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터보 냉동기(Centrifugal Chiller) 성능과 저-GWP 냉매 사용 히트펌프 개발

관리자
2019-04-01 12:54
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Ryosuke Suemitsu, 일본 미쓰비시중공업서멀시스템즈


지구온난화 방지를 위한 규제 가중으로 HFC 제조사가 점점 더 많은 규제를 받고 있다. 공기조화 및 냉장 설비용으로 저-GWP 냉매가 필요하다. 우리는 1055~17581kW 용량에 저-GWP 냉매 R-1234ze[E]를 사용하는 터보 냉동기와 용량 527~2461kW에 R-1233zd(E)를 사용하는 터보 냉동기를 개발하여 상용화하였다. 또한 저-GWP 냉매를 이용해 200°C 고압 고온수를 생산할 수 있는 성능계수(COP) 3.5의 터보 히트펌프 장치도 개발했다.


서론

2015년 12월, 기후변화에 대한 기본협약(COP21) 유엔당사국 총회 제21차 세션에서 파리협정(Paris Agreement)을 채택하고, 이에 따라 모든 국가가 5년마다 자체 감축 목표를 갱신하고 제출해야 한다. 나아가, 2016년 10월에는 몬트리올 의정서 키갈리 개정안(Kigali Amendment)이 비준되어 조인국은 의무적으로 수소화불화탄소(HFC)의 생산을 억제하고, 그 소비도 점차 줄여야 한다. 냉장 및 공조 시설의 경우, 이러한 기체의 환경 영향을 줄이기 위해 유럽에서는 불화계 온실가스에 관한 규정 (EU) No 517/2014 (F-가스 규정), 일본에서는 CFC 및 HFC의 합리적 이용과 적절한 관리에 관한 법이 입안되었다.

R-134a나 R-245fa 처럼 GWP가 높은 HFC 냉매는 새로운 종류의 저-GWP 냉매가 그 자리를 대체하고 있다. 우리는 R-134a를 터보 냉동기와 히트펌프의 냉매로 사용하였으므로, 공기조화 및 냉장 설비를 저-GWP 냉매로 전환할 필요가 있다. 저-GWP 냉매가 냉장 및 공조 설비에 적합한지 알아보기 위해서는 물성, 안정성, 독성, 인화성, 가용성 같은 여러 측면을 확인해야 한다. 냉매 선택은 용량, 압축기 종류, 작동 온도, 냉장/공조 설비의 그 밖의 조건에 달려 있으며, 대안 냉매는 다음과 같은 특징을 지니고 있어야 한다.

• 환경적 요소 : 비-오존층파괴물질, GWP≤100

• 물성 : 주기 효율성이 HFC 냉매와 대등. 설계상 압력이 지나치게 높지 않아야 함.

• 낮은 독성, 인화성이 아예 없거나 약함

• 가용성 : 저-GWP 냉매는 냉장/공조 설비 이외의 곳에도 쓰임새가 있으므로 적절한 생산 수준과 비용 효율을 갖추어야 한다.

다양한 이중결합 올레핀 냉매를 고려해 보았다.<표 1>은 HFC와 올레핀 냉매 비교표이다. 올레핀 냉매의 GWP는 0~2이고 주기 효율성은 HFC 냉매 수준이다.

저-GWP 냉매를 이용하는 터보 냉동기 설계 현재는 R-134a를 터보 냉동기용 냉매로 사용한다. 냉매 R-1234ze(E)는 약인화성 물질이고, R-1233zd(E)는 인화성이 없으며, 둘 다 독성이 낮다. R-1234ze(E)와 R-1233zd(E)는 발포제와 에어로졸에 사용할 수 있어 가용성과 비용효과가 좋고,R-1234ze(E)의 물성은 R-134a와 비슷하다. 따라서R-1234ze(E)를 1055~17581kW 정도의 대용량 시스템용 냉매로 선택하였다.

R-1233zd(E)는 주기 성능이 R-134a나 <표 1>에 제시한 다른 올레핀보다 훨씬 좋고, 물성은 R-245fa와 비슷하다. 그러나 기체의 비체적은 R-134a보다 약 다섯배 가량 높아 압축기, 증발기, 응축기의 수용 부피를 더 높여야 한다. 보다 선진적이고 작은 냉각기를 설계한다면, R-1233zd(E) 터보 냉동기로 대체할 수 있을 것이다.


중략




월간 히트펌프공조 2019년 4월호 Global Tech 게재

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