1. 서론

증기압축사이클을 채택한 냉동 시스템의 경우 구동부로서 압축기가 존재한다. 압축기에는 마찰에 의해 파손되는 것을 방지하고 기밀을 유지하기 위해 윤활유를 주입한다.^[1] 최근에는 스크롤 또는 스크류 방식의 압축기를 중심으로 다량의 윤활유를 주입하여 과윤활유 조건에서 압축기를 운전함으로써 압축기 성능을 높이는 사례도 보고되고 있다.^[2,3]

윤활유는 압축기의 성능을 확보하는 데는 필수적이지만 냉동 시스템 전체를 보았을 때는 문제를 유발하기도 한다. 윤활유는 압축기 내부에서 냉매와 혼합되어 토출되어 시스템 내부를 순환하게 되는데 이 과정에서 응축기와 증발기의 열전달 계수를 낮추고 추가적인 압력 손실을 유발하여 시스템의 효율을 저하한다. 이와 같은 문제들은 오일 순환량이 증가할수록 심각해진다.^[4,5]

냉매와 함께 시스템을 순환하는 윤활유는 운전 중에 배관에 부착되면서 시간이 지날수록 압축기 내부의 윤활유의 양이 감소하게 된다. 최근 대형 건물이나 물류 시설 등에서 배관이 길고 낙차가 큰 냉동시스템이 널리 보급되면서 오일 회수 문제가 보다 심각하게 나타나고 있다.^[6] 이와 같은 문제를 해결하기 위해 압축기에서 냉매로부터 윤활유를 분리하여 압축기로 되돌려 보내는 유분리기를 설치한다.

냉매 중에 포함된 윤활유를 분리하는 데는 일반적으로 관성 충돌 원리가 적용된다.^[7] 관성 충돌을 일으키기 위해 유분리기는 다공체를 포함하거나 사이클론 형태로 제작된다. 이 중에서 사이클론은 입자가 원심력에 의해 벽면에 충돌하도록 설계하며^[8] 이 과정에서 추가적인 압력손실을 동반하게 된다.

일반적인 사이클론은 원추형이지만 압축기의 유분리기의 경우 Fig. 1에 보인 것과 같이 원주형으로 제작하며 내부에 나선형 구조체를 삽입하여 사이클론 유동을 유발시킨다.^[9] 원추형 사이클론의 경우 원추의 경사각도 등이 중요한 설계인자이나 압축기용 유분리기의 경우 나선형 구조체와 출구 형상이 주요 설계인자가 된다. 본 연구에 앞선 선행연구로서 CFD를 이용하여 나선형 구조물의 나선 피치와 출구 위치에 따른 유분리기의 성능 변화를 연구한 바 있다.^[10,11] 수치해석 연구를 통해 높은 분리효율을 유지하면서 압력강하를 줄일 수 있는 형상을 찾았으나 실험과 비교하였을 때 분리효율은 높게 예측되고 압력강하는 낮게 예측되었다.^[12]

Fig. 1. Cross-sectional geometry of oil separator.

분리효율이 CFD에서 낮게 예측되는 이유로 해석에서는 벽면에 충돌한 윤활유 입자가 모두 포집되는 것으로 가정하였으나 실제로는 그렇지 않음을 들 수 있다. 벽면에 충돌한 입자의 일부가 튕겨져 나오는 비율은 오일 젖음성에 따라 달라진다. 선행연구^[5,12]에서 윤활유에 대해 접촉각이 작은 표면이 분리효율 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 하지만 실제 냉동 사이클에 연계한 실험에서 접촉각이 작은 표면의 경우 압력강하도 함께 증가하는 단점이 발견되었다.^[12,13] 수치해석을 통해 입구 유동이 유분리기 내부 구조물과 충돌하면서 난류 운동에너지가 생성되는 것을 확인하였고^[10,11] 이를 피하기 위한 설계로서 Fig. 1(b)에 보인 것과 같이 유분리기의 입구를 유분리기의 접선 방향으로 바꾸는 것이 제안되었다. 이에 대해 수치해석을 수행한 결과 유분리기의 입구를 중심부에서 접선 쪽으로 이동하면 분리효율은 높게 유지하면서 압력강하를 크게 줄일 수 있을 것으로 예측되었다.^[14]

이에 본 연구에서는 Fig. 1(b)와 같이 입구가 유분리기 몸체 중심에 연결한 시제품과 접하도록 연결한 시제품을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 각각의 제품에 대해 친유 처리를 하지 않은 상태에서 성능을 평가하고 친유 처리를 한 상태에서 다시 성능을 평가하여 친유 처리의 효과와 기하 형상의 효과를 각각 검토하였다. 또한 같은 조건에서 같은 방식의 유분리기 기성품(Henry S-5182)도 성능을 측정하여 본 연구에서 제작한 시제품들과 성능을 비교하였다.

