2.1 냉매 선정

스팀히트펌프(SGHP)에 적용 가능한 냉매를 선정하기 위하여 Table 1⁽⁴⁾과 같이 비교하였다. 냉매는 스팀 온도(120℃) 이상에서 이상상태(2-phase) 열전달이 가능한 동시에 인화성과 독성이 없고 환경유해성(ODP, GWP)이 낮아야 한다는 점을 선정 기준으로 하였다.

SGHP 냉매 후보들 중 임계점이 본 연구에서 요구하는 응축온도(120℃ 이상)보다 낮은 냉매는 선정하지 않았다. 만약 이러한 임계점이 낮은 냉매를 SGHP에 적용할 경우, 스팀 생산 시 필요 이상으로 높은 압축기 토출 압력과 온도를 요구⁽⁵⁾하여 고압설계가 필요하게 된다. 또한 고온운전을 위한 압축기 개발이 선행되어야 하며, 임계점 부근에서 냉매 특성이 급격히 변화하여 시스템을 안정적으로 제어하는 기술이 개발되어야 한다. 이러한 이유로 임계점이 낮은 기존 히트펌프에서 주로 사용되는 냉매인 R134a나 자연냉매인 R744는 SGHP 냉매로 선정하지 않았다. 인화성과 독성이 존재하는 R1234 계열, R245ca, R365mfc는 시스템 안전성을 고려해 선정 대상에서 제외하였다.

최종적으로 오존층 파괴지수(ODP)가 0이고 지구온난화지수(GWP)가 상대적으로 낮아 친환경 냉매라 평가받는 저압냉매인 R245fa를 본 연구의 SGHP용 냉매로 선정하였다.

2.2 실험 장치

본 연구에서 120℃ 스팀 생산을 위해 구성한 SGHP 는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 압축기와 모터, 오일쿨러 등을 하단부에 설치하고 전기 패널과 열교환기를 상단부에 설치한 구조로 제작하였다. 실험을 위한 SGHP 시스템은 Fig. 4에 나타난 바와 같이, 열원부, 히트펌프부, 증기생성부로 구성된다.

해당 SGHP는 증발기에서 외부 열원을 통해 에너지를 흡수한 저온․저압의 냉매가 압축기를 거쳐 고온·고압이 되고 응축기를 통해 외부로 에너지를 방출한다. 응축된 액상 냉매는 팽창변을 지나며 압력과 온도가 낮아지고 다시 증발기로 순환하게 되는 증기 압축 사이클을 형성한다. 낮은 열원온도로 인해 커지는 압축비를 줄이기 위해 추가적인 열원 공급 없이 냉매를 가열하기 위한 방안으로 증발기와 압축기 사이에 내부열교환기(IHX)를 적용하였다.

SGHP의 압축기는 작동 냉매와 냉각오일 온도를 고려하여 개방형 스크류 압축기를 선정하였다. SGHP의 냉매로 선정된 R245fa는 운전대역을 고려하면 포화압 특성이 R134a와 유사하다. 따라서 상용화된 R134a용 압축기에 R245fa를 적용하여, SGHP의 압축기 출구조건을 현실화할 수 있었다. 본 실험에 앞서, 선정한 압축기에 R245fa를 적용하여 1,000시간 성능테스트를 수행하였다.⁽⁶⁾ 그 결과, 압축기의 입구 온도 80℃, 입구 압력 7 bar 내에서 인버터 제어를 통해 75% 부하 운전으로 하는 초기기동 제어전략을 수립하고 오일탄화 등 여타 문제가 발생하지 않음을 확인하였다. SGHP의 열교환기는 쉐브론 각도(Chevron angle)가 30도인 전열판을 적층하여 제작한 브레이징 판형 열교환기(BPHE)를 적용하였다. 증발기와 응축기의 외측 크기는 322 mm×739 mm이며 적층되어 있는 전열판의 수는 증발기는 62장, 응축기는 50장이 사용되었다. 내부열교환기의 전열 면적은 4.26 m²이며 총 40장의 전열판이 적층되어져있다. SGHP의 팽창밸브(EEV)는 일반적인 냉동공조용 히트펌프에 사용되는 팽창밸브보다 고온고압 영역에서 작동이 가능한 ICM Valve를 선정하였다. 고온용 전자팽창밸브(ICM valve)와 컨트롤러를 사용하여, 증발기측 과열도를 제어하였다. 응축기 내부에서 이상상태(2-phase) 열전달이 될 경우, 막비 등으로 인하여 열전달율이 오히려 낮아질 수 있으며 열교환기 부피가 커질 수 있다는 단점이 있다. 이를 회피하기 위해 순환수를 가압시켜 응축기에 공급해 열교환 후, 응축기 후단에 위치한 플래쉬탱크에서 플래싱(flashing)되어 스팀을 생산하게끔 구성하였다.

