LG전자는 6월20일 용평리조트 타워콘도에서 열린 설비공학회 하계학술대회에서 LG전자 특별세션을 진행했다.
대체냉매 기반 기액분리 가능 형상 설계인자 확인이홍주 LG전자 에어솔루션 연구소 책임연구원은 ‘대체냉매 터보칠러의 기액분리기 상사시험을 통한 주요 설계인자 평가’를 주제로 발표했다.
이 연구는 지구온난화에 따른 친환경 냉매 사용요구에 대응하기 위해 기존 터보칠러에 사용하는 R134a 냉매를 대체할 수 있도록 검토되고 있는 R1233zd 냉매를 사용하는 경우 비체적이 약 5배 증가함에 따라 압축기 및 열교환기 부품 크기가 증가되는 문제에 대안을 찾기 위해 진행됐다.
특히 사이클 효율 개선을 위해 적용하는 이코노마이저 및 적하식 증발기에 적용하는 기액분리기의 체적을 저감하기 위해 길이 및 다공판 개수 등 기액분리기의 주요 설계인자에 대한 영향을 분석하고 최적의 형상을 설계하기 위해 냉매상태가 아닌 물‧공기 상사시험을 통한 평가를 진행했다.
기액분리기의 체적 저감을 위한 물‧공기 상사시험을 위한 방법은 무차원수인 액체와 기체 등의 Froude 수식을 활용해 기액분리기에서 발생되는 냉매의 유동을 물과 공기로 모사했다. 물과 공기는 각각 물 펌프와 에어블로워의 인터버 주파수를 조정함으로써 유량을 조절했다.
또한 주요 설계인자가 기액분리기 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 쉘 길이, 다공판 수량 등이 변경 가능하도록 모사 시험장치를 제작했다.
이번 연구의 주요 설계인자인 쉘 길이 및 다공판의 길이 변경에 따른 기액분리기 성능변화를 관찰하기 위해 쉘 길이와 수량 등을 변경해 성능변화를 관찰했다. 기액분리 성능은 기냉매 유로로 Carry Over되는 물의 양을 측정해 비교했다.
쉘 길이가 길수록 측정되는 Carry Over량이 감소하는 경향을 나타냈으며 다공판 수량이 증가함에 따라 Carry Over량이 비교적 선형적으로 감소했다.
이홍주 LG전자 책임은 “물공기 상사시험 결과 중 총 66건의 데이터를 활용해 이번 연구의 주요 설계인자인 쉘 길이 다공판 수량, 무차원수 등에 따른 Carry Over관련 상관계수를 정의한 후 식을 수립했다”고 밝혔다.
HFO 냉매 기반 터보칠러 냉매 개발 필요성 고조 김완조 LG전자 책임연구원은 6월20일 설비공학회 하계학술대회에서 ‘Low GWP냉매를 적용한 터보칠러 개발 및 실증’을 주제로 발표했다.
터보칠러에 적용하는 냉매 전환이 필요함에 따라 LG전자는 기존의 HFC냉매를 대체해 ODP(Ozone Depletion Potential)가 낮으면서도 GWP(Global Warming Potential)가 낮은 R1233zd나 R1234ze(E) 냉매를 친환경 냉매로 선정해 새로운 제품 개발에 적용하고 있다.
LG전자 내의 시운전 설비에서 냉동기 시운전을 진행하기 전 압축기 단품에 대한 부분부하 테스트를 통해 회전체의 Run-out 및 축 부상을 사전에 체크함으로써 압축기의 신뢰성을 1차적으로 확인한다. 압축기 조립 후 부상하기 전 touch-down bearing 접촉상태에서 축회전 시 변위를 우선 확인하며 AMB 동작 후의 변위를 재확인해 제작상태에 대한 검증을 진행한다.
수압시험 및 질소 누설 시험을 통과한 열교환기와 압축기의 전체 조립이 끝나면 전체 조립을 진행하며 완제품에 대해 헬륨 누설시험을 통과한 열교환기와 압축기의 전체 조립이 끝나면 완제품에 대해 헬륨 누설 검사를 다시 실시해 누설 여부를 점검한다.
