1. 연구배경 및 목적

에너지 절약을 위한 폐열회수를 목적으로 120℃ 고온수 및 증기 공급을 위한 300kW급 산업용 대형 히트펌프를 개발하고 있다.^[1,2] 기존의 스크류 압축기를 사용할 경우 윤활장치를 위한 구조가 크고 복잡해지며 고온에서는 압축기 내부 윤활 시스템 과열에 의한 압축기 고장이 증가할 수 있어, 윤활장치를 사용하지 않는 단순한 구조의 히트펌프 상용화를 목표로 자기 베어링을 내장한 무급유 원심 냉매 압축기를 개발하였다. 처음에는 비교적 구조가 간단하고 제조원가가 낮은 가스 포일 베어링(bump foil type gas bearing)을 사용한 무급유 원심 압축기를 제작하여 성능시험^[3]을 하였으나, 고온 고압(130℃, 23bar)의 운전조건에서 서징과 같은 급변 상황이 발생하였을 경우 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링의 파손이 수시로 발생하여 자체 내구성 평가에서 탈락하였다. 그러나 이때 얻은 설계 및 시험평가 데이터는 Table 1과 같은 고온용 원심 냉매 압축기 개발의 기반이 되었다.

일반 공조용 자기 베어링 탑재 원심 냉매 압축기는 해외에서 오랫동안 연구해 왔다. 90℃급의 경우는 원심 압축기 사용 예가 있고 100℃ 초과의 경우는 스크롤 또는 2단 압축 스크류 압축기를 사용한 경우는 많으나, 단단으로 압력비 4.87의 100℃ 초과 열을 생성하는 히트펌프용 무급유 원심 냉매 압축기 평가 관련 연구는 본 연구가 세계 최초인 것으로 알고 있다. Yamaguchi et al.^[4]는 압축식 히트펌프의 정격운전성능과 실제운전성능의 차이를 비교하기 위해 비정상상태 재현을 위한 실험장치를 제안하고 설비를 만들어 검증하였다. Yim et al.^[5]은 자기 베어링의 센서리스 제어를 위한 고주파신호 주입 회전축 위치 추정방법을 제안하였고 실험을 통해 제안한 방법의 타당성을 검증하였다. Choi는 로터의 회전을 자력을 이용해서 지지하는 능동형 자기 베어링^[6]과 변위센서 및 이를 이용한 자기 베어링^[7]에 대해 연구하고 특허를 출원하였다. 참고문헌^[2,4,5,6]에는 본 연구논문의 냉매 압축기 개발을 위해 같이 협업하는 연구 개발자들이 관여되어 있으며 관련 기술은 오랜 기간 산업용 고압 공기이송 송풍기(turbo blower)에 적용하여 고속모터와 자기 베어링의 신뢰성을 검증하였다. Kim et al.^[8]은 인버터로 제어되는 영구 자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)를 운전하는 제어 알고리즘을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. Brasz^[9]는 공조용 원심 냉매 압축기 성능평가방법에 대해 제안하며 ANSI/ARI 550 외 표준(standard)과 ASME-PTC10 표준을 비교하였다. 주문자 요구 상품(OEM)으로 압축기만 납품해야 할 경우, 냉동기 완제품에 압축기를 탑재하여 수행하는 성능시험과 압축기 단독 성능평가방법에 이견이 있을 수 있기 때문이다. Duggan et al.^[10]은 2차 냉매 열량계법(secondary fluid calorimeter)과 냉매 유량계법(refrigerant vapour flowrater)을 비교하며 칼로리메터를 이용한 압축기 성능시험 기법을 연구하였다. 본 논문에서는 대형 원심 냉매 압축기 단독 성능평가 시스템을 제작할 때 냉매 유량 계법을 응용하였다. Park et al.^[11]은 운전 중 각도 변경이 가능한 디퓨저를 사용한 원심압축기의 디퓨져 각도와 회전수 변경에 따른 성능변화를 연구하여 탈 설계점에서 베인 작동 시 스톨 영역을 회피하면서 요구되는 작동점을 만족하는 최대효율 작동점을 파악하였다.