플래쉬탱크는 상분리기(phase separator) 역할을 하며, 응축기 후단에 설치되어 순환하는 고온 포화수를 감압시켜 스팀을 발생시키는 장치이다. 플래쉬탱크의 용량은 150 L이며 운전 중 스팀의 생성과 보충수의 보급이 안정적으로 유지되는지 확인하기 위해서 차압식 수위계와 가시창을 설치하였다. 생성된 스팀 양을 확인하기 위해 스팀 배출구에 질량유량계를 설치하였다.

펌프내부에서 발생하는 공동현상(cavitation)을 억제하기 위하여 흡입양정을 높였으며, 손실수두를 줄이기 위해 순환펌프를 플래쉬탱크 하단부에 수직방향으로 설치하였다. 플래쉬탱크 스팀 토출 배관에 전자제어밸브를 설치하고, 전자제어밸브의 개도율을 조절하여 플래쉬탱크 내부 압력을 일정하도록 제어하였다.

공정폐열을 모사할 수 있도록 LNG보일러와 전열기기로 구성된 별도의 열원시스템을 구성하였다. 이를 이용해 실험 중에는 열원수 온도를 일정하게 제어하였다. 시스템의 온도와 압력은 Fig. 4에 나타난 바와 같이 각 부분에 열전대(T-type)와 압력센서를 설치하여 측정하였으며, 유량은 증발기 측과 응축기 측으로 나누어 전자기유량계(Electromagnetic Flowmeter)로 측정하였다. 데이터로거를 통해 5초 간격으로 데이터를 취득하였다.

2.3 실험 방법

SGHP 기동 전, 열원시스템을 먼저 가동하여 응축기와 증발기의 2차측 순환수 온도를 70℃ 이상으로 승온 시켰다. 또한 유분리기의 오일 온도를 60℃로 가열한 후, 인버터 운전으로 압축기를 기동하였다. 응축온도가 상승하고 플래쉬탱크 내부 증기압력이 충분히 높아지면, 플래쉬탱크 스팀 토출배관의 밸브를 열어 Fig. 5와 같이 스팀을 생산하였다. 응축기 전후단의 고온 포화수 온도와 플래쉬탱크 상단에서 측정한 스팀 온도의 시간에 대한 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 응축기 및 증발기의 입․출구측 관내에 삽입된 온도 센서(PT 100Ω)를 통해 온도를 측정하였으며 플래쉬탱크 상단측의 온도 센서(PT 100Ω)를 통해 탱크 내에서 플래싱 되어 배출되기 전 스팀 온도를 측정하였다. 초기 70℃에서 기동하여 시스템이 안정화된 후, 120℃ 스팀이 발생하는 것을 확인하였다.

가열 열량은 식(1)과 같이 구하였으며 성능계수인 COP는 식(2)를 통해 구하였다. 여기서 A_w는 히트펌프의 압축기를 구동하는데 사용한 소요 동력을 의미한다.