냉동·냉장설비나 냉방용 에어컨에 쓰이는 CFCs, HCFCs, HFCs 등의 냉매는 필수 물질이지만 오존층을 파괴하고 지구온난화를 유발해 전 세계적으로 사용 규제 및 대기누설 방지 강화 그리고 친환경 관련 무역장벽 구축이 현실화 되고 있다.

이런 가운데 지구온난화지수(GWP)가 ’ZERO’ 또는 ‘0’에 근접하는 암모니아(R717), 이산화탄소(R744), 물(R718), 공기(R729) 등 자연냉매에 대한 적용 확대와 관심이 증가하고 있다.

공기는 지구상에 존재하는 물질 가운데 가장 안전한 물질 가운데 하나로 냉매로서 중요한 특징인 비(非)폭발성과 비(非)독성의 특징을 가지고 있지만 기존 냉매 대비 낮은 효율과 해당 요소기기 개발의 어려움으로 그동안 냉매로서는 제한적인 용도에서만 사용되어 왔다.

한국에너지기술연구원 열변화시스템연구실 신형기 박사 연구팀은 2026년 상용화를 목표로 ‘공기(Air) 냉매 이용 산업용 Zero-GWP 냉동시스템 개발’을 진행 중이다.

신형기 박사는 개발배경에 대해 “공기의 경우 GWP는 0( RO)로 냉매 규제도 피할 수 있고 지구상 어느 곳에서나 구할 수 있기 때문에 가격 또한 무료”라며 “공기냉매는 현재 유통되는 고가의 Low-GWP 냉매 및 다른 자연냉매에 비해 안전성이 높고 제작 및 관리비용이 상대적으로 낮은 강점이 있다.”고 언급했다.

이어 “공기냉매는 -50℃ 이하가 되면 일반 냉매보다 효율이 점점 더 좋아진다.”라며 “만약 COP(성적계수)를 고려하지 않는다면 -160~100℃의 넓은 온도범위에서 광범위하게 활용할 수 있는 잠재력이 있다.”고 밝혔다.

기존 시스템 대비 설비투자 및 운영경비 30% 절감

이 연구과제의 최종 목표는 High-GWP 냉매를 이용한 다단(Cascade) 냉동사이클 대신 Zero-GWP 공기 냉매를 이용한 단단(Single) 사이클 설계로 토출온도 -50℃ 이하, COP 0.4 이상, 냉동용량 10kW 이상의 초저온냉동시스템 개발이다.

기존 산업용 냉동시스템은 Cascade 냉동사이클 구성이 대부분으로 CAPEX(설비투자) 및 O X(운영경비)가 높고 High-GWP 냉매 이용하기 때문에 탄소중립을 위한 산업 대응도 필요하다. 또 초저온 칠러의 경우 고장이 잦고 극저온용 냉동기유 및 열매유 등 조달 및 관리상 어려움도 따른다.

이에 비해 개발이 진행중인 ‘공기냉매 이용 산업용 Zero-GWP 냉동시스템’은 1단 공기사이클로 시스템 단순성으로 인한 높은 신뢰성 및 내구성이 확보되면서 CAPEX와 OPEX가 최대 30% 절감될 것으로 전망된다. 또한 2bar 이하의 공기만을 사용해 각종 안전관리 및 규제로부터 자유로우며 고온부는 난방 및 급탕용으로 사용 가능해 COP 향상도 기대된다.

지난해부터 시작된 이 연구과제는 2024년까지 △실험실 레벨의 고효율 냉동사이클 레이아웃 구성 및 설계 △각 요소 기술개발 및 성능시험 △시스템 통합 및 최적 운전기술 개발 등이 수행되며 2025년부터 2026년까지 2년간 △냉동시스템 패키지화 △요소기술 및 제어기 통합 △고신뢰성 냉동기 개발 △수요기업 참여 상용화 등이 추진된다.

신형기 박사 연구팀은 이미 지난해 에너지 손실의 저감과 기기 고효율화를 위해 압축기와 팽창기가 하나의 기기로 합쳐져서 구현되는 컴팬더(Compander)와 고성능 공기 대 공기 열교환기(복열기), 앤드 쿨러(End Cooler) 등 핵심 요소기술 개발을 끝내고 시제품을 만들었다.

공기냉매 냉동기, 초저온 및 극저온 산업분야 대응 가능

컴팬더는 압축기(Compressor), 팽창기(Expander) 그리고 이를 구동하는 모터를 하나의 축에 결합시켜 단일 기기의 형태로 제작돼 각 기기 간의 손실 요인을 줄여 효율을 높일 수 있다.

