저GWP 냉매를 적용한 고효율 터보 냉동기
  • 해당된 기사를 공유합니다

저GWP 냉매를 적용한 고효율 터보 냉동기

저GWP 냉매를 적용한 터보 냉동기와 그 적용사례 소개
-미쯔비시중공머티리얼즈(주) / 하세가와 타이시 -

1. 머리말


2016년 10월 몬트리올 의정서 제28회 조약체결국가 회합(MOP28)에서 HFC 생산 및 소비량 포함 단계적 삭감의무 등을 정한 ‘키가리 개정’이 채택돼 2019년 1월부터 시행되고 있다. 지금까지는 유럽의 F-gas 규제, 일본 내의 프레온배출억제법에 한정돼 왔으나 세계 각국에서 HFC 규제가 합의된 의의가 크므로 탈(脫)HFC가 가속화할 것이다.

 

실제로 캐나다, 오스트레일리아에서는 HFC 냉매 포함 온실효과가스를 규제·관리하기 위한 법률이 시행되고 있다. 미국에서도 SNAP 프로그램에 의해 지정된 HFC 냉매를 사용하지 못하게 하는 연구가 진행되고 있고 이를 수용해 미국 캘리포니아 주에서는 지구온난화대책법 강화와 더불어 HFC 냉매 배출량 삭감을 위한 방책 강화에 대해서도 검토하고 있다. 

 

터보 냉동기는 지역 열공급, 빌딩·공장 공조, 화학·식품공장의 프로세스 냉각 등에 사용되는 열원기이고, 냉동능력은 150USRt~5000USRt에 이른다. 터보 냉동기가 지구온난화에 영향을 끼치는 요인은 운전 시 소비되는 에너지 기원의 CO₂배출과 냉매 누출로 인한 대기 방출이다. 미쯔비시중공머티리얼즈(주)는 지금까지 지속적으로 압축기와 열교환기의 고효율화, 열원 시스템으로서 최적의 제어를 추구해 운전 시 에너지 소비를 줄여 왔다. 또한 메인티넌스를 충실히 함과 동시에 정기적으로 냉매 누출을 점검함으로써 누출량 최소화에 주력해 왔다. 그러나 HFC 냉매는 지구온난화계수(이하 GWP라고 한다)가 높아 냉매가 미량 누출되더라도 지구온난화에 미치는 영향이 염려된다. 

 

앞으로는 GWP가 높은 HFC 냉매 사용이 제한될 것이므로 15년 이상 된 터보 냉동기의 라이프사이클을 고려하면 서둘러 GWP가 낮은 냉매로 전환할 필요가 있다. 이런 가운데 미쯔비시중공머티리얼즈(주)는 2015년 9월에는 GWP가 1인 HFO-1233zd(E) 채택 ETI-Z 시리즈를, 2017년 4월에는 GWP가 1보다 작은 HFO-1234ze(E) 채택 GART-ZE/ZEI 시리즈를 각각 판매하기 시작했다. 이로써 150USRt~ 5000USRt의 냉동능력 범위에 있는 저GWP 냉매 대응 터보 냉동기를 제공하게 됐다. 

 

본고에서는 저GWP 냉매 채택 터보 냉동기 시리즈 ETI-Z [HFO-1233zd(E)] 및 GART-ZE/ZEI [HFO-1234ze(E)]의 특징·사양과 폭넓은 적용사례를 보고한다. 


2. 터보 냉동기용 저GWP 냉매 선정 


터보 냉동기에 적용하는 저GWP 냉매를 선정함에 있어서는 다음과 같은 항목을 검토했다.

 

① 환경성

오존층파괴계수(이하 ODP라고 한다) 0.001 이하, GWP 150 이하, 장기 폭로 독성 800ppm 이상일 것 

 

② 물성

종전의 냉매인 HFC-134a에 비해 동등한 냉동 사이클 효율을 갖고 기기 설계압력이 현저하게 높지 않을 것. 냉동 사이클 효율(냉동기 효율)은 물성에 미치는 영향이 커 에너지 소비량이라든가 CO₂배출량 삭감에 중요하다. 작동압 범위도 물성에 따라 정해지는데 작동압이 높으면 냉동기 구성 부재는 강도를 확보하기 위해 살이 두꺼워져(厚肉化) 비용부담이 증가한다. 

 

③ 입수성

터보 냉동기의 냉매 이외에도 용도가 있어 생산량이 기대된다. 터보 냉동기는 빌딩용 멀티에어컨에 비해 냉동능력 수준의 필요 냉매량이 작고 또 생산대수도 적기 때문에 터보 냉동기에 사용되는 냉매량은 다른 공조기기(빌딩용 멀티에어컨, 카 에어컨 등)와 비교하면 적다. 그러므로 안정적인 공급과 가격을 생각하면 다른 공조기기에서 사용한다든가 발포제 등 냉매 이외의 용도로 사용됨이 중요하다. 

 

④ 안전성

낮은 독성, 불연성(기계실 사용에서 화재 염려가 없을 것)일 것. 독성과 연소성은 안전성의 중요한 지표이므로 안전을 확보하지 못할 경우에는 법적 규제가 따른다. 독성이 낮고 불연성이면 법적 규제가 필요 없다. 

터보 냉동기에 적용하는 저GWP 냉매로는 <표 1>에 나타내는 냉매를 검토했다. HFO-1234yf, HFO-1234ze(E)는 비교적 HFC-134a에 가까운 물성으로써 고압가스보안법의 특정 불활성 가스로 분류된다. 한편 HFO-1233zd(E)는 HFC-134a와는 물성이 크게 다르고 HFC-245fa에 가까운 공조의 상용 온도에서는 냉매압력이 0.2MPa(G)보다 낮기 때문에 고압가스보안법이 적용되지 않는다. 또한 GWP가 1 이하로 낮기 때문에 프레온배출억제법 프레온류에 해당되지도 않는다. ①~④의 항목을 충족시키고 Risk Assesment에서 안전하게 사용할 수 있을 것으로 판단되는 냉매 중 중소용량급 시리즈에서는 HFO-1233zd(E)를, 대용량급 시리즈에서는 HFO-1234ze(E)를 채택했다. 

 

 

2020년 6월호 월간 설비기술 '특집 2' 일부 발췌...

 

<위 내용은 본사의 승인없이 무단 전제 및 복제를 금합니다.>