본 연구에서는 고온용 히트펌프에 압축기를 탑재하여 운전할 경우 발생할 수 있는 고장 원인을 추정하여, 이를 회피하며 압축기 성능을 평가할 수 있도록 Fig. 1과 같은 고온용 압축기 단독 시험설비를 제작하여 1차 평가한 후, 별도의 히트펌프 시스템 성능평가 설비에 압축기를 탑재하여 재시험하였다. 성능시험은 증기분사(vapor injection) 시스템을 사용한 압축기 단독의 공력 성능(aerodynamic performance) 측정법과 히트펌프 시스템(evaporator to condenser)에 압축기를 탑재하는 평가방법을 사용하였으며, 측정 정도를 높이기 위해 냉매질량유량, 온수 유량, 고온수 유량, 증기발생량, 압축기 소비전력 등을 동시에 측정하여 열평형(heat balance) 상태를 비교하였다. 히트펌프용 원심 냉매 압축기의 평가항목에는 당연히 열 성능(kWth)과 효율 평가가 우선이다. 그러나 산업현장에서는 압축기의 열성능이 조금 부족하더라도, 어떤 돌발 상황이 발생하였을 때 압축기가 정지하지 않고 운전될 수 있는 신뢰성과 장기간의 악조건 운전에도 견딜 수 있는 내구성능이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 압축기의 열성능과 효율 목표 달성 이후에는 운전 신뢰성과 내구성능 위주로 성능을 평가하였다.

Fig. 1. Test setup for high-temperature oil-free Centrifugal refrigeration compressor only.

2. 자기 베어링 내장 무급유 압축기 성능평가

새로이 개발한 Fig. 2와 같은 구조의 고온용 무급유 원심 냉매 압축기는 윤활유를 사용하지 않음으로 기존의 압축기보다 구조가 간단하여 고장요인도 적고 효율도 매우 높지만^[12] 물리적인 원인에 의한 압축기 고장은 얼마든지 발생할 수 있다. 고장발생 원인을 알면 개선대책 수립이 가능함으로 새로 개발한 압축기는 성능시험 시 고장발생 원인 제거를 위한 회피운전과 신뢰성 및 내구성을 높이기 위해 일부러 고장을 발생시키는 조건의 성능시험을 병행하였다. 압축기 임펠러 열 성능(kWth) 평가 완료 이후에는 스톨 마진(stall margin) 향상과 베인 디퓨저(vaned diffuser)의 압축비(compression ratio) 개선을 통한 운전영역 확대를 위해 압축기 단독 성능시험기에서 온도와 압력 조건을 변경해 가며 신뢰성 및 내구성능을 시험(test)하였다.

Fig. 2. Oil-free centrifugal refrigeration compressor with magnetic bearing(prototype, full scale).

2.2 압축기 성능실험설비 구성 및 시험방법

작동유체인 R-245fa 냉매는 상온에서 액체 상태임으로 정상운전상태 진입 전에는 압축기 보호를 위해 Fig. 3(a)와 같은 고온가스 바이패스 운전(hot gas by-pass) 장치가 반드시 필요하다. 바이패스 운전은 주위온도 상태에 따라 적절하게 설정해 운전하며 압축기가 정상상태에 도달한 후에는 그 기능을 차단한다. 압축기 단독 성능평가 후 히트펌프 시스템과 결합된 압축기 성능평가를 위해 폐열공급기, 히트펌프, 증기발생기(flash tank)를 Fig. 3(b)와 같이 하나의 시스템으로 구성하고 각종 센서와 데이터수집장비(DAQ, Keysight 34980A)와 연결된 별도의 성능시험 설비를 제작하였다. 40,000 rpm 150 kW급 인버터를 사용하였으며 인버터의 운전은 토크제어(DTC 제어, digital torque control) 방식을 사용하였다. 운전전류 제어방식 인버터 보다 제어가 편리하고 냉매시스템의 급속한 변화에도 추종성이 양호하였다.

Fig. 3. Experimental setup for measuring performance of centrifugal refrigeration compressor.