신형기 박사는 “압축기와 팽창기를 같은 속도로 운전시켜야 하기 때문에 설계와 운전의 어려움도 따랐지만 운전구간 고유 진동 회피 및 베어링 허용하중 이하 축력 설계 그리고 압축비와 팽창비를 잘 매칭시키며 시제품을 개발했다.”라며 “시험장치에서 실증을 통해 발견되는 문제점을 개선해 신뢰성을 확보해나갈 계획”이라고 말했다.

또한 Oil Bearing 대신 초고속 회전(4만7000RPM~) 대응제어에 유리한 공기 유체역학 패시브 제어기반인 Air-Foil Bearing 적용했다. 오일리스의 냉각유 일체화 구조로 윤활계통 냉각설비가 필요 없으며 단순한 지지 구조로 고장 빈도가 낮고 정비가 용이하다.

컴팬더에 적용된 터보식 구심 팽창기와 터보식 압축기도 직접 개발해 적용됐다.

터보식 구심 팽창기의 설계조건은 입구압력 178kPaA, 팽창비 1.76, 질량유량 0.38kg/sec, 입구온도 -22℃, 출구온도 -53℃, 효율 85% 이상이다.

우선 1차 설계 및 제작 후 터보 블로워의 토출 고압 공기를 이용해 팽창기에 대한 예비 성능시험 결과(81.1%)와 풀 모델에 대한 전산해석 결과(82.8%)를 비교 검증해 2차 설계를 통해 팽창기 최종 형상을 도출, 설계 요구조건에 만족하는 공력부 전효율 85%를 달성했다. 또한 팽창기 로터 휠 재질의 구조해석 결과, -50℃ 조건에서 기존 알루미늄이나 스테인리스 스틸은 안전마진(Safety Margin) 확보가 안 되는 것으로 나와 마진 확보가 가능한 티타늄 합금 휠도 제작해 적용된다.

터보식 압축기는 입구압력 98kPaA, 압축비 1.9, 질량유량 0.38kg/sec, 입구온도 22℃, 효율 75% 이상과 팽창기와의 매칭을 고려한 설계조건을 만족하는 공력부 전효율 80%로 제작됐다.

컴팬더 모터와 Air-Foil Bearing의 열관리를 위한 냉각유로 설계도 개선돼 적용된다.

신형기 박사는 “초기 모델에 설계된 컴팬더의 냉각유로는 팽창기 입구의 고압 냉공기를 추기 냉각에 사용하므로 시스템 성능 감소를 유발했다.”라며 “컴팬더 시스템의 모터부 냉각을 위한 복합 열전달 해석을 통해 냉각유로 설계를 개선, 추가적인 고압 냉공기 추기 없이 안정적으로 운용가능한 냉각유로를 도출해 적용했다.”고 말했다.

컴팬더 개선 모델은 올 1분기 제작완료 돼 시험장치에 적용될 예정이다.

복합기(내부 열교환기)는 기존 헤더 형상의 유동 불균형을 개선하기 위해 헤더 내 유동분배 최적화를 위한 Parabolic Header 형상 채택 및 체적 최소화를 위한 유로 Splitter를 도입했다.

이런 요소기술을 기반으로 공기냉매 터보 냉동 시험장치와 원격제어/모니터링 설비를 구축하고 올해부터 성능검증에 착수한다.

공기냉매 터보 냉동 시험장치는 ASME PTC-10, 19, 22 규격을 준수해 △압축기 단독(Open Loop) △압축기 단독(Close Loop) △터빈 단독(+부하 압축기) △압축기-터빈 연계 등 다양한 모드로 운용이 가능하도록 설비가 구축된다.

또 다양한 성능 데이터 획득 및 제어를 통한 시스템 성능특성 파악을 위해 압력센서(60여 개소), 온도센서(60여개소), 습도센서(5개소), 밸브제어(20여개소), 인터버제어(2개소) 등의 시스템 계측 및 원격제어, 모니터링 설비가 운용된다.

신형기 박사는 “제품이 상용화되면 식품의 급속동결, 동결건조 등 식품공정·저장·운송을 포함하는 식품콜드체인 분야에 우선 적용이 가 능하고 특수의료·의약품·백신보관 및 운반 등 바이오산업, 수소충전소 냉열공급, 반도체 와이퍼 식각공정이나 에칭공정의 극저온 냉열 공급 등 초저온 및 극저온 산업분야에 대응할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이어 “연구개발 과정에 신뢰성 테스트도 포함돼 있지만 연구소에서 하는 단기간의 검증이 아니라 장기간의 현장 실증테스트도 검토할 계획”이라고 밝혔다.