냉동산업, ‘변화와 성장의 길’ 제시

2021-07-04

설비공학회, 온도유지기술 등 다양한 아이디어 제안



대한설비공학회 냉동부문위원회는 창립 50주년을 맞아 지난 6월22일부터 6월25일까지 휘닉스평창에서 개최한 2021 하계학술발표대회에서 탄소중립과 관련 대체냉매 가능성 등 현재 트렌드에 맞는 다양한 분야 연구내용을 소개하는 자리를 마련했다.

세션은 △Air 냉매를 이용한 냉동사이클 구성과 탄소중립정책에서의 미래 시사점에 관한 연구(노철우 한국에너지기술연구원 선임연구원) △왕복형 자기칼로리 냉동시스템 개발 및 성능평가(최종민 서울대학생) △무공성막을 이용한 냉방기술 개방동향(김민성 중앙대 교수) △H2O-LiBr를 작동유체로 한 건물 냉·난방용 열배터리 시뮬레이션 연구(민하예 고려대학생) △화학흡착식히트펌프 개발(윤석호 한국기계연구원 책임연구원) △혼합첨가제를 활용한 CO2 하이드레이트 생성 및 냉열수송 성능평가(박준호 고려대학생) 등의 발표로 진행됐다.

공기냉매, 암모니아냉동기 대체 가능해
노철우 한국에너지기술연구원 선임연구원은 ‘Air 냉매를 이용한 냉동사이클 구성과 탄소중립정책에서의 미래 시사점에 관한 연구’를 발표했다. 

공기를 냉매로 사용하는 냉동사이클의 기본형태는 리버스 에어브레이튼 사이클(Reverse Air Brayton Cycle)로서 친환경성과 기계적 신뢰성이 매우 높다. 하지만 성능계수가 기존냉매 이용 냉동시스템대비 다소 낮기 때문에 항공기용 압력제어 등 특수용도에서만 사용되고 있다.

에어브레이튼 사이클은 회전기기 효율향상이나 저하 등으로 인해 발생하는 시스템 전체 COP 변화가 기존기술보다 커 압축기와 팽창터빈효율이 시스템 전체효율에 상대적으로 큰 영향을 미친다. 이러한 결과는 회전기계부분 효율향상이 기존 기술대비 성능향상 효과가 더욱 클 수 있다는 가능성을 보여준다.

준등온*압축기술 적용과 공기조화용 콤팬더 시스템은 냉동공조분야에서 공기를 냉매로 이용하는 냉동사이클 적용 시 성능향상을 이끌어내는 기술이다.

노철우 선임연구원은 “공기냉매는 CO2 냉매와 같이 고순도 정제된 고압저장탱크 공급과정이 필요하지 않은 유일한 냉매로 산업용냉동기 유지보수 작업 중 하나인 냉동기 오일보충·교체 등에서 유리하다”라며 “공기냉매는 미래 에너지믹스의 혁신적변화와 함께 건물공기조화, 에너지저장, 콜드체인, 저온저장시스템, 동결건조전반 등의 기술트렌드를 전환할 수 있는 기술방향성을 내재하고 있다”고 설명했다.

 * 준등온(quasi-isothermal) : 압축기 출구 온도와 입구 온도가 거의 동일하게 유지되는 압축

이어 “공항과 같이 초대형이면서 인구유동이 많은 건물은 공조기 내 필터링만으로 공기조화에 한계가 있다”라며 “특히 인플루엔자 바이러스의 경우 필터에 갇혔다가 재도출되기 때문에 외부공기 투입이 필요하며 이를 통해 건물에 양압을 형성하고 미세먼지 흡입을 막을 수 있다”고 강조했다.

최근 유럽 일부지역에서 제로 GWP를 위해 보일러분야에 공기냉매를 사용하려는 움직임이 일어나고 있다. 특히 네덜란드에서는 3개 기업이 현재 실증테스트를 진행하고 있다. 공기냉매 냉동기의 COP는 1.5 수준이지만 전기보일러보다는 양호하다는 측면에서 새로운 시스템으로의 변환이 진행되고 있다. 