시운전 실시 전 냉매 주입 시 타 냉매 잔여물과 섞이는 것을 막으며 냉동유의 혼입이 발생하지 않도록 R1233zd(E) 냉매 전용 충진장치를 구비해 충진을 진행했다. 또한 주입되는 냉매량을 정확히 측정해 냉매량에 의한 오차를 최소화했다.
LG전자는 시운전 설비 6대를 운용하고 있으며 설비별로 매년 AHRI인증을 취득하고 있다. 200~3,000RT 용량의 터보칠러 단품에 대해 제품 출하 전 시운전을 통해 성능 및 품질 등에 대한 신뢰도를 확보하고 있다. 냉수‧냉각수 등의 온도 및 유량 제어를 통해 현장 설치 전 공장 내에서 미리 성능 검증을 진행한다.
설비에서 시운전 시 냉동사이클 안정여부는 냉수‧냉각수 온도변화가 안정화가 된 상태를 말하는데 온도변화가 ±0.3℃ 이내로 유지되는 상태에서 15분간 데이터를 적산한 평균치로 성능 데이터를 계산했다.
정격조건에서 냉방용량 및 COP는 각각 99.6%, 99.7% 등으로 목표치에 근접함을 확인했다. 시운전에서 성능‧효율을 확인한 후 실제 사용현장에 이동 설치 후 시운전 시 확인했던 성능‧효율로 운전 중이며 LG전자에서 보유한 원격운전 모니터링 시스템을 통해 최적 운전을 위한 가이드를 제공함과 함께 고장을 미연에 방지할 수 있는 유지보수 가이드를 실시하고 있다.
이번 연구에서는 700RT급 R1233zd(E) 냉매를 적용한 터보 칠러 개발내용과 개발결과에 대한 실증을 진행했다. 현재 HVAC시장에서는 다양한 대체냉매들이 개발되고 있으며 각 냉매에 대한 평가 또한 다양하게 진행되고 있다.
GWP 규제가 심화되고 있는 가운데 기존의 R134a 터보칠러에 R513A Drop-In을 적용하는 방식이 아닌 HFO 냉매를 이용한 터보칠러 개발의 필요성이 커지고 있다.
김완조 책임연구원은 “R1233zd(E)와 같은 저압냉매로는 용량 증대 한계가 존재하므로 R1234ze(E)와 그의 blend 냉매인 R515B 등의 냉매를 사용해 대용량에 대한 개발도 필요한 상황”이라며 “LG전자는 R1233zd(E) 저압 대체냉매 터보칠러 기술개발 및 여러 실증사례를 통해 신뢰성을 확보했으며 R1234ze(E) 등의 다른 대체냉매를 활용해 보다 넓은 용량 커버리지를 준비하고 있다”고 밝혔다.
터보냉동기용 공명형 소음기 효과 입증 이준근 LG전자 고문은 ‘터보냉동기용 공명형 소음기 개발’을 주제로 발표했다.
터보냉동기의 소음은 고속회전체 특성상 고주파의 날카로운 Total 소음 상태가 되며 근처 작업자는 물론 건물벽이나 배관을 타고 실외기를 통해 외부로 전달될 수 있다.
냉동기 주요 부위에 흡차음처리를 하는 방법은 가장 대표적인 소음저감방법으로 볼 수 있으나 시공에 따른 비용 상승과 특히 배관을 타고 전달되는 소음의 저감이 쉽지 않아 근원적인 소음문제 해결이 되기 어려운 단점이 있다.
특히 물부족 국가인 중동지역에서는 냉각탑을 이용한 수냉각 방식보다는 공랭식 실외 열교환방식을 선호하므로 배관을 타고 전파되는 Total 소음은 실외기까지 전달돼 외부로 쉽게 방사되므로 현지에서 각종 민원의 소지가 되기도 한다.
