김병균 댄포스 아시아퍼시픽 어플리케이션 본부장은 ‘2023 BOCK & CO₂ 세미나’ 프로그램 중 ‘CO2 냉동사이클’ 발표에서 ‘CO2 냉매의 특징과 CO2 냉동 사이클, 그리고 이젝터의 특장점 등에 대해 소개했다.

CO2냉매(R744)는 1850년도에 냉매로 처음 소개된 후 1920년대부터 40년 가까이 냉동사이클에 사용되다 1960년대 프레온계 냉매로 완전히 대체된 후 1993년부터 지구 온난화로 인해 다시 관심을 받게 됐다.

김병균 본부장은 “CO2 냉매는 지구온난화지수(GWP) 1, 오존층 파괴지수(ODP) 0, 비가연성, 무독성 자연냉매로 암모니아나 R134A와 비교해서 압력과 삼중점이 높은 반면 임계점 온도는 더 낮고, R404A, R32와 비교하더라도 임계점 온도는 1/2, 마이너스 10℃ 증발 온도 기준으로 보면 압력도 거의 5배 정도 높다.”라며 “다른 냉매와 비교해 포화온도 대비 포화 압력이 매우 높은 고압냉매이므로 이를 고려한 설계와 관리 포인트가 필요하다.”고 언급했다.

이어 김 본부장은 “통상적으로 Cascade cycle을 구성하지 않는다면 R744 시스템은 임계점을 초월한 초임계 사이클을 형성하게 돼 굉장히 높은 압축비를 가지게 된다.”고 언급하며 압축기의 부하를 줄여 에너지절감에 효과가 높은 이젝터(Ejector)를 활용한 CO2 초임계(Transcritical) 솔루션에 대해 소개했다.

이젝터는 응축기와 팽창밸브, 증발기를 통과하면서 증기 압축 사이클 과정에서 손실되는 에너지를 회수해 압축기의 흡입 압력을 높여 효율을 향상시킨다. 이젝터를 CO2 초임계 응용 분야에 사용하면 고압/저압 제어를 통해 냉각 성능을 높일 수 있다.

김병균 매니저는 “댄포스의 ‘멀티 이젝터 솔루션(Multi Ejector Solution)’은 소규모 편의점부터 대형 매장까지 자연냉매인 CO2로 작동하는 냉각시스템의 응용범위에서 최적의 솔루션을 제공한다.”라며 가스 바이패스 이젝터(GB), 액냉매 이젝터(LE), LP이젝터, HP이젝터+IT압축기, HP/LE콤비 이젝터+IT압축기를 적용한 초임계 부스터 사이클 솔루션에 대해 설명했다.

고압용 가스 바이패스(GB) 이젝터 적용 솔루션은 이젝터를 통해 고압 측 가스냉매의 고압을 이용해 증발기(MT) 측의 가스 유량을 일부 승압시킨 뒤 병렬 압축기(IT)쪽으로 보내 압축기에서 담당하는 부하를 줄여 에너지소비량을 절약할 수 있다. 또 저압용 가스 바이패스(GB) 이젝터 적용 솔루션은 팽창 과정에서 손실되는 압력 일부를 이젝터를 통해 승압시키고 압축기 흡입 압력을 중가시켜 압축기 소비젼력을 절약할 수 있다. 가스바이패스 이젝터는 중소형 시스템에 적합하며 COP는 1.65다.

액냉매 이젝트(LE) 적용 솔루션은 이젝터를 통해 고압 측 가스 냉매의 고압을 이용해 액분리기로부터 흡입되는 액냉매를 승압시켜 CO2 적용형 액냉매 제어 ‘CALM’과 함께 사용할 경우 증발기의 열교환 효율을 최적화해 에너지 소비량을 감소시킨다. 최적의 시스템 크기는 40~300kW이며 COP는 1.79이다.

HP/액냉매 콤비 이젝터 적용 솔루션은 이젝터를 통해 고압 측 가스 냉매의 고압을 이용해 증발기 측의 가스 유량을 일부 승압시킨 뒤 병렬 압축 쪽으로 보내 압축기에서 담당하는 부하를 줄여 에너지소비량을 절약할 수 있다. CALM과 함께 사용할 경우 증발기의 열교환 효율을 최적화해 에너지소비량을 감소시킨다. 최적의 시스템 크기는 1560~300kW이며 COP는 2.16이다.

김병균 매니저는 “CO2 프로젝트의 규모나 COP 목표치에 따라서 CO2 초임계 사이클과 이젝터를 선택, 적용하면 된다.”라며 “초기 연구개발 단계에서는 초임계 사이클에 IT컴프레서를 사용해 성능계수(COP) 수치를 확인한 후 시험실 규모에 맞게 이젝터를 선택해 테스트 후 실증 사이클로 나가는 것을 권장한다.”고 밝혔다.

이어 “CO2 초임계 사이클은 처음 도입하는 경우가 대부분이라 시행착오가 따르겠지만 댄포스의 어플리케이션 엔지니어링 팀과 함께 한다면 적극적으로 지원하겠다.”고 말했다.