실제로 공기를 60~100℃까지 가열할 수 있으며 이때 대부분 바이러스는 사멸된다. 바이러스가 사멸된 공기를 터빈에서 팽창시키면 –1℃ 정도의 공기를 배출할 수 있다. 이를 활용해 공기압력비를 높이면 냉동창고용으로 사용할 수 있으며 냉동탑차시스템에 공기냉매를 활용할 수 있을 정도로 확장가능성이 있을 것으로 보인다. 

노철우 선임연구원은 “지난 5월 국제원자력기구(IAEA)에서 발표한 ‘넷제로 2050 에미션 리포트’에서 혁신적인 CO2 배출 저감대책이 포함됐으며 핵심적인 부분은 제로에너지를 기반으로 한 재생에너지를 2050년까지 실현하겠다는 구체적인 방안”이라며 “이런 방안이 현실화되면 현재 우리나라에서 사용하는 전력의 88%가 제한을 받고 GWP가 높은 냉매를 계속 사용할 수 없다는 문제가 생길 것”이라고 말했다.

이어 “현재 계속 연구를 진행하고 있지만 –50℃ 이하 초저온설비까지도 공기냉매시장을 확대할 수 있다고 파악하고 있다”라며 “이를 기반으로 암모니아냉동기에 대한 탄소중립적인 대체냉매로 공기냉매를 제안하고자 한다”고 설명했다. 

자기칼로리 냉동시스템, 냉방효과 성능보완 필요
최종민 서울대학생은 ‘왕복형 자기칼로리 냉동시스템 개발 및 성능평가’ 발표를 진행했다. 

현재 많이 사용하고 있는 압축식 냉동시스템은 냉매의 높은 GWP, 시스템의 큰 동력소모 등 단점을 갖고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 비압축식 냉동시스템 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국 에너지부에 따르면 자기칼로리 냉동시스템이 상용화 가능성이 높다고 평가했으며 상온에서의 자기칼로리 평가가 발견된 이래 관련논문 수도 급격히 증가하고 있다. 

자기칼로리 효과는 소재가 자화(magnetization) 시 온도가 상승하고 탈자(demagnetization) 시 온도가 감소하는 현상이 나타난다. 자화 시 소재내부에 자기상극자가 배열되며 엔트로피가 감소하고 탈자 시에는 무질서화돼 자기엔트로피가 증가하면서 엔트로피 변화가 온도변화로 이어지기 때문이다.

최종민 학생은 “자기칼로리 냉동시스템은 고체상냉매를 사용하며 고체상냉매 자기칼로리효과를 사용하는 비압축식 냉동시스템으로 소재가 자화·탈자되기 때문에 자석 어셈블리가 필요하다”라며 “연구는 N35 네오디뮴 자석을 이용, 적절한 배열을 통해 원하는 공간에서 자석밀도가 어떻게 형성되는지 파악하기 위해 전자기장 해석을 수행했으며 자석 어셈블리를 제작했다”고 말했다.

전자기장 해석을 위해 자석 어셈블리 상·하단 간격을 조정하면서 자기장 세기를 조절했으며 크랭크축은 모터와 연결해 고정된 자기칼로리 소재에 대해 자화와 탈자가 반복적으로 이뤄지도록 구성했다. 자석 어셈블리를 통해 자기칼로리 소재가 위치한 공간에 대해 자석밀도를 측정했으며, 설계상 1테슬라의 자석밀도를 목적으로 설계를 진행했다. 실제 결과에서는 양 끝단에서 약 0.8테슬라, 중앙부에서는 약 0.9테슬라가 측정됐다.

최종민 학생은 “자기칼로리 효과를 측정하기 위해서는 능동형 자기재생기 큐브가 필요하다”라며 “4개 큐브를 이용해 내부에 1.4~2.36mm 칩형 가돌리늄을 채웠으며 큐브양단에는 500㎛ 서스매쉬를 설치해 소재가 고정되도록 하고 자기재생기 내부에는 2차 유차가 지나가면서 열교환을 통해 시스템의 온도구별을 발생시키게 된다”라고 설명했다.

이어 “실험을 통해 2차 유차가 지나가면서 열심에서 방열을 완료해 온도를 낮추고 저온부 열교환기에서는 방열된 열을 다시 흡열하면서 냉방효과를 나타내게 된다”고 소개했다. 

