인덕대 산학협력단은 2004년 3월에 설립돼 그동안 학교기업 설립, 산·학협동 활성화, 연구지원 및 지적재산권 관리 중심으로 업무를 수행해왔다. 이를 통해 총 31건의 특허등록을 마쳤으며 최근 2년 동안은 25건 12억9,658만원 규모의 연구활동을 활발하게 진행하고 있다.김영득 교수는 인덕대 산학협력단에서 다양한 분야의 기업들과 협력해 연구활동을 수행해왔으며 개발한 기술들을 산업에 적용시키는 성과를 창출해냈다.
콜드체인분야 연구개발에서도 △이산화탄소(CO₂) 이차유체를 이용한 2kW급 냉장 쇼케이스 기술개발(참여기업: 대성마리프) △대용량 초저온 냉동고 개발(대영이앤비) △초저온 냉동고 개발(K3우성네트워크) △초대형 쇼케이스 냉각시스템기술개발(인덕대 산학협력단) 등 과제를 참여기업과 공동으로 진행해왔다.
김영득 교수를 만나 CO₂를 2차 냉매로 활용하는 냉장 쇼케이스 기술개발에 대해 들었다.
■ 과제목표와 성과는
‘이산화탄소 2차유체를 이용한 2kW급 냉장 쇼케이스 기술개발’ 과제는 이산화탄소를 2차유체로 사용해 냉장온도 5~10℃에서 ±1.5℃ 이내로 제어되는 냉장·냉동용량 1kW급 쇼케이스 2대를 병렬로 연결한 2kW급 냉동시스템을 개발하는 것이다.
인덕대 산학협력단과 대성마리프가 공동으로 프로젝트를 수행했으며 주관기관인 인덕대는 △시스템 연구 △시작품 구성 및 설계 △열교환기 및 내압 부품설계 △단품 성능시험 및 기초시험 등을, 대성마리프는 △시작품 조립 및 제작과정을 맡았다.
이번 연구를 통해 각종 CFC, HCFC 및 HFC 냉매들이 지구오존층파괴 및 온난화지수 등 환경관련 문제로 생산 및 사용 규제가 강화됨에 따라 친환경냉매를 활용한 냉각기술 개발이 활성화될 것으로 기대된다.
특히 이산화탄소를 2차유체로 하는 2kW급 냉장냉동 쇼케이스 기술은 설계된 이산화탄소 열교환기 및 저장탱크 부품의 내압 안정성을 확보하고 성능시험을 통한 시스템 기본성능 수준을 확인했으며 기술 특허출원도 완료했다.
■ CO₂ 2차유체 기술이란
이산화탄소를 2차유체로 하는 냉장 쇼케이스시스템은 크게 순환 이산화탄소를 응축시키는 공랭식 칠러부와 냉동 쇼케이스를 직접 순환하는 이산화탄소 순환부로 구성된다. 이산화탄소의 순환을 살펴보면 탱크 내 이산화탄소를 펌프를 이용해 순환시키고 액체상태의 이산화탄소가 식품이 보관된 냉장 쇼케이스 내에서 열을 흡수하고 증발 후 응축부에서 응축돼 탱크로 되돌아간다. 응축부는 공랭식 칠러를 통해 축열탱크에 저장된 냉열을 이용해 기체상태의 이산화탄소를 응축한다.
기존의 냉동·냉장용 쇼케이스에 일반적으로 적용되는 냉매의 직접 팽창방식과 비교해보면 냉매 충진량을 1/10정도 감소시킬 수 있고 공랭식 칠러부 내 냉매누설 위험이 없다.
설비의 기계실 제한으로 유지보수가 용이하며 응축기 출구 후 짧은 액체 냉매라인과 증발기 출구 후 짧은 기체상태 냉매라인으로 높은 과냉도 유지 및 낮은 응축압력으로 연간 에너지소비가 7% 이상 절약된다. 기존 실내에 사용되기 어려운 탄화수소계 냉매나 암모니아 등과 연계사용도 가능하다.
또한 기존 물 및 브라인 시스템과 비교하면 이산화탄소 순환 시 증발을 통한 상 변화 열전달로 소형화 및 밀집화가 가능하고 칠러부의 증발온도 상승을 통한 효율증대를 기대할 수 있다.
매우 낮은 압력강하로 펌프동력이 1/20 정도 줄어들며 외기온도가 낮을 경우 자연순환 및 외기 이용 냉각도 가능하다. 배관크기의 획기적인 감소와 이로 인한 연간 에너지소비량이 15~20% 감소한다.
■ 기술개발을 통한 기대효과는
마트에서는 연간 소비전력량의 60%가 냉동·냉장 쇼케이스 관련설비에 사용되기 때문에 에너지절약형 시스템은 점포의 유지비와 관련해 관심의 대상이 되고 있다. 냉동·냉장 쇼케이스의 가장 큰 문제는 긴 배관길이로 인한 냉매충전량 증대와 누설량 증가다. 현장에서는 매년 30%의 냉매가 누설되고 있지만 이러한 누설부위를 정확히 파악하지 못한 채 지속적으로 냉매를 충전하고 있는 것이 현실이다.
이에 반해 CO₂를 2차 냉매로 사용한다면 냉매는 기계실에 한정돼 충전량을 1/10 정도 줄일 수 있고 누설량이 0에 가까운 시스템을 구축할 수 있다.
CO₂ 2차유체 사용 냉동시스템의 경우 기존 직접 팽창방식대비 연 7% 이상 에너지소비량 감소가 가능하고 물·브라인 사용 냉동시스템대비 연 20% 정도의 에너지소비 감소가 가능하다.
냉동기와 냉동 쇼케이스 거리 30m에 1kW급 냉동 쇼케이스 2대를 적용해 계산한 결과 직접 팽창식은 9kg의 R22가 충전되는데 비해 이산화탄소 2차유체 냉동시스템의 R22는 약 60% 정도로 적게 충전된다. 이는 30m보다 긴 배관길이로 적용할 시 그 효과가 더욱 클 수 있음을 의미한다.
물론 부가적으로 이산화탄소 충전량이 더욱 커질 수 있으나 냉매가격이 R22대비 10% 수준에 불과한 이산화탄소 이용은 충전비용이 R22대비 67% 수준이므로 경제적인 측면뿐만 아니라 환경적인 측면에서 이득이 매우 큰 시스템이라고 할 수 있다.
■ 후속연구 계획은
이번에 개발된 2kW급을 기본으로 편의점 및 중소형 슈퍼마켓에 적용할 수 있는 1~5kW급 용량대별 냉장·냉동 쇼케이스 제품개발을 할 계획이다.
중소형시장에서 가장 민감하게 고려하는 부분이 경제성이다. 엄밀한 계산에 기초해 초기 투자비 회수기간을 산정하고 전체 냉동시스템의 신규 설치, 기존 편의점 및 소형 슈퍼마켓의 CO₂ 순환 냉동시스템이 채택될 수 있도록 문제를 체계화해 해소방안을 강구할 예정이다.
