발하였다. 제안된 모델은 본 연구의 실험 조건에서 높은 예측 정확도를 보였다. 오일 잔류량 예측 모델의 MAPE는 수평관 10.57 %, 수직관 3.75 %이며, 압력강하 예측 모델의 MAPE는 수평관 12.83 %, 수직관 7.12 %로 매우 우수한 성능을 확인하였다. 개발된 모델은 영하 20 ℃의 증발온도(포화 압력: 230 kPa)와 흡입관 내경 16.9 mm 조건에서 적용이 가능하며, 실험 범위(수평관 39.7-145.4 kg/m²s, OCR 1-5 %; 수직관 78.1-148.5 kg/m²s, OCR 1-5 %)에서 높은 신뢰성을 보였다.
본 연구에서는 R455A 냉매 및 PVE 합성유를 적용한 냉동시스템의 흡입관 내 오일 잔류 특성을 실험적으로 연구하였으며, 실험 데이터 기반 예측 모델을 제시함으로써 친환경 냉매 적용 시스템의 안정성과 신뢰성 향상에 기여될 것으로 기대된다. 아울러 탄소 저감을 위하여 친환경 냉매로의 전환이 이루어지는 만큼, 보다 다양한 조건 및 친환경 냉매와 윤활유 조합에서의 오일 잔류 특성에 관한 연구가 수행될 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Oil in refrigeration systems reduces wear and friction inside the compressor by lubricating and helps seal small clearances, preventing refrigerant leakage. However, the oil does not remain only in the compressor; it circulates throughout the system together with the refrigerant, and part of it stays in components of the system. This issue becomes more serious in variable refrigerant flow(VRF) and multi-split systems with several unit coolers. Under low-load conditions, or when only a few indoor units operate, refrigerant flow in the suction line becomes very small, causing the oil to remain in the pipe for a long time. As a result, less lubricant returns to the compressor, potentially leading to compressor wear and even failure. With environmental regulations, low-GWP refrigerants are becoming essential, a fundamental understanding of oil return characteristics for eco-friendly refrigerant and oil combinations has become essential.
This study investigates oil retention in a refrigeration system using R455A, a replacement for R404A, and PVE56(Polyvinyl Ether) oil. Experiments were conducted to measure oil retention per unit length and pressure drop in a suction pipe with a 16.9 mm inner diameter, while changing refrigerant mass flux and oil circulation ratio(OCR). Oil retention decreased with higher mass flux and lower OCR, while pressure drop increased with both mass flux and OCR. The measured oil retention ranged from 7.9 to 21.3 g/m in the horizontal suction line and 11.7 to 27 g/m in the vertical suction line, which are about 1.25-2 times higher than values reported in previous studies. The pressure drop was also 2-3 times higher. These differences were attributed to changes in refrigerant/oil mixture’s properties caused by the new refrigerant and oil pair and lower operating temperatures.
Flow visualization showed three flow patterns in the horizontal suction line: stratified, wavy, and annular flows. Annular flow occurred at about 50-60 kg/m²s for OCR 3-5 % and at about 80 kg/m²s for OCR 1 %. These transition points appear at lower mass flux ranges than in previous studies. This phenomena is explained by the higher viscosity and surface tension of the R455A/PVE56 mixture. In the vertical suction line, annular flow was observed under all conditions. Oil reversal flow, where the oil layer moves against the refrigerant flow direction, occurred at around 50 kg/m²s, which is higher than the critical mass flux known as the Jacobs limit(28.3 kg/m²s). Above 60 kg/m²s, annular flow became stable, and as mass flux increased, the liquid film became thinner and ring-shaped waves appeared closer together.
Based on these results, an empirical void-fraction model was developed to predict oil retention and pressure drop in the suction line. The proposed model showed high prediction accuracy under the tested conditions. The mean absolute percentage error(MAPE) for oil retention was 10.57 % for the horizontal pipe and 3.75 % for the vertical pipe, and the MAPE for pressure drop was 12.83 % and 7.12 %, respectively. The model is applicable to systems operating at -20 °C of evaporation temperature(Saturation pressure: 230 kPa) with a suction line diameter of 16.9 mm. It also showed high reliability within the experimental ranges of refrigerant mass flux and OCR(horizontal: 39.7-145.4 kg/m²s, OCR 1-5 %; vertical: 78.1-148.5 kg/m²s, OCR 1-5 %).
Overall, this study experimentally evaluates oil retention in a refrigeration system using a Low-GWP refrigerant and PVE oil, and proposes a reliable prediction model. These findings can contribute to the stability and reliability of refrigeration systems adopting environmentally friendly refrigerants. Further research covering a wider range of operating conditions and different refrigerant and oil combinations for next generation refrigeration system is needed as the industry increasingly transitions toward Low-GWP refrigerants for carbon neutral.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1.연구배경 1
• 1.2.연구동기 3
• 1.3.연구목적 및 내용 4
• 제2장 문헌 고찰 5
• 2.1 임계 냉매 질량 유속(Critical mass flux) 5
• 2.2 흡입관 내 오일 잔류량 측정방법 6
• 2.2.1. Oil Injection-Extraction Method 6
• 2.2.2. Remove and Weight Technique(RWT) 7
• 2.3 흡입관 내 오일 잔류량 측정 실험 10
• 2.4 흡입관 내 오일 잔류량 예측 모델 12
• 제3장 냉동기 흡입관 내 오일 잔류량 측정 실험 15
• 3.1.실험 장치 15
• 3.1.1. 냉매 순환부 15
• 3.1.2. 오일 순환부 16
• 3.1.3. 테스트 섹션 및 계측기기 17
• 3.1.4. 유동 가시화 테스트 섹션 17
• 3.2. 실험 조건 28
• 3.3. 실험 과정 29
• 3.3.1 R455A/PVE56 혼합물 물성치 29
• 3.3.2 데이터 취득 31
• 3.4. 불확도 분석 37
• 제4장 실험 결과 및 모델링 38
• 4.1. 흡입관 내 오일 잔류량 및 압력강하 38
• 4.1.1 수평 흡입관 38
• 4.1.2 수직 흡입관 40
• 4.1.3 결과 분석 및 비교 42
• 4.2. 유동 가시화 47
• 4.2.1 수평 흡입관 47
• 4.2.2 수직 흡입관 48
• 4.3 오일 잔류량 예측 모델 52
• 4.3.1 Empirical void fraction model 52
• 4.3.2 모델 검증 53
• 제5장 결론 56
• 참고문헌 58
• Abstract 62