2차 유차의 흐름을 보면 4개 큐브 가운데 2번과 4번 AMR(Active Magnetic Refrigeration) 사이클이 탈자됐으며 1번과 3번 AMR이 자화되면서 열침에서 방열을 완료했다. 2차 유차는 온도를 낮추기 위해 2번과 4번 AMR을 통과하고 온도가 낮아진 2차 유차는 저온부 열교환기에서 흡열을 하면서 냉방효과를 가져오게 된다.

최종민 회원은 “다양한 온도대별로 실험을 이어간 결과 열침 후단온도가 26℃, 유량이 0.15LPM일 때 4.1℃ 시스템 최대 온도차가 발생했다”라며 “추가연구를 진행해 온도차가 더 증가할 수 있도록 발전을 시키는 과정이 필요하다고 생각한다”고 말했다.

멤브레인 제습, 냉방효과 연구보완 필요
김민성 중앙대 교수는 ‘무공성막을 이용한 냉방기술 개발동향’을 주제로 발표했다.

제습 시 막을 이용하면 제습효과가 증가한다. 막의 종류는 포러스 멤브레인(porous membrane)과 댐스(DEMS) 멤브레인으로 2가지다. 보통 액체에서 기체 혹은 액체에서 액체를 분리할 때 다공성물질을 많이 사용하지만 기체분자의 경우 포러스 멤브레인을 통과한다.

습·공기가 유입될 때 제습이 일어나고 건공기만 통과하는 것이 가장 이상적인 제습시스템이다. 하지만 N2나 O2 분자사이즈가 H2O 사이즈보다 크기 때문에 불가능하고 N2와 O2의 크기가 대략 12~14NM(나노미터)로 비슷해 분리할 수 있는 물리적인 구멍을 형성하는 것이 쉽지 않다. 이에 따라 일반적으로 습공기에서 수분을 분리하는 멤브레인을 연구하게 되며 이 방법으로 제일 많이 상용화되는 것이 전열교환기다. 

김민성 교수는 “전열교환기는 환기열을 이용해 수분을 회수하며 안팎 수분 증기압차로 구동력이 발생해 효과적”이라며 “다만 패시브기술이라는 단점이 있어 강제로 냉각률을 높이고 제습을 하는 데는 제한되며 전열교환기는 환기시스템 등에 부속설비로만 사용되고 있다”고 설명했다.

지난 2014년 미국 에너지관리국에서 멤브레인을 이용해 제작한 에어컨 성능이 우수하다는 내용이 담긴 보고서를 발표했다. 보고서에는 멤브레인에 습·공기가 통과할 때 진공펌프로 흡입하면 수증기만 통과해 제습이 이뤄져 냉방이 가능하다고 명시됐다.

하지만 이 같은 방법은 효율이 낮고 공기를 대기로 배출할 경우 토출온도가 상승하는 등 단점을 가지고 있어 활용상 어려움이 있다.

김민성 교수는 “대안으로 나온 것이 배출을 할 때 직접 배출이 아닌 토출된 증기압과 외기압의 기압차로 공기를 순환시키는 방법”이라며 “이 방법은 토출압력의 경우 5kPa(킬로파스칼), 6kPa로 높은 진공상태에도 불구하고 외부보다 내부 수증기압이 높은 상태기 때문에 물리적으로 실현가능한 시스템”이라고 소개했다.

현재 개발되는 DEMS 멤브레인 가운데 워터페이퍼와 공기를 분리하는 멤브레인은 20여개가 개발되기도 했지만 아직은 성능편차가 크다. 멤브레인 성능에서 가장 중요한 지표는 선택도(selectivity)와 투과도(permeability) 2가지다. 투과도는 막을 크게 만들면 쉽게 향상할 수 있지만 선택도는 그렇지 않다. 진공을 형성했을 시 수증기와 함께 공기가 들어올 경우 이를 해결할 방법을 아직 찾지 못했기 때문이다.

김민성 교수는 “연구는 실제 폴리우레탄 베이스에 나무파티클을 부분분산해 멤브레인을 만들어 진행했다”라며 “아직 멤브레인 성능측정표준은 없고 현재 멤브레인 테스트기기는 미국재료시험협회 STANDARD E96인증을 받은 고분자방수 멤브레인 투습성 테스터가 있다고 밝혔다.