고속 모터 소비전력은 고주파 전력측정 기능을 가진 정밀급 파워미터(YEW, WT1800, accuracy 0.15%)를 이용하였으며, 온수 및 고온수 유량측정은 150℃까지 측정 가능한 마그네틱유량계(YEW, AXF 계열, ±0.35%)를 설치하였고 냉매측은 질량유량계(OVAL, ALTImass, ±0.2%)로 측정하였다. 압축기 성능환산에 사용하는 온도는 온도센서(pt 100 Ω, ±0.1℃)와 압력센서(WIKA, ±0.5%)에서 측정한 포화압력 상당온도(saturation pressure equivalent temperature)를 서로 비교하며 사용하였고, 이때 측정불확도(uncertainty in measurement)가 커지지 않도록 주의 하였다. 모든 센서와 계측기는 공인교정 후 사용하였다. 압축기 성능시험 후 신뢰성 확인을 위해 성능시험이 완료된 압축기 성능곡선 중 임의의 한 점을 재현(재시험)하는 과정을 반복하였으며 이때의 성능(corrected performance)은 ±2% 이내에서 일치하였다.

3. 압축기 성능시험

Fig. 1은 압축기 단독성능, 신뢰성과 내구성능 평가를 위해 사용하고 Fig. 3(b)와 같은 시험설비는 소비전력이 크지만(450 kW급) 히트펌프용 부품과 반제품을 각각 독립적으로 성능 평가할 수 있으며, 완제품과 일치하는 냉매 시스템 기능을 구현할 수 있다. 압축기 능력 시험기준은 AHRI 550/590,^[13] ANSI/AHRI 540,^[14] ASME PTC-10^[15]을 사용하였으나 이 연구에서는 미국냉난방공조협회(AHRI) 기준을 우선으로 하였다.

3.1 압축기 구조성능 및 누설성능 시험

온도 150℃ 수준에서도 운전 가능한 전동기와 자기 베어링의 냉각을 위해 전용 냉각팬을 설계․제작하여 성능검증을 하였으며^[16] 실제 운전 상태에서 권선 온도는 125.6℃를 나타내어 설계조건을 만족하였다. 기계적 성능평가 항목으로 회전축의 축 방향 하중과 굽힘 진동모드 해석, 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링의 부하용량, 위치제어기능 등을 확인하였다. 추력 부담을 낮추기 위해 임펠러는 슈라우드(shrouded) 형태로 제작하여 2차 유로(압축기 입구-출구 볼류트 사이)에서 압력평형을 이루도록 하였다.

냉매가스온도를 설계점(130℃) 이상으로 유지하며 장시간 운전하고 있을 때 4% 내외의 누설(leakage flow) 및 풍손(windage loss)이 발생하며 출구 고온가스가 압축기 입구로 누설되어 임펠러 입구온도 상승과 함께 압축기 효율저하가 발생하였다. Fig. 4는 실용적인 누설량 목표 2% 이하를 달성하기 위해 수행한 개선작업을 나타낸다. 열팽창에 의해 어긋난 임펠러와 디퓨저 간극을 조정하여 임펠러 출구 저항에 의한 냉매가스 순환량 감소문제를 해결하였으며, 기생유로 손실(parasitic losses : windage, disk friction, leakage etc.)의 최소화를 위해 자기베어링의 간극을 150 이하로 유지하고 실(seal) 반경을 조정하였고 고무오링(o-ring)을 적용하여 고온 가스의 누설을 방지하였다.

Fig. 4. Inlet temperature distortion due to eye seal and labyrinth seal leakage.

3.2 압축기 운전 안정성 및 열 성능 시험

압축기 개발시험 초기에는 응축된 R-245fa 냉매가 배관을 지날 때 일시적인 시스템 불평형에 의한 급작스러운 스톨(stall)이나 서징(surging)에 의해 래디얼 베어링과 추력제어 자기 베어링이 손상되는 일이 있었으나 추력(thrust force)과 시스템 제어로직(control logic)을 수정한 이후에는 어떠한 경우에도 매우 안정된 운전이 가능함을 확인하였다. 또한 Fig. 5(a)와 같은 베인리스 디퓨저(vaneless diffuser)를 초기 설계사양으로 채택하였으나 압축기 성능이 만족스럽지 않아 Fig. 5(b)와 같은 베인 디퓨저(vaned diffuser)를 사용하여 압력비(pressure ratio)를 높이는 방법으로 설계를 변경하였다. 설계결과 검증을 위해 상용 유동해석 프로그램인 CFX 16.1^[17]을 이용하여 형상변수들이 성능에 미치는 영향에 대해 Fig. 5(c)와 같이 검토하였으며, 유동해석 결과는 압축기 제작 후 실제 성능시험 결과를 예측하는데 사용하였다. 압축기 임펠러 블레이드 각이 확정된 상태에서 성능시험 후 냉매유량이 부족하거나 설계조건보다 압축기 운전영역이 좁을 경우 Fig. 5(d)와 같이 디퓨저 각도와 회전수를 변화하며 최적화 시험을 하였다.