냉동기에서 발생하는 주요한 소음은 날개깃 통과주파수(BPF)이므로 넓은 주파수 영역에 있어 소음저감 효과가 있는 흡차음 처리로는 소음문제 해결에 대처하기 어렵다.
이에 따라 이번 연구에서는 흡차음 처리를 통한 냉동기의 소음저감 대신 공명형 소음기를 이용해 BPF 소음을 저감하는 방법을 제안하고 있다.
공명형 소음기에서 유의할 점은 토출배관에서의 배압이 커질 경우 이는 바로 냉동효율의 저감으로 이어질 수 있으므로 효과적인 소음저감과 이러한 배압을 최소화할 수 있는 공명기 설계가 필요하다고 할 수 있다.
이를 위해 소음기는 번들형태의 작은 파이프를 삽입해 유체흐름의 방해를 최소화했으며 CFD 해석결과 유체흐름의 저항에 의한 반력 및 발열요소가 미미함을 확인했다.
이준근 고문은 “Mock-up 시험을 통해 새롭게 개발된 소음기의 성능을 평가한 결과 BPF 소음기준 투과손실(TL)은 최대 30dB, 제한된 실증실험에서는 8dB 이상 소음레벨이 줄어듦을 확인했다”고 말했다.
공정폐열 HP‧흡수식시스템 바탕 E효율화‧탄소저감 가능 오영훈 LG전자 팀장은 ‘대형 석유화학 공장의 공정폐열을 활용한 흡수식시스템 사례연구’를 주제로 발표했다.
전 세계적으로 사용화된 냉동기는 크게 전기식과 흡수식으로 구분된다. 전기식은 전기가 인입되면 모터 및 압축기 등이 가동해 차가운 냉수를 생산하는 칠러를 의미한다.
압축기 종류에 따라 왕복동식, 스크롤식, 스크류식, 원심식 등으로 구분된다. 전기식과는 다르게 흡수식은 뜨거운 열이 압력에너지로 사용된다.
뜨거운 열이 흡수식에 인입되면 재생, 응축, 증발, 흡수 등의 내부 작동을 통해 차가운 냉수 생산이 가능하다. 공급되는 열 종류에 따라 직화식, 증기식, 중온수식 등으로 구분된다.
이중 중온수식은 지역난방 고시지역에서 하절기 뜨거운 지역난방수를 열원으로 건물의 냉방 목적으로 널리 활용된다.
최근에는 연료전지, 화학공정, 각종 응축수 및 공정폐열 등을 활용해 온수를 생산하며 이를 활용한 공정폐열 흡수식냉동기를 적용해 저렴하게 냉수를 생산할 수 있는 에너지효율화 사업에 대한 관심이 커지고 있다.
특히 여수, 울산, 대산 등에 위치하고 있는 대부분의 석유화학단지에는 다양한 온도영역의 폐열이 존재하며 냉각탑이나 열교환기를 통해 일부 대기로 방열이 되기 때문에 이를 활용한 에너지절감 목적의 흡수식 사업이 검토, 진행되고 있다.
이번 연구는 국내 한 대형 석유화학공장을 대상으로 실제 전기식 칠러를 완전히 대체할 목적으로 공정폐열 흡수식시스템을 적용한 실사례이며 현장기반 적용성을 검증해 폐열활용 흡수식시스템의 적용방향을 제시한다.
열교환기에서 냉각탑 및 대기로 방열되는 공정폐열량을 측정한 결과 총 공정폐열은 5.07Gcal/h로 분석되며 이중 흡수식냉동기에 요구되는 55℃에서 95℃에 이르는 온수생산에 필요한 가용열량은 3.45Gcal/h로 측정됐다.
기존 냉동기의 실측 부하량과 냉동능력, COP 등을 통해 2대가 동시에 가동 중이었으며 측정 당일 기준 총 냉방부하는 638RT이며 2대 평균 COP는 3.76이었다. 소비전력은 597였으며 실측 냉수 출수온도는 9.7℃에서 11.1℃로 정격 7℃대비 다소 높았다.