이어 ”이를 활용할 경우 양쪽 절대압차가 없지만 실험은 절대압차를 설정해 선택도가 저하될 가능성이 있다”고 설명했다.

현재 진공 멤브레인 제습연구를 활발하게 진행하고 있으며 다양한 구조를 설계하고 테스트를 진행 중이며 멤브레인 기본성능 연구가 더 필요한 상황이다. 또한 멤브레인을 얇게 생성할수록 투과도는 상승하지만 선택도가 저하되고 두껍게 생성하면 압력을 버티면서 선택도도 상승하나 투과도는 저하되는 등 장·단점이 있어 추가연구가 필요하다. 

H2O-LiBr 작동유체, 냉·난방 열배터리효과 입증
민하예 고려대학생은 ‘H2O-LiBr를 작동유체로 한 건물 냉난방용 열배터리 시뮬레이션 연구’를 발표했다. 

제로에너지빌딩은 에너지사용량을 최소화하는 패시브디자인과 태양광 등 신재생에너지를 생산하는 액티브시스템이 결합해 에너지를 자급자족하는 건물이지만 에너지 저장기술은 부족하다. 이에 따라 이번 연구는 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산해 변동하는 에너지생산과 소비사이에 시간적한계를 극복하고 에너지저장기술개발로 초과되는 에너지를 주변에 공급하는 건물인 플러스에너지빌딩을 구축하는 것을 목표로 한다.

암모니아-물을 사용하면 물의 끓는 점이 낮고 암모니아는 독성이 있어 이번 연구에서는 물-리튬브로마이드가 작동유체로 선정됐다.

민하예 학생은 “열배터리 시스템구상도는 용액탱크에서 용액이 외부열원에 의해 가열되면서 용매증기로 변해 냉매탱크로 이동하게 되며 이때 냉매탱크는 응축기 역할을 해 외부 냉각수에 의해 생산된 냉매증기를 응축한다”라며 “용액은 외부열원에 의해 지속 가열돼 온도와 농도가 짙어지면서 응축된 용액에 에너지가 저장된다”고 설명했다. 

이러한 시스템을 통해 난방효과와 냉방효과를 동시에 가져올 수 있다. 냉매탱크가 증발기가 돼 냉방효과를 형성하게 되며 용액탱크가 흡수기가 돼 냉매증기를 흡수할 때 난방효과를 형성하게 된다.

열배터리 시스템의 수학적모델 구축방법을 위해 먼저 △열교환기 열저항 무시 △시스템 열손실 무시 △탱크별 용액·냉매온도 균일 △열교환기 열전달기술 일정 등 4가지 가정을 바탕으로 열배터리 시스템의 질량보존방정식을 세웠다. 

민하예 학생은 “용액탱크의 용액질량변화량은 냉매증기 질량유량과 같지만 냉매증기가 생성될수록 용액질량은 감소하므로 음수로 표현하고 리튬브로마이드의 총질량은 항상 일정하기 때문에 용액탱크의 용액질량과 농도의 곱이 일정하다고 표현했다”라며 “냉매증기가 유입될수록 냉매탱크 냉매질량은 증가하기 때문에 냉매증기의 질량유량과 냉매의 질량변화량은 같다고 설정했다”고 말했다.

이어 “용액탱크 내부 열교환은 용액의 엔탈피 변화량에서 냉매 엔탈피를 제외한 것이 되고 용액탱크 외부 열전달률은 용액탱크 열교환기 열전달율과 같기 때문”이라며 “이에 따라 에너지보존법칙이 성립된다”고 덧붙였다.

흡수식 열배터리시스템 연구를 통해 질량과 에너지보존 간 수학적 해석모델을 구축하고 물-리튬브로마이드를 적용한 열배터리의 온적특성을 확인했다. 시뮬레이션분석을 통해 충전과 냉난방 및 방전시간과 용량을 계산해 냉난방 COP를 도출했다.

민하예 학생은 “향후 물-리튬브로마이드에서 발생할 수 있는 결정화 문제를 해결하기 위해 Low GWP 냉매와 이온성액체 흡수제를 적용한 사례를 조사해 세부정보를 확보하고 이를 시스템에 적용할 예정”이라며 “열배터리 시스템 시뮬레이션을 실제 실험을 통해 검증할 계획”이라고 언급했다.