Fig. 5. Diffuser(example of initial setting angle of the vaned diffuser = 78.8°).

Table 2의 성능 데이터는 Fig. 3의 실험설비에서 측정한 시제품의 성능 값으로 압축기 열용량이 과잉 설계된 것으로 나타났다. 측정결과 평가시에는 시험 데이터의 신뢰성 평가지수로서 열평형(heat balance) 계산을 하며 그 일부를 Table 2에 나타내었다. AHRI 550/590의 경우 100% 부하일 때 열평형 허용오차(allowable tolerance)는 ±5%이다. Table 3은 상용화 수준까지 개선된 냉매 압축기 단독 성능 측정 결과이다. Fig. 1 실험설비에서 측정하였으며 이 시험설비에서는 적은 소비전력을 사용하여 냉매 압축기 단독성능시험, 신뢰성 시험, 내구 성능시험 등을 수행할 수 있다. Table 3 값은 측정값(raw data)에서 실제 성능 값을 계산하고 계산된 값을 사용하여 다시 성능을 보정(correction) 하였다. 이때 설계점 입출구 전압(total pressure) 및 정적온도(static temperature)는 측정값을 사용하였으며 Refprop^[18]와 FluidProp^[19]의 물성치(enthalpy, entropy)를 연동하여 계산한 후 보정된 성능 값을 얻었다.

Table 2. Mass flow rate, heat capacity, and heat balance at design point conditions(prototype)

Measurements value(at 37,000 rpm)
Parameter		Unit	Evaporator	Condenser	Compressor	Steam supply*
$\dot{m}$	water mass flow rate	kg/s	10.12	13.65		0.120
$\Delta t$	Temperature difference($t _ { 0 } - t _ { i }$)	℃	5.03	5.77
$\dot{Q}$	heat capacity	kW	213.08	329.70
-	Compressor power consumption	kW			108
	Heat Balance	%	$\left( Q _ {$evap$} ^ { \cdot } + Q _ {$comp$} \right) / \dot { Q } _ {$cond$} \times 100$ = 97.39
*Replenish water flow rate as much as steam supply

Table 3. Compressor performance test data(part of the data, commercial scale)

Correction to Design Point
$DT _{ti}$ [℃]	$DP _{ti}$ [kPa]	$a _{c}$ [m/s]	$\rho _{c}$ [kg/m3]	$N _{c}$ [rpm]	$Q _{\dot {mc}}$ [kg/s]	$P _{r-t}$	$\eta _{ad}$ [%]
-1.5◦ Diffuser, 100% rpm
65.021	462.59	134.944	25.027	36430.880	2.212	4.380	0.778
65.021	462.59	134.944	25.027	36430.748	2.180	4.538	0.795
65.021	462.59	134.944	25.027	36424.380	2.133	4.630	0.801
65.021	462.59	134.944	25.027	36430.610	2.082	4.741	0.807
65.021	462.59	134.944	25.027	36440.167	1.988	4.877	0.806
65.021	462.59	134.944	25.027	36469.082	1.939	4.938	0.800
65.021	462.59	134.944	25.027	36437.688	1.872	4.968	0.800
Flow Path Expansion, 100% rpm
65.021	462.59	134.944	25.027	36340.884	2.425	4.149	0.729
65.021	462.59	134.944	25.027	36481.066	2.439	4.312	0.741
65.021	462.59	134.944	25.027	36478.943	2.401	4.404	0.746
65.021	462.59	134.944	25.027	36470.492	2.312	4.557	0.751
65.021	462.59	134.944	25.027	36464.704	2.244	4.681	0.752
65.021	462.59	134.944	25.027	36420.242	2.108	4.843	0.755
65.021	462.59	134.944	25.027	36427.461	1.967	4.924	0.745

측정값으로부터 최종 계산한 압축기 질량유량과 회전수는 식(1), 식(2)와 같다.

(1)

$Q _ { \dot { m } c } = \frac { \dot { m } _ { 1 } } { \left( \frac { a _ { 1 } } { a _ { 0 } } \right) \left( \frac { \rho _ { 1 } } { \rho _ { 0 } } \right) }$

(2)

$N _ { c } = \frac { N _ { 1 } } { \left( \frac { a _ { 1 } } { a _ { 0 } } \right) }$

Table 3의 성능보정 후 압축기 단열효율은 식(3)과 같다.