이를 바탕으로 공정폐열 흡수식시스템을 현장에 실제 적용했다. 기존 냉동기 2대와 동일한 1,000RT의 용량을 선정했으며 열교환기와 펌프, 밸브 및 수배관시스템을 구성했다.
시운전 및 안정화 등의 조치를 취한 후에 흡수식시스템 가동을 본격화했으며 최종 기존 냉동기 2대의 가동을 모두 정지시켰다.
비록 흡수식 냉동기도 내부 펌프 및 전장부품을 사용하기에 30kW의 소비전력이 발생하지만 기존 냉동기 2대의 소비전력 597kW가 상대적으로 크기에 공장에서도 에너지절감효과를 실제 체감하고 있다.
공장의 전력단가와 24시간, 365일 가동되는 생산공정 운전시간을 고려할 경우 연간 절감금액은 5억원이 넘으며 투자비 회수기간은 5년 내외로 분석된다.
오영훈 팀장은 “기존 화학공정을 포함해 각 산업체에서는 다양한 형태와 온도영역으로 공정폐열이 존재한다”라며 “최근 국내 산업체 중심으로 에너지와 탄소절감 활동이 적극적으로 전개되고 있어 기존 공정폐열 히트펌프와 함께 80℃ 초과 폐온수를 이용한 공정폐열 흡수식시스템을 적극적으로 적용한다면 국내 산업계 전반의 에너지효율화 및 탄소절감에 대한 기여가 클 것으로 판단된다”고 밝혔다.
VPF HP 공조기, 정밀공조 환경‧E절감 첨병 정광주 LG전자 책임연구원은 ‘VRF HP 공조기를 적용한 특수공조 환경의 에너지 최적화 실증연구’를 주제로 발표했다.
특수공조는 주요 물품을 공조대상으로 하며 사용목적에 따라 공정, 제품저장, 측정실, 실험실, 동‧식물, 정밀부품 등이나 바이오 클린품 등을 최적의 공조환경으로 유지하는 것이 목적이다.
일반 보건용 공조로 구분돼 있는 병원의 경우 특별한 공조환경이 요구되는 수술실, 회복실 또한 특수공조에 해당한다고 볼 수 있다.
특수공조는 보건용 공기조화에 비해 특수한 환경조건과 정확도가 높은 공기조화가 요구된다. 공기조화에서 요구조건은 공기 온도, 습도, 기류, 먼지, 박테리아, 냄새 유독가스 등의 물질 중 유해한 물질은 제거 또는 배출해 사람이나 공조 주요 대상에 가장 좋은 조건을 유지해야 하는데 이러한 다양한 조건을 만족하는 환경유지란 상당히 어려울 뿐만 아니라 다량의 에너지사용이 수반된다.
공조기에서 에너지와 직접 관련이 높은 것은 열원설비로서 보일러, 냉동기, 온풍로, 히트펌프 등으로 냉각이나 가열을 위한 냉수, 온수, 증기, 냉매 등을 공조환경에 필요한 온도조건으로 만든다.
전통적인 열원으로 보일러와 냉동기, 흡수식냉온수기가 각각 가열과 냉각기능을 담당했다면 향후 히트펌프 기술과 제어기술 발달로 특수공조환경에서 에너지효율성을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다.
히트펌프를 특수공조환경에 적용하기 위한 노력은 과거에도 있었다. 히트펌프의 경우 냉매 열전달방식으로 열전달효율이 높은 이점을 가지고 있으나 바이오클린룸에 적용할 경우 시스템이 다소 복잡해 시스템 전체를 고려한 효율적인 제어알고리즘 개발에 대한 연구를 진행했다.
클린룸의 경우 클린룸 공간의 오염농도를 희석시키기 위해 전외기를 도입하기에 과도한 에너지소비량이 많은 특성이 있다.
연구용 건물에너지 소비영향 분석관련 연구과정에서 클린품과 같은 특수한 용도의 공간은 실내의 청정도 유지를 위해 외기도입량이 일반 건물보다 상당히 많으며 열원 가동기간과 가동율이 높기에 에너지소비량 증가원인이 되므로 열원의 효율에 대한 중요성을 강조했다.
