알콜계냉매를 이용한 흡수식 히트펌프의 기술동향(2004년 2월)

알콜계 냉매를 이용한 흡수식 히트펌프의 기술동향

전문연구위원 차성기

1. 기술의 개요

냉동공조에 쓰이는 냉매에는 할로겐화 탄화수소(프레온)계, 무기화합물계, 탄화수소계 등이 있으며, 할로겐화 탄화수소계 냉매로서 많이 쓰이고 있는 CFC류는 오존파괴계수(ODP)가 높아서 대체냉매인 HCFC 또는 HFC로 바뀌고 있고, 무기화합물계로는 오존파괴계수가 낮은 암모니아(R717)나 물(R718)등이 쓰이며, 탄화수소계는 이소부탄(R600a) 등이 보급되고 있다.유기화합물계 냉매로서 알콜계 냉매에 대하여 소개한다.

２. 기술의 내용

□ 냉매의 분류와 냉동 사이클

○ 증기 압축식 냉동 사이클

에어콘이나 냉장고 등 가전기기에 적용되며, 증발기, 응축기, 팽창발브, 압축기로 구성되어 있다.

이 가운데 압축기는 냉매증기를 압축시키므로 보통 전기모터로 구동되어 전기소비량이 많아지는 단점이 있는데, 최근엔 전기모터대신 가스엔진을 사용하여 압축기를 구동시키는 가스엔진 히트펌프(GHP)가 보급되고 있다.

○ 흡수식 냉동사이클

증발된 냉매를 용액에 흡수시켜서 이 용액을 승압시키므로, 압축기 대신 용액 펌프를 사용하여 같은 양의 냉매를 승압시키는데 전기 소비량이 적어지는 장점이 있다.

대신 증발기, 흡수기, 응축기, 발생기 등 구성기기가 많아져서 가정용 소형기기에는 적합치 않고 폐열을 이용하는 이점이 커서 폐열 발생이 많은 공장 등은 흡수식 냉동기를 사용하고 있다.

○ 알콜계 냉매

알콜계 냉매는 주로 흡수식 냉동사이클에 사용되며, 냉매 외에 흡수제도 필요하게 되는데, 냉매별로 적합한 흡수제가 분류되어 있다.냉매와 흡수제의 조합은 작동온도 및 압력에서 상변화가 없어야 하고, 비점 차이가 커야 하며, 점성계수가 작고 열전도율은 커야 하며, 안정적이어야 하는 등의 기준이 있다.

예로서 냉매가 물인 경우 흡수제로는 리듐브로마이드(LiBr)이 많이 쓰이고 있는데, 오피스, 호텔 등 대형시설에 많이 보급되어 있으나 0℃ 이하의 냉동은 안 되므로, 암모니아계 냉매를 쓰는데 이 때는 물을 흡수제로 하여 식품공장 등에 많이 사용하고 있으나 이 역시 암모니아의 독성이나 가연성 그리고 압력이 높은 문제가 있다.

□ 알콜계 냉매

보통 메타놀(CH₃OH), 에타놀(C₂H₅OH)이 있으며 TFE(트리플로로에타놀:CF₃CH₂OH)는 연구개발 중으로, 알콜계 냉매는 R22에 비해서 증발잠열이 크고 대기압 이하에서도 사용 가능함으로 고압가스 관련법에 저촉되지 않으나, 독성 및 가연성에 대한 대책이 필요하다.

대표적인 흡수 사이클로서 암모니아-물(NH₃- H₂O)계는 주로 유럽이나 미주를 중심으로 널리 보급되어 있고, 물-리듐브로마이드(H₂O -LiBr)계는 일본을 중심으로 대형이고 부하변동이 작은 빌딩 호텔 공조에 사용되고 있으며 TFE-NMP계는 연구개발 중이다.

작동 압력 순으로 보면 암모니아-물계가 가장 높고(5~15KPa), 다음TFE-NMP계(4~20KPa), 물-리듐브로마이드(1~7KPa)로 낮아진다.

암모니아-물계는 프레온계 냉매이용 증기압축식 냉동사이클과 비슷한 압력 대에서 사용하므로 고압가스 관련법에 의한 규제가 없고, 물-리듐브로마이드 계는 대기압 아래여서 대형화에 유리하지만 0℃ 이하의 히트펌프 운전이 안 되고 흡수제 때문에 사용 온도 범위가 좁다.TFE-NMP계는 대기압 이하이나 0℃이하 저온 운전도 가능하며 결정석출 우려도 없으나, 가연성, 독성, 안정성 등에 대한 연구가 필요하다.

