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[특별기고] 박지훈 Danfoss Korea IDS팀 파트장

R744시스템에서 Ejector, 에너지·초기투자비 절감 역할

최근 지구온난화와 관련돼 ODP와 GWP가 낮은 천연냉매에 대한 수요가 유럽 등의 국가에서 급증하고 있다. R744는 대기 중 존재하는 이산화탄소(CO₂)를 이용한 천연냉매로 ODP가 0이며 GWP가 1인 친환경 냉매다. 다만 R744를 냉매로 이용하기 위해서는 냉매가 가지고 있는 특성을 잘 이해해야 한다. R744는 다른 냉매와 비교해 포화온도대비 포화압력이 매우 높은 고압냉매로 이에 대한 관리가 필요하다.


또한 삼중점이 높고 임계점이 낮아 이를 고려한 설계가 이뤄져야 한다. 통상적으로 Cascade cycle을 구성하지 않는다면 R744 시스템은 임계점을 초월한 초임계 사이클을 형성하게 되며 굉장히 높은 압축비를 가지게 된다. 높은 압축비를 가진 R744시스템에서 압축기의 부하를 줄이는 여러 가지 솔루션 및 Ejector에 대한 역할 및 효과를 소개하고자 한다.


통상적으로 응축기로 사용되는 열교환기는 Transcritical(초임계) 사이클에서 상변화가 일어나지 않기 때문에 가스쿨러로 명명하고 있다. 설계에 따라 다르지만 초임계 사이클에서는 잠열구간이 없기 때문에 가스쿨러의 설계압력에 따라 시스템효율이 달라지게 된다.



[그림 1]을 보면 35℃ 등온선에서 가스쿨러의 운전압력을 90bar로 설계하게 되면 80bar로 설계할 때보다 냉동능력이 증가됨에 따라 COP가 증가됨을 알 수 있다. 그러나 일정압력 이상 높아지게 되면 냉매가 갖는 등온선의 특성으로 인해 최적의 COP가 구현되는 압력은 설계하고자 하는 온도와 압력에 따라 지정된다. 이런 높은 압력으로 설계하기 위해서는 압축기가 높은 압축비에서 운전이 가능해야 하며 이는 압축기의 부하증가로 이어지게 된다.



단일 압축기의 부하를 줄여 효율적인 운전도 가능하다. 첫 번째 솔루션은 중간압력 조절밸브를 이용한 방법이다. [그림 2]를 보면 압축된 냉매는 가스쿨러를 통과하며 온도가 낮아지게 되고 가스쿨러의 압력은 쿨러 후단에 설치된 CCMT라는 압력조절밸브에 의해 고압으로 유지된다. 냉각된 냉매는 Receiver에 모이게 되며 여기서 액과 가스로 분리가 된다.


Receiver에서 분리된 액냉매는 팽창밸브를 통해 저온저압의 상태로 변환되며 증발기를 통과 후 가스상태가 돼 압축기로 흡입된다. 이때 증발기를 통과한 저압을 가스쿨러에서 필요로 하는 고압의 압력으로 압축을 시켜야 하기 때문에 압축기의 부하를 줄이는 것이 필요하다.


Receiver의 압력은 Receiver에서 분리된 가스냉매를 배출하는 배관에 설치된 또 다른 압력조절밸브에 의해 조절되며 이 압력은 가스쿨러의 압력보다는 낮다. 증발기의 압력보다는 높은 중압상태로 유지된다.


Receiver에서 분리된 가스상태의 냉매는 증발기를 통과한 저압의 냉매와 혼합된 상태로 압축기 흡입 측으로 유입되며 이러한 압력조절을 통해 압축기의 부하를 줄일 수 있다.


두 번째 솔루션은 다른 압축기를 이용하는 방법이다. [그림3]은 다른 압축기가 하나 더 적용된 시스템의 계통도를 도시한 것으로 처음 설명한 사항과 동일하지만 중간압축기(IT)가 시스템에 추가돼 있음을 알 수 있다. 이 중간압축기는 Receiver에서 분리된 중압의 가스냉매를 바로 압축하는 역할을 한다. 이렇게 시스템을 구성할 경우 메인압축기(MT)에 흡입되는 냉매가스 유량을 줄일 수 있으며 이로 인해 압축기의 소비전력을 줄일 수 있으므로 매우 유용한 솔루션으로 볼 수 있다.



마지막으로 ejector가 적용된 솔루션을 제공하기에 앞서 ejector에 대해 간단히 설명을 하고자 한다. Ejector는 100년 이상 잘 알려진 기술로 다양한 어플리케이션에서 사용됐다. Ejector의 원리는 벤츄리 효과를 이용한 것으로 형상학적 특징으로 인해 저압의 유체는 고압의 유체가 흐르는 방향쪽으로 유입돼 저압의 유체를 고압으로 만들어주는 효과를 가지고 있으며 [그림 4]는 이를 알기쉽게 도시한 것이다.


[그림 5]는 Multi ejector을 적용한 R744 시스템의 계통도다. 앞서 언급한 두가지 솔루션이 적용돼 있을 뿐 아니라 multi ejector가 시스템에 적용돼 있음을 볼 수 있다. Multi ejector는 ejector가 여러 개로 조합돼 있는 형태로 구성돼 있으며 각 ejector는 전자밸브에 의해 작동되는 부하 대응형으로 제작됐다.


Ejector의 고압측은 압축기 토출가스가 유입되며 저압측은 증발기를 통과한 저압상태의 가스냉매가 유입된다. 이렇게 되면 고압의 토출가스의 유동방향으로 저압의 흡입가스가 유입돼 Receiver의 중압형태로 변환될 수 있다. 이로 인해 메인압축기(MT)로 흡입되는 냉매량이 줄어들기 때문에 압축기 소비전력이 줄어드는 효과를 가져올 수 있을 뿐 아니라 흡입되는 저압의 냉매가스의 압력을 중압으로 상승시킬 수 있는 효과를 가지고 있어 에너지소비효율이 매우 개선될 수 있다. 또한 Multi ejector의 경우 부하에 따라 전자밸브를 제어하기 때문에 에너지절감에 매우 유용한 시스템이다. 또한 이런 ejector의 경우 압축기의 용량을 줄일 수 있어 초기 투자비용을 줄일 수 있다는 매우 큰 장점을 가지고 있다.