이번 연구는 기존 전통적인 열원과 CDU를 조합한 공조방식(AHU1)을 채택한 다수의 실험실증, 바닥면적 등과 공간이 유사하며 온‧습도 환경이 동일한 조건의 두개룸 중 하나를 VRF(Variable Refrigerant Flow) 기술과 히트펌프 기술이 적용된 공조방식(AHU2)을 연구대상으로 했다.
먼저 AHU1의 냉각열원은 직화식 흡수식냉온수기에서 생산된 냉수와 직팽식 CDU가 조합된 구조로 각각 99.5RT, 48RT 용량이다. AHU2의 열원은 직팽식 CDU만으로 구성되며 냉각용량은 117.3RT이다.
AHU1과 AHU2의 가장 큰 차이는 AHU2의 경우 AHU1의 물코일 대신 모든 코일이 DX 코일로 구성돼 있으며 냉각코일, 가열코일, 단일 코일이 냉각과 가열 등이 가능한 절환코일로 구성돼 있다.
각 AHU의 공통점은 전기히터에 의해 최종 공급공기 온도가 제어되며 히트펌프 기능이 없는 AHU1의 경우 제습 후 가열과정에서 전량 전기히터에 의존하기에 전기히터 용량이 상대적으로 크다.
연구방법은 냉방부하가 집중된 하절기 일정기간 동일한 시간동안 측정한 데이터를 기반으로 분석했으며 각 공간의 온‧습도 조건 22±2℃, 50±10% 범위가 유지되는지와 이때 각 AHU의 냉각 및 가열부하, AHU로 공급되는 에너지사용량을 측정하며 엔탈피에 대한 원단위 데이터값을 발굴해 각 AHU의 에너지사용량을 예측했다.
공간 온‧습도 요구환경 유지부분에서 AHU1은 공간 온‧습도 조건 범위를 유지했지만 헌팅이 발생했으며 VRF 히트펌프를 열원으로 하는 AHU2는 온‧습도 모두 조건범위 내에서 안정된 상태를 나타냈다.
에너지소비측면에서 AHU를 통과하는 공기 엔탈피당 에너지비용은 AHU1과 AHU2 각각 2,493원/(kcal/kg), 1,164원/(kcal/kg)으로 AHU2가 약 53% 절감됐다.
정광주 책임연구원은 “정밀한 온‧습도 환경을 요구하는 특수공조환경에서 안정된 공조환경유지와 효과적인 에너지절감을 고려할 경우 VPF 히트펌프 기술이 적용된 공조기가 효과적”이라고 강조했다.
공기열 HP, ZEB 고등급 달성 필수 남일근 LG전자 책임연구원은 ‘공기열 히트펌프를 활용한 중앙난방 공동주택 전력화 타당성 검토 사례’를 주제로 발표했다.
공기열 히트펌프의 국내 공동주택 적용 가능성을 평가하기 위해 복수의 기축 중앙난방 공동주택 단지에 대한 현장실사 후 최종 평가 진행단지를 선정했으며 선정된 단지를 대상으로 에너지진단 및 현장 점검을 통한 공기열 히트펌프 적용 타당성을 분석했다.
에너지 진단을 통해 현재 사용되고 있는 가스보일러의 효율을 분석하는 한편 실 부하를 분석해 현재 운전방식과 동일한 환경에서의 히트펌프의 용량 및 에너지 및 온실가스 감축효과, 운용 요금 경쟁력 분석을 실시했다.
온실가스 감축 효과를 극대화하기 위한 히트펌프와 기존 가스보일러의 하이브리드 운전방법에 대한 검토를 진행했으며 현장 점검을 통해 히트펌프 설치방안 등에 대해 검토했다.
