냉동공조분야에서 열교환기는 핵심부품 중 하나로 구조에 따라 다양한 형태의 열교환기들이 적용되고 있다.

과거에는 소형제품에 주로 튜브인튜브(Tube in Tube) 열교환기나 쉘엔코일(Shell & Coil) 열교환기가 주로 사용됐으며 대형제품에는 쉘엔튜브(Shell & Tube) 열교환기를 적용됐다.

그러나 최근에는 제품의 경량화, 효율 향상, 설치면적 최소화 및 냉매 충전량을 줄이기 위해 유럽 등 선진국에서는 판형열교환기(BPHE: Plate Heat Exchanger)를 주로 사용하고 있다.

글로벌시장에서 500kW(140RT) 이하 판형열교환기 적용사례를 살펴보면 유럽은 95% 북미는 70%, 남미는 5%, 아시아지역은 30%를 적용하고 있다.

판형열교환기의 지역별 시장을 살펴보면 유럽이 68%, 아시아 19%, 북미 11% 및 기타 2%로 나타내고 있으며 분야별 시장은 가정용 난방분야 29%, 냉동기 및 히트펌프분야 28%, 산업용분야 18%, 지역냉난방분야 12%, 냉동분야 6%, 기타 7%로 구분된다.

냉동기 및 히트펌프에 적용되는 열교환기는 증발기와 응축기에 적용되는 열교환기다. 이는 냉동기기의 주요 열교환기로 분류된다.

수냉식 증발기는 냉매를 이용해 냉수를 만들어 FCU(Fan Coil Unit: 실내기) 또는 AHU(Air Handling Unit)에 공급하는 열교환기이다. 응축기는 압축기에서 발생한 고온·고압의 냉매증기를 응축해 저온의 냉매를 만들어 증발기로 보내는 열교환기를 말한다.

기존에 소형에는 Shell & Coil 또는 Tube in Tube열교환기를, 대형에는 Shell & Tube 열교환기를 적용했던 것이 최근 판형열교환기로 대체되고 있다는 것이다.

글로벌 판형열교환기 전문기업의 한 관계자는 “최근에 판형열교환기의 기술개발로 소형화 및 제품의 효율향상을 위해 판형열교환기를 채용하는 추세가 늘어나고 있다”라며 “특히 브레이징 판형열교환기(BPHE)는 효율이 좋고 내구성이 뛰어나며 40bar 이상의 높은 압력에서 적용할 수 있는 장점이 있어 냉동능력 100usRT(352kW) 이하의 냉동기 및 히트펌프시장은 BPHE로 거의 대체되고 있다”고 강조했다.

대형 냉동기에도 제품의 소형화 및 모듈방식의 냉동기 개발에 따라 브레이징 판형열교환기 적용을 검토하고 있다.

글로벌 냉동공조기업인 C사 등은 터보냉동기 500RT의 증발기 및 응축기에 브레이징 판형열교환기를 검토하고 있다. 이는 브레이징 판형열교환기가 중량을 50%, 체적을 70%, 냉매충진량을 80%를 줄일 수 있으며 CO₂저감 75% 및 효율을 20% 향상시킬 수 있기 때문이다.

최근 브레이징 판형열교환기의 성능향상을 위한 기술 개발동향을 보면 냉매측 체적을 최소화하고 물측 체적을 최대화해 냉매측 열전달률 향상 및 냉매 충전량·물측 압력손실을 최소화하는 ‘비대칭형 구조(SWEP AsyMetrix)’가 개발되고 있다.

또한 증발기의 경우 냉매는 팽창밸브를 지나 열교환기내로 냉매액과 증기가 혼합해 들어오므로 냉매를 균일하게 분배해 주는 것이 가장 중요하다. 이를 위해 냉매분배장치를 적용하고 있다. 이는 냉매의 종류 및 냉매가스의 양에 따라 분배가 달라지므로 이를 위한 기술개발이 중요하기 때문에 냉매분배 관련 기술개발도 활발하게 진행되고 있다.

이외에도 Corner Pattern, 다양한 패턴의 Chevron Angle, 고효율 Channel Plate 개발 및 Dual Circuit 판형열교환기 등도 개발되고 있어 향후 냉동공조분야에 판형열교환기 적용이 보다 늘어날 것으로 기대된다.

에코노마이져(Economizer), 흡입가스 열교환기(Suction Gas Heat Exchanger) 개발이다. 이는 냉매액과 냉매가스의 열교환을 통해 냉동시스템의 효율(COP)을 향상시켜 준다. 특히 2단 압축기의 경우에는 필수적으로 적용되고 있으며 냉동효과를 향상시켜줄 뿐만 아니라 압축기 출구온도를 낮춰줘 응축기 열량을 감소시키며 또한 압축기의 내구성을 향상시킨다.

이외 고압의 CO₂–Gas Cooler의 제품도 개발되고 있다. CO₂는 자연친화 냉매로 현재 유럽에서는 냉동 및냉장시스템에는 CO₂냉매를 적용하고 있다. CO₂냉매의 경우는 사용압력이 높아 구조설계가 아주 중요하다. 자동차 Gas Cooler의 경우 사용압력이 140bar에 달하기도 한다.