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스페셜리포트

[인터뷰] 김영득 인덕대 교수

“CO₂냉매 활용 쇼케이스 경제성·친환경성 동시 확보”
CO₂ 2차유체 활용…냉매량 1/10 감소

인덕대 산학협력단은 2004년 3월에 설립돼 그동안 학교기업 설립, 산·학협동 활성화, 연구지원 및 지적재산권 관리 중심으로 업무를 수행해왔다. 이를 통해 총 31건의 특허등록을 마쳤으며 최근 2년 동안은 25건 12억9,658만원 규모의 연구활동을 활발하게 진행하고 있다.

김영득 교수는 인덕대 산학협력단에서 다양한 분야의 기업들과 협력해 연구활동을 수행해왔으며 개발한 기술들을 산업에 적용시키는 성과를 창출해냈다.

콜드체인분야 연구개발에서도 △이산화탄소(CO₂) 이차유체를 이용한 2kW급 냉장 쇼케이스 기술개발(참여기업: 대성마리프) △대용량 초저온 냉동고 개발(대영이앤비) △초저온 냉동고 개발(K3우성네트워크) △초대형 쇼케이스 냉각시스템기술개발(인덕대 산학협력단) 등 과제를 참여기업과 공동으로 진행해왔다.

김영득 교수를 만나 CO₂를 2차 냉매로 활용하는 냉장 쇼케이스 기술개발에 대해 들었다.

■ 과제목표와 성과는
‘이산화탄소 2차유체를 이용한 2kW급 냉장 쇼케이스 기술개발’ 과제는 이산화탄소를 2차유체로 사용해 냉장온도 5~10℃에서 ±1.5℃ 이내로 제어되는 냉장·냉동용량 1kW급 쇼케이스 2대를 병렬로 연결한 2kW급 냉동시스템을 개발하는 것이다.

인덕대 산학협력단과 대성마리프가 공동으로 프로젝트를 수행했으며 주관기관인 인덕대는 △시스템 연구 △시작품 구성 및 설계 △열교환기 및 내압 부품설계 △단품 성능시험 및 기초시험 등을, 대성마리프는 △시작품 조립 및 제작과정을 맡았다.

이번 연구를 통해 각종 CFC, HCFC 및 HFC 냉매들이 지구오존층파괴 및 온난화지수 등 환경관련 문제로 생산 및 사용 규제가 강화됨에 따라 친환경냉매를 활용한 냉각기술 개발이 활성화될 것으로 기대된다.

특히 이산화탄소를 2차유체로 하는 2kW급 냉장냉동 쇼케이스 기술은 설계된 이산화탄소 열교환기 및 저장탱크 부품의 내압 안정성을 확보하고 성능시험을 통한 시스템 기본성능 수준을 확인했으며 기술 특허출원도 완료했다.

■ CO₂ 2차유체 기술이란
이산화탄소를 2차유체로 하는 냉장 쇼케이스시스템은 크게 순환 이산화탄소를 응축시키는 공랭식 칠러부와 냉동 쇼케이스를 직접 순환하는 이산화탄소 순환부로 구성된다. 이산화탄소의 순환을 살펴보면 탱크 내 이산화탄소를 펌프를 이용해 순환시키고 액체상태의 이산화탄소가 식품이 보관된 냉장 쇼케이스 내에서 열을 흡수하고 증발 후 응축부에서 응축돼 탱크로 되돌아간다. 응축부는 공랭식 칠러를 통해 축열탱크에 저장된 냉열을 이용해 기체상태의 이산화탄소를 응축한다.

기존의 냉동·냉장용 쇼케이스에 일반적으로 적용되는 냉매의 직접 팽창방식과 비교해보면 냉매 충진량을 1/10정도 감소시킬 수 있고 공랭식 칠러부 내 냉매누설 위험이 없다.

설비의 기계실 제한으로 유지보수가 용이하며 응축기 출구 후 짧은 액체 냉매라인과 증발기 출구 후 짧은 기체상태 냉매라인으로 높은 과냉도 유지 및 낮은 응축압력으로 연간 에너지소비가 7% 이상 절약된다. 기존 실내에 사용되기 어려운 탄화수소계 냉매나 암모니아 등과 연계사용도 가능하다.

또한 기존 물 및 브라인 시스템과 비교하면 이산화탄소 순환 시 증발을 통한 상 변화 열전달로 소형화 및 밀집화가 가능하고 칠러부의 증발온도 상승을 통한 효율증대를 기대할 수 있다.

매우 낮은 압력강하로 펌프동력이 1/20 정도 줄어들며 외기온도가 낮을 경우 자연순환 및 외기 이용 냉각도 가능하다. 배관크기의 획기적인 감소와 이로 인한 연간 에너지소비량이 15~20% 감소한다.

■ 기술개발을 통한 기대효과는
마트에서는 연간 소비전력량의 60%가 냉동·냉장 쇼케이스 관련설비에 사용되기 때문에 에너지절약형 시스템은 점포의 유지비와 관련해 관심의 대상이 되고 있다. 냉동·냉장 쇼케이스의 가장 큰 문제는 긴 배관길이로 인한 냉매충전량 증대와 누설량 증가다. 현장에서는 매년 30%의 냉매가 누설되고 있지만 이러한 누설부위를 정확히 파악하지 못한 채 지속적으로 냉매를 충전하고 있는 것이 현실이다.

이에 반해 CO₂를 2차 냉매로 사용한다면 냉매는 기계실에 한정돼 충전량을 1/10 정도 줄일 수 있고 누설량이 0에 가까운 시스템을 구축할 수 있다.

CO₂ 2차유체 사용 냉동시스템의 경우 기존 직접 팽창방식대비 연 7% 이상 에너지소비량 감소가 가능하고 물·브라인 사용 냉동시스템대비 연 20% 정도의 에너지소비 감소가 가능하다.

냉동기와 냉동 쇼케이스 거리 30m에 1kW급 냉동 쇼케이스 2대를 적용해 계산한 결과 직접 팽창식은 9kg의 R22가 충전되는데 비해 이산화탄소 2차유체 냉동시스템의 R22는 약 60% 정도로 적게 충전된다. 이는 30m보다 긴 배관길이로 적용할 시 그 효과가 더욱 클 수 있음을 의미한다.

물론 부가적으로 이산화탄소 충전량이 더욱 커질 수 있으나 냉매가격이 R22대비 10% 수준에 불과한 이산화탄소 이용은 충전비용이 R22대비 67% 수준이므로 경제적인 측면뿐만 아니라 환경적인 측면에서 이득이 매우 큰 시스템이라고 할 수 있다.

■ 후속연구 계획은
이번에 개발된 2kW급을 기본으로 편의점 및 중소형 슈퍼마켓에 적용할 수 있는 1~5kW급 용량대별 냉장·냉동 쇼케이스 제품개발을 할 계획이다.

중소형시장에서 가장 민감하게 고려하는 부분이 경제성이다. 엄밀한 계산에 기초해 초기 투자비 회수기간을 산정하고 전체 냉동시스템의 신규 설치, 기존 편의점 및 소형 슈퍼마켓의 CO₂ 순환 냉동시스템이 채택될 수 있도록 문제를 체계화해 해소방안을 강구할 예정이다.

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