이번 연구에서는 기축 중앙난방 방식의 공동주택에 대한 평가인 점을 감안해 히트펌프 설치용량 및 공간 등의 이슈로 난방보다는 급탕에 대한 대체방안으로 검토됐으며 추후 난방에 대한 적용 타당성을 동일한 절차로 추진할 예정이다.
타당성 검토 결과 기축 중앙방식의 급탕 열원을 가스보일러에서 공기열 히트펌프로 전환할 경우 급탕 설정온도 및 히트펌프 운전 조건에 따라 운영비 절감효과는 28~49%, 온실가스 감축 효과는 23~46%로 확인됐다.
또한 단지의 전력요금은 종합요금제를 채택해 각 세대 전력량은 주택용 고압요금을 적용받지만 공동 시설인 보일러 등에서의 전력량은 일반 요금을 적용받아 주택용 요금제의 누진요금은 적용되지 않았다.
이외에도 단일요금제 단지일 경우를 가정해 요금 시뮬레이션을 수행해 본 결과 급탕용으로 사용되는 히트펌프용 전력량은 많지 않아 누진 요금제에 따른 요금 상승현상이 나타나지 않아 급탕용으로 사용한다는 가정하에서는 종합요금제 및 단일요금제 구분없이 요금 상승에 대한 부담없이 적용이 가능한 것으로 분석됐다.
다만 검토 단지는 소형 임대 아파트로 기저 전력 사용량이 적기에 나온 결과이므로 중대형 아파트에 적용하기 위해서는 별도 요금제 신설 등의 요금제 개편이 필요하다.
공기열 히트펌프 적용 시 동절기에 한시적으로 가동되는 난방용보다는 사계절 운전이 가능한 급탕용으로 적용하는 것이 히트펌프의 COP 향상 등에 따른 온실가스 감축 효과 극대화에 도움이 될 것으로 보인다.
이 연구를 통해 소형 평수의 기축 중앙난방‧급탕 공동주택의 공기열 히트펌프 적용 효과는 입증됐으나 향후 중대형 평수 공동주택에도 적용하기 위해 누진제 적용을 받지 않는 별도의 히트펌프 전용 요금제 신설이 필요하다.
남일근 책임연구원은 “기축 공동주택에서의 공기열 히트펌프 적용 가능성을 분석함으로써 신축 공동주택에서 공기열원 히트펌프를 적용한다면 설치공간 등의 제약없이 진행이 가능할 것”이라며 “고성능 히트펌프를 기반으로 ZEB 고등급 달성에도 도움이 될 것”이라고 전망했다.
공력설계 검증 진행 필요김창희 LG전자 선임연구원은 ‘대체냉매 대용량 칠러 원심압축기 개발-공력설계’를 주제로 발표했다.
최근 지구온난화에 대한 심각성이 높아지면서 지구온난화지수(GWP)가 높은 HFC계 냉매도 규제물질로 추가되면서 점진적으로 감축되고 있다.
특히 EU의 불화온실가스(F-Gas) 규제로 Low-GWP 냉매로의 전환이 가속화되고 있다. 이러한 기후변화 및 환경규제에 대한 선제적 대응 및 지속적 시장 확보를 위해 Low-GWP 냉매를 이용한 칠러개발 필요성이 대두되고 있다.
칠러 기본 설계사양은 냉동용량, 냉수‧냉각수의 온도(부하)조건, 목표효율(소비전력)로 주어진다.
열교환기. 팽창밸브 등 다른 구성요소의 사양이 결정되면 냉동용량에 따라 압축기의 유량이 결정되며 냉수‧냉각수의 온도조건에 의해 압축기의 양정이 정해지며 시스템의 목표효율에 의해 압축기의 목표효율이 결정된다.
칠러 사이클은 압축단수 및 과냉각기 유무에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있으며 압축 및 팽창단수를 증가시킬수록 이상적인 냉매 사이클에 가까워지게 된다.
이코노마이저를 포함한 2단 압축 사이클이 1단 압축에 비해 압축일의 감소와 냉동용량의 증가로 더 높은 성능계수(COP)를 달성할 수 있다.