2. 친유 표면 처리 및 유분리기 시제품 제작 과정

유분리기의 재료는 널리 사용되는 스테인리스 SS-400 소재를 채택하였다. 친유 성질을 갖는 구리와 달리 스테인리스는 친유도 소유도 아닌 28도의 접촉각을 나타낸다(Fig. 2(c) 참조). 최근 스테인리스 표면에 친유 및 소유 특성을 부과하는 공정을 개발하였고^[13] 본 연구에서는 이를 적용하였다. 친유성 표면은 Fig. 2(a)에 보인 것과 같이 세척한 SS-400을 60℃의 아연 아세테이트, 질산은, 암모니아 수용액에 42시간 동안 담가서 제작하였다. 처리를 마치면 금속 표면에 Fig. 2(b)에 보인 것과 같이 꽃형태의 구조가 만들어지고 친유 특성을 갖는다. 친유성은 Fig. 2(d)에 보인 것과 같이 압축기 토출구 온도에 해당하는 높은 온도에서도 유지된다.

Fig. 2. Oleophilic surface treatment for SS400.[13]

본 연구에서는 5가지 유분리기에 대하여 실험을 수행하였다. 비교를 위해 같은 방식의 기성품인 Henry사의 S-5182 제품의 성능을 평가하고 4가지 시제품을 평가하였다. Fig. 1에 보인 것과 같이 기성품은 시제품과 몸체의 직경이 갖고 Fig. 3(a)와 같이 유사한 내부구조를 갖는다. 시제품은 선행 연구 결과^[10,11]를 바탕으로 높은 분리효율을 유지하면서 압력강하를 줄일 수 있도록 나선 구조물의 피치와 출구 포트의 위치를 변경하여 Fig. 1에 제시한 것과 같이 해당 부분의 치수에서 기성품과 약간의 차이가 있다.

Fig. 3. Photographs of tested oil separators.

표면 처리의 경우 선행 연구^[12]에서 나선구조물과 몸체 모두 친유 처리를 한 경우에 가장 분리효율이 높게 나타나 본 연구에서도 Fig. 3(b)에 보인 것과 같이 나선구조물과 벽면에 친유 처리를 하였다. 입구 형상의 경우 기성품과 같이 유분리기 몸체의 상단 중앙에 설치한 시제품과 접선 방향으로 설치한 시제품을 제작하였다. 성능을 평가한 5가지 경우는 기성품(S-5182), 중앙 입구에 표면 처리를 하지 않은 시제품(CU), 중앙 입구에 표면 처리를 한 시제품(CT), 편심 입구에 표면 처리를 하지 않은 시제품(EU) 및 편심 입구에 표면 처리를 한 시제품(ET)이 된다.

3. 유분리기의 성능평가 장치 및 방법

냉동 사이클은 R22 냉매를 채택하여 구성하였고 실험을 수행한 사이클의 P-h 선도를 Fig. 4(a)에 제시하였다. 냉동 용량은 8.3 kW이고 냉매순환량은 0.08 kg/s이다. 윤활유는 1.33 kg을 충전하였다. 실험장치는 Fig. 4(a)에 제시한 사이클을 기반으로 Fig. 4(b)와 같이 구성하였다. 유분리기의 성능은 분리효율과 압력강하로 평가한다. 압력강하는 Fig. 4(b), Fig. 4(c)에 보인 것과 같이 유분리기 입구와 출구에 차압계를 연결하여 측정하였다.

분리효율은 ASHRAE에서 제시한 표준 측정법으로 측정하였다. ASHRAE의 표준 측정법은 냉매-오일 혼합물을 포집하여 성분을 분석하여 분리효율을 구한다. 이를 위해서 Fig. 4(c)에 표시한 것과 같이 유분리기 출구에 포집 탱크를 연결하였다.