(3)

$\eta _ { a d } = \frac { w _ { s } } { w } = \frac { h _ { o s } - h _ { i } } { h _ { o } - h _ { i } }$

Fig. 6(a)는 하이브리드 레코더 화면으로 시험평가 대상 압축기가 정상상태(steady state)에서 운전하고 있음을 나타낸다. Fig. 6(b)는 Table 3에 표시된 압축기 데이터의 성능곡선으로 효율곡선은 -1.5°로 조정한 베인 디퓨저 채용 시 단열효율이다. 성능측정 시 기계적 회전속도는 35,500~38,000 rpm사이에서 변경하며 운전하였고, 측정하려는 압축기 입·출구측 온도와 압력이 정상상태에 도달하여 1시간 이상 안정된 후 데이터 취득을 시작하였으며 압축기 성능곡선 1개를 완성하기 위해서는 시험시간이 8시간 이상 소요되었다.

Fig. 6. Operating records (a) and Aerodynamic performance map (b) of centrifugal compressor.

4. 결 론

자기 베어링을 내장한 무급유 원심 냉매 압축기는 Table 1의 정격 열성능과 에너지 효율 목표를 달성하였으며, 산업용으로 사용하기 위한 신뢰성과 내구성 확인 성능시험을 수행하며 고온에 적합한 압축기 특성을 고찰하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 가스포일 베어링 내장 압축기의 장시간 운전성능 그래프는 Fig. 6(a)와 거의 같다. 그러나 운전 중 갑자기 서징이나 스톨이 발생하였을 때 가스포일 베어링 압축기는 대처할 틈도 없이 베어링에 내구성 문제가 발생하여 산업용으로 적용은 어렵다고 판단하였다.

(2) 고온 고압 고속(130℃, 23 bar, 38,000 rpm)에서 R-245fa 냉매를 사용하는 자기 베어링 탑재 무급유 압축기 단독 공력성능(aerodynamic performance) 및 내구성능에 이상 없음을 확인하였으며 400시간 이상의 운전 기록을 유지하고 있다. 지금도 신뢰성 확보를 위해서 기준에 의한 연속운전을 계속하고 있는 중이다.

(3) R-245fa 냉매를 사용하는 300 kWth 급 증기발생(steam supply) 히트펌프 시스템에서 138℃, 38,000 rpm으로 운전하여도 자기 베어링 탑재 고속 영구자석 동기전동기의 성능에 이상 없음을 확인하였다.

(4) 완제품에 탑재한 압축기를 기준으로 AHRI 시험표준에 의해 증발기, 응축기, 압축기의 능력을 각각 측정한 후 측정 불확도와 열평형을 계산하여 그 결과를 비교하며 히트펌프를 운전하였다. 열평형 상태가 1에 가깝더라도 안정된 증기발생과 건도 유지를 위해서는 플래시 탱크 순환펌프와 출구압력제어가 필요하다.

(5) ASME PTC-10 시험기준에 의한 압축기 능력은 측정압력, 온도, 냉매가스 밀도, 음속, 회전수 등을 사용하여 다항식(polynomial functions)에 의한 계산으로 성능을 유도한다. 성능평가 과정에서 정격 열성능과 효율 문제는 없었으나, 완제품에 탑재한 압축기 상태를 기준으로 할 때 상 변화(phase change)가 있는 AHRI 시험기준에 의한 성능과 ASME PTC 10과 같이 상변화 없이 작동유체로 가스(gas)를 사용하는 성능에 차이가 있어 차후 논의가 필요하다.

압축기 내부 온도가 150℃에 가까운 고온 히트펌프를 위한 자기 베어링 내장 무급유 원심 냉매 압축기의 선행자료(best practice)를 찾을 수 없어 연구개발과정에서 5년 여 동안 시행착오가 많았다. 역으로 연구개발 결과를 응용하여 R-134a와 같은 공조용 압축기 개발에 적용하는 과정은 거의 어려움을 겪지 않았으며, 본 연구 결과를 바탕으로 90℃급 온수히트펌프와 혼합냉매(mixtures)를 사용한 냉난방 겸용 히트펌프를 준비하고 있다.