이와 같이 냉매 사이클의 형태에 따른 COP는 단순 열역학 계산으로 확인할 수 있으므로 초기 시스템 설계단계에서 기계적 손실, 모터 냉각, 열교환기 LTD(Leaving Temperature Difference), 누설 등을 고려한 냉매사이클 설계가 필요하다.
이번 연구를 통해 개발한 대체냉매 대용량 칠러는 R-1233zd(E) 냉매특성, 최적 공력설계, 제품크기, 비용측면을 고려해 이코노마이저를 포함한 2단 사이클로 구성했다.
1단 압축부의 설계유량은 증발기 열량에 의해 결정되며 2단 압축부의 설계유량은 1단 압축부의 유량과 이코노마이저의 건도에 의해 결정된다.
증발온도 6℃에서 R-1233zd(E) 냉매의 경우 엔탈피 차이는 182.7kJ/kg으로 1RT당 약 0.019kg/s의 냉매가 필요하다. 증발기에서 냉매의 엔탈피 차이와 모터 소비전력의 비로 시스템 효율을 구할 수 있다.
2단 압축시스템에서 이코노마이저는 팽창과정을 2단으로 나눠주며 기냉매를 분리해 1/2단 압축기 사이로 주입시켜주는 역할을 한다.
이코노마이저에서 기액 분리로 인해 압축기 소비전력과 사이클 냉매 유량을 감소시켜주는 이점이 있다.
하지만 추가적인 플래시탱크, 배관, 밸브 등이 필요하며 1/2단 압축기 사이로 주입되는 냉매유동이 압축기 주유동을 방해하지 않도록 공력설계에 주의가 필요하다.
또한 1/2단 양정 배분에 따라 COP를 검토했으며 1/2단 양정을 거의 동일하게 배분하는 것이 가장 효율이 좋다는 것을 확인했다.
공력설계는 1차원 설계 및 성능예측, 3차원 형상설계, 3차원 유동해석의 단계로 구분된다. 냉동용량과 각 단에서의 설계조건에 해당하는 임펠러를 모두 설계하는 것은 비효율적이므로 플로우컷(Flow Cut)을 이용한 유량 조절, 다이아컷(Diameter Cut)을 이용해 양정을 조절하는 방법을 활용해 최종 설계할 마더임펠러를 3개로 한정했다.
사이클 계산에서 결정된 유량과 양정에 대해 원심압축기 1차원 설계를 수행한다. 1차원 설계는 주어진 설계사양을 만족하는 주요 형상치수를 결정하는 단계로 평균유선설계라고도 한다.
이 연구에서는 손실계수를 활용해 1차원 설계를 수행했다. 참고로 ASHRAE Handbook에서는 임펠러의 양정계수는 0.42~0.74, 유량계수는 0.11~0.21, 최적 비속도는 1.0을 권장하고 있다.
설계점에서 요구성능이 충족되면 성능곡선을 생성해 성능곡선을 반영한 사이클 검토를 수행한다. 이 단계에서 서지마진(Surge Margin)을 충분히 확보할 수 있는지와 양정과 효율이 설계의도대로 예측되는지 확인한다.
3차원 형상설계에서는 1차원 설계에서 정해진 입출구 형상을 기반으로 임펠러의 3차원 내부 유로의 형상을 결정한다. 3차원 임펠러 형상을 정의하기 위해서 자오면(Meridional Line)을 따라 허브와 쉬라우드 형상, 날개 각도 및 두께 분포 등을 정의한다.
유동해석을 통해 압력 및 속도분포를 확인 및 국소적으로 유동받리 또는 재순환 유동을 확인하면서 손실을 최소화하는 형상 최적화를 수행한다. 공력설계를 통해 임펠러 형상이 결정되면 구조진동해석을 통해 임펠러의 구조강도와 공진여부를 검토한다.
김창희 선임연구원은 “최종 설계된 공력부품에 대한 개별성능시험 및 시운전을 수행해 이 연구의 공력설계과정에 대한 검증을 진행할 예정”이라고 밝혔다.