Fig. 4. Performance test system of oil separator in refrigeration cycle.

실험 장치를 가동하면 1시간 후에 정상상태에 들어가고 1초 간격으로 10시간 동안 자료를 획득하였다. 자료를 획득하는 10시간 동안 외기온도는 최대 1도씨 정도의 변화가 있었고 작동압력도 1% 정도의 변화가 있었다. 이와 같은 운전 중의 상태 변화와 계측장치의 정확도를 바탕으로 불확실성을 추정하였다. 분리효율의 경우 80%의 분리효율에서 0.82%, 압력강하의 경우 70 kPa에서 5.5 kPa의 불확실도를 갖는 것으로 예측되었다.

4. 유분리기 성능평가 결과 및 토의

CFD를 이용한 해석 결과에서는^[14] 입구를 편심하였을 경우 분리효율은 5% 가량 상승하고 압력강하는 40%가량 감소하는 것으로 예측되었다. 실제로 제작하여 실험을 한 결과에서는 표면처리를 하지 않을 경우 Fig. 5에 제시한 것과 같이 입구가 중앙에 위치한 경우(CU)가 74.8%, 편심된 경우(EU)가 75.8%로 1% 정도의 차이만 나타났다. 시제품의 경우 표면처리를 하지 않을 경우 기성품(76.9%)보다 분리효율이 1~2% 정도 낮았지만 표면처리를 할 경우 기성품보다 높은 분리효율을 보였다. 표면처리를 할 경우 입구가 중앙에 위치한 경우(CT) 에서는 91.3%, 편심된 경우에는(ET)는 91.9%로 기성품보다 15% 가량 향상된 결과를 얻었다. 분리효율의 측면에서는 입구 편심의 효과가 수치해석으로 예측한 것보다 다소 작게 나타났고 표면처리 효과가 상대적으로 큰 것으로 나타났다.

Fig. 5. Separation efficiency of oil-separators.

Fig. 6에는 본 연구에서 평가한 5가지 유분리기에서 발생하는 압력강하 분포를 비교하였다. 형상개선 효과는 압력강하 측면에서 보다 두드러졌다. 입구튜브가 중앙에 배치된 시제품 유분리기(CU)는 압력강하가 28% 감소하였고, 입구 튜브가 측면에 배치된 시제품 유분리기(EU)는 압력강하가 49% 감소하였다. 표면에 친유성 처리를 할 경우 친유성 표면처리를 하지 않은 시제품 유분리기에 비해서 압력강하가 32~38% 증가한다.

Fig. 6. Pressure drop across oil-separators.

기성품과 성능을 비교하면 입구튜브가 중앙에 배치된 시제품 유분리기의 표면에 친유성 표면 처리를 할 경우(CT) 기성품 유분리기에 비해서 압력강하는 0.85% 감소하고, 분리효율은 15% 증가하였다. 입구튜브가 측면에 배치된 시제품 유분리기의 표면에 친유 처리를 할 경우(ET)에는 기성품 유분리기에 비해서 압력강하는 33% 감소하고, 분리효율은 15% 증가하였다. 형상 개선을 통해서 압력강하가 상당히 감소하였기 때문에 친유성 표면 처리 이후 증가한 압력강하에도 불구하고, 기성품 유분리기에 비해서 압력강하는 감소하고 분리효율은 증가하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 입구를 편심한 사이클론 방식의 유분리기를 제작하고 내부의 나선형 구조물과 몸체 벽면에 친유 처리를 하여 냉동기에 장착한 후 성능을 평가하였다. 이를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 사이클론 방식의 유분리기의 입구를 편심할 경우 수치해석으로 예측한 결과에 비해 분리효율의 향상은 크지 않으나 압력강하는 크게 저감할 수 있는 것으로 나타났다.

(2) 사이클론 방식의 유분리기에 친유성 표면을 적용할 경우 분리효율은 크게 향상되나 입구가 중앙에 위치한 경우와 편심한 경우 모두 추가적인 압력 손실이 유발되었다.

(3) 입구를 편심할 경우 압력손실을 크게 완화하여 친유성 표면처리를 병행하였을 때 기성품과 비교하였을 때 분리효율 15% 향상 및 압력강하 30% 저감을 동시에 달성할 수 있었다.