화학흡착사이클, 온도저감 가능성 확보
윤석호 한국기계연구원 책임연구원은 ‘화학흡착식히트펌프 개발’을 발표했다.

현재 냉난방시스템 전력소비가 높고 하절기·동절기 피크전력 때문에 냉난방시스템의 소비전력을 줄여야 한다는 문제가 지속적으로 제기돼왔다. 

윤석호 책임연구원은 “멤브레인히트펌프는 10이 넘는 COP를 형성하면서도 기계식압축기를 사용하지 않아 진공압축기가 필요하며 기존 흡수식과 흡착식은 열원에 따라 제한받기 때문에 제안하는 것이 비증기압축식 화학흡착식히트펌프”라며 “비증기압축식이면서 고온을 사용하지 않는 방식으로 도출된 내용이 화학흡착사이클”이라고 말했다. 

화학흡착사이클은 반응물질 조합에 따라 온도변화가 가능하고 물리적 탈착이 없어 에너지밀도와 흡착속도가 우수하다.

화학흡착식 히트펌프는 리엑터와 콘덴서, 이베퍼레이터(Evaporator)만 있으면 제작할 수 있다. 흡착제가 들어있는 리엑터에 만액식으로 차 있던 냉매가 유입되면서 증발이 일어나고 반대로 흡착돼 있던 냉매를 탈착시키면 콘덴서에서 응축돼 냉난방이 가능하다.

윤석호 책임연구원은 “흡착식이나 흡수식 열구동냉동기에서 탈착을 위해 들어가는 입열량분 냉방능력으로 COP를 정의하는데 이때 COP는 0.1~0.2로 굉장히 낮다”라며 “이는 COP 계산시 80~90℃ 열량이 분모로 들어가기 때문이며 재생에너지를 이용하거나 회수가능한 40℃ 수준으로 열량을 낮추면 COP는 높게 계산될 것으로 보인다”라고 설명했다.

연구는 소디움 브로마이드가 흡착제역할을, 암모니아가 냉매역할을 해 흡탈착과정을 교본하면서 운전하게 된다. 따라서 흡탈착 소재와 이를 이용한 반응기개발이 연구핵심이다.

연구는 이를 위해 흡탈착량을 정량적으로 측정할 수 있는 실험장치를 개발했다. 대중온반응기, 흡착반응기의 차압 측정한 후 개발한 흡착제를 통해 흡탈착속도를 측정하는 실험으로 진행했다. 이때 익스텐디드 그라파이트에 함침한 소디움 브로마이드를 흡착제로 선정했다.

흡착이나 탈착을 진행할 때는 흡착준비, 탈착준비, 흡착, 탈착 등 4개 과정의 준비시간이 필요하다. 이때 흡착준비와 탈착준비 시간은 냉난방에 기여하지 못하기 때문에 최대한 준비시간을 단축하고 나머지 두 단계 시간을 길게 하는 운전알고리즘 수립이 중요하다.

윤석호 책임연구원은 “실험은 60·50·40℃ 열원에서 각각 진행했으며 열원이 높아질수록 냉각용량이 늘어나기는 했지만 열원을 40℃까지 낮췄을 때도 냉각능력이 유효하다는 결과를 도출했다”라며 “실질적 목표로 했던 화학흡착시스템을 이용한 열원온도 저하를 확인했으며 이를 상용화할 수 있을 것으로 판단한다”고 밝혔다.

이어 “온도가 낮으면 낮을수록 탈착이 더 잘 진행되기 때문에 초저온에서도 유용하게 사용할 수 있다”라며 “다만 난방온도는 높지 않지만 한랭조건 속에서도 일정부분 효과를 기대할 수 있기 때문에 화학흡착식 히트펌프의 냉난방 사이클 적용이 기대된다”고 언급했다. 

혼합첨가제 활용 CO2 하이드레이트, 냉열성능 활용가능
박준호 고려대학생은 ‘혼합첨가제를 활용한 CO2 하이드레이트의 생성 및 냉열수송 성능평가’를 설명하는 자리를 마련했다.