□ 연구 개발 동향

○ TFE계

TFE계 냉매를 이용한 연구에는 흡수제로서 NMP(N메틸2필로리돈;C₅H₉NO)를 사용한 경우가 많으며, DMI(디메틸2이미다솔리틴)를 사용한 경우도 있다.

TFE-NMP계의 연구 사례는,

(1) 냉매 흡수제의 선정 및 열물성차 평가

(2) 시물레이션에 의한 사이클 성능 계산

(3) 흡수제의 열전달 및 물질이동 특성의 파악

(4) 흡수 사이클 이용법 검토로서 이하 사례를 소개한다.

TFE-DMI계의 연구 사례로는 상기 (1)과 (3)이 있다.

1) 흡수식 냉동기의 개발

TFE-NMP계의 냉매 흡수제를 이용한 50kw급의 흡수식 냉동기를 개발했던 바, 열원은 140℃의 온수를 사용하고 130kw(실험치는120kw)의 열 입력을 하여 냉동능력 52kw(실험치는 51.6kw)와브라인 온도 -7℃를 얻었다.

2) 광범위한 농도 이용

기존 흡수식 냉동기의 구성기기에 냉매용 버퍼(Buffer)탱크를 추가하여 냉동기 내의 작동 매체(TFE-NMP계)의 농도를 크게 변화시켜서 (50~20mass%), 여러 온도영역에서 이용 기능한 흡수식냉동기도 개발 되었다.

3) 정류

흡수사이클 내에 정류기를 설치하여 봉입용액농도(TFE-NMP계)를 0.3~0.6까지 변화시켜서, 정류기 내부 용액이나 증기의 온도,압력을 계측해서 정류기 내의 증기농도 분포 등을 조사 시험하였다.

4) TFE-DMI계

TFE의 흡수제로서 NMP보다 비등점이 약 20℃ 높은 DMI를 사용 테스트 했던 바, NMP 경우보다 약 20%의 냉동출력 향상을얻었다.

○ 메타놀계 , 에타놀계

용액의 선정, 열물성치 검토, 사이클 시뮬레이션에 의한 성능평가 등을 하고 있으나, 아직 TFE계만큼 연구 개발이 활발하지 않다.

３. 결론

알콜계 냉매를 사용하는 냉동기나 히트펌프는 현재의 물-리듐브로마이드계나, 암모니아-물계 냉동기에서의 결점을 보완하기 위해 등장했으며 이 가운데 TFE계를 중심으로 실용화를 위한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있으나, 좀더 성능이나 효율에 대한 연구개선이 필요 하고 동시에 다양한 이용분야에 대해 모색할 필요가 있다.

◃전문가 제언▹

우리나라는 물을 냉매로 하는 흡수식 공기조화장치 경우, 운전압력이 높지않아서 일찍이 상용화 되어 대형건물의 냉난방용으로 많이 보급되어 왔다.

그러나, 물을 사용하는 한계 때문에 냉매특성상 냉동분야에 적용할 수 없었고 이에 따라 암모니아를 냉매로 하려는 시도가 여러 번 있어왔다.

최근에야 이러한 암모니아를 냉매로 사용하는 흡수식 냉동시스템이 개발되어 상용화가 시작되고 있어, 선진국과는 기술적 격차를 보이고 있다.이는 기후변동조약에서 우리나라는 개도국으로서 유예되어 다소의 여유를 가지게 된 원인도 있으나, 근본적으로 연구개발 기반부족에 의한 바도 크다고 본다.

하지만 냉동공조부문에서 내수를 떠나 수출산업화하려면, 선진국의 각종 환경관련 규제치를 기술적으로 만족시켜야 하므로 업계에서도 계속 관심을 가지고 추진해 오고 있는 것으로 안다.

대체냉매의 하나로서 이산화탄소를 이용한 냉동기 경우, 2011년까지 개발 상용화하려는 중장기계획을 가지고 있으나, 유기화합물계인 알콜계 냉매이용 냉동기는 학계에서만 관심이 있을 뿐 아직 국내에서는 개발 계획이 없는 현실이다.따라서 관련 기술개발을 위해서 보통 5~10년 이상의 오랜 기간이 소요되는 것을 감안하면, 우리도 신냉매 이용 개발에 대해 중장기적인 목표를 세워 정부의 지원하에 산학협동으로 보다 적극적으로 접근해야 하리라 본다.

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