2019년 유엔기후변화협약 당사국총회(COP25)를 통해 대기 중 CO2 저감목표가 재차 강조됐다. CO2 저감목표는 1997년 교토의정서, 2015년 파리협정 등 지구온난화 방지를 위한 국제사회 노력은 오랜 시간 지속됐다. 이에 따라 이산화탄소 포집, 활용, 저장기술(CCUS : Carbon Capture, Utilization and Storage)의 중요성이 발달하고 있다.

박준호 학생은 “CCUS 기술의 발달로 포집된 이산화탄소를 어떻게 활용할 수 있을지에 대한 연구가 진행되고 있다”라며 “1930년대 예상치 못한 배관막힘 현상에서 가스 하이드레이트의 존재가 알려졌는데 가스 하이드레이트는 가스분자와 이를 둘러싼 물분자로 이뤄진 부정기화합물이며 CO2, 메탄 등을 포집할 수 있다”고 말했다. 

CO2 하이드레이트는 단순한 가스주입으로 상변화가 발생하는데 상대적으로 저온, 고압조건에서 형성된다. 또한 해리(원자나 분자가 분해되는 현상) 시 발생하는 잠열(500kJ/kgwater)이 얼음(333kJ/kgwater)보다 높아 냉열수송에 효과적이다. 이에 따라 CO2 하이드레이트는 CO2포집과 상변화시 발생하는 냉열의 활용이 가능하다.

박준호 학생은 “열역학적 촉진제인 TBAB*와 THF**를 첨가한 CO2 하이드레이트 생성 실험장치는 크게 가스주입부, 하이드레이트 생성부, 데이터수집부로 구분할 수 있다”라며 “가스주입부는 CO2 탱크, 완충탱크, 질량유량계로 구성되며 하이드레이트 생성부는 교반기가 장착된 생성챔버와 항온수조로 구성되고 온도·압력·가스유량 데이터는 데이터수집부를 통해 저장된다”고 설명했다. 

 * TBAB : 테트라부틸암모늄 브롬화물(Tetrabutylammonium bromide)
 ** THF : 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)

이어 “연구목표는 CO2 하이드레이트 냉열수송시스템 접목을 위해 상대적인 저압조건에서 THF, TBAB 혼합첨가제를 활용한 CO2 하이드레이트 생성 및 냉열수송 성능을 평가하는 것”이라며 “이를 위해 CO2 하이드레이트의 생성시간, CO2 흡수성능, 최대 발열온도, 해리엔탈피 비교로 냉열수송시스템에 접목할 최적 혼합첨가제를 선정했다”고 말했다.

CO2 하이드레이트 생성과정은 △쉴드홀 챔버 온도설정 △흡수제 투입 △CO2 주입 등으로 진행된다.

CO2 하이드레이트의 인덕션 타임을 측정했을 때 전반적으로 3기압 조건에서 높은 드라이빙 포스로 1기압과 비교해 인덕션 타임이 감소했다. 단독첨가제였을 때보다 THF, TBAB를 첨가했을 때 인덕션 타임이 감소했다. 이중 단독첨가제와 혼합첨가제 비율이 △1:1 △1:1.5 △3:1 △3:1.5 조건에서 가장 짧은 인덕션 타임이 관찰됐다.

박준호 회원은 “연속적인 하이드레이트 생성을 위한 발열온도는 낮게 유지시키고 실험장치에 혼합첨가제를 넣을 경우 단독첨가제를 넣을 때와 비교해 발열온도는 감소했으며 TBAB 농도와 발열온도도 비례했다”라며 “혼합첨가제를 활용해 발열온도를 낮춤으로써 CO2 하이드레이트 포메이션에 필요한 순간부하를 감소시킬 수 있다”고 설명했다.

이번 연구를 통해 단독첨가제대비 혼합첨가제 적용시 △CO2 하이드레이트 인덕션타임 감소 △CO2 흡수량 증가 △생성시 순간부하 감소 △해리엔탈피 증가 등 효과와 함께 CO2 하이드레이트 CO2 흡수 및 냉열수송성능을 향상시킬 수 있는 것을 확인했다.
김영명 기자 ymkim@coldchainnews.kr
저작권자 2015.10.01 ⓒ Kharn


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