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태양전기, 스팀 생산 무급유 냉매압축기 양산

일반공조용 자기베어링 냉매압축기도 개발 중


공조설비 토탈 솔루션기업 태양전기(대표 박종훈)가 스팀 생산이 가능한 고온 토출형 히트펌프에 적용이 가능한 냉매압축기 양산화에 나섰다.  

히트펌프는 증기 압축식 사이클(압축-응축-팽창-증발)을 적용해 저온 열원(공기, 수열, 지열, 폐열원 등)에서 열을 흡수해 산업적으로 유용한 고온의 열을 생산하는 기기다. 적은 구동 에너지(전기, 가스 등)를 이용해 이보다 많은 에너지를 열 형태로 공급하는 열변환 기기다.

히트펌프를 활용할 경우 산업공정에서 배출되는 고밀도 에너지인 산업폐열과 배열의 1/3정도가 이용되지 않고 열 손실로 버려지고 있는 현실을 개선할 수 있다.

현재까지 히트펌프를 이용한 70℃ 수준 공정온수를 생산하는 기술은 이미 개발돼 여러 공정의 에너지 저감에 활용되고 있으나 일반적으로 공급할 수 있는 온수온도는 80℃ 기술 수준에서 거의 정체돼 있는 상황이다.

스팀 생산이 가능한 고온 토출형 히트펌프 기술은 산업공정에서 다량의 온수형태로 배출되는 공정폐열을 활용해 산업공정에 120℃ 이상의 고압 고온수 또는 스팀을 직접 생산, 공급할 수 있는 기술이다.

이 기술을 적용할 경우 산업현장에서 버려지는 막대한 에너지를 증발열원으로 활용해 120℃ 이상의 증기를 생산, 산업부문 열수요의 약 43%까지 공급 가능해 산업부문 에너지절약과 CO₂저감에 크게 기여할 수 있다. 

또한 통상적인 공정스팀 생산 및 공급은 중앙보일러에서 여러 생산 공정단위까지 스팀배관을 통해 공급돼 공급 과정에서 열손실이 발생하고 극단적인 경우 생산증기 중 50% 이하만 사용되기도 한다. 

그러나 히트펌프는 스팀사용공정 바로 옆에 설치할 수 있으며 모듈화해 분산제어가 가능해 개별공정용 스팀을 생산하는 히트펌프는 공급 배관의 손실을 줄일 수도 있다.

이러한 장점으로 고온용 히트펌프 요구는 높으나 스팀 공급이 가능한 고온 환경 운전이 가능한 냉매압축기 개발의 어려움으로 인해 현재 상용화된 스팀 생산 히트펌프는 스크류 압축기를 적용한 일본 Kobe steel과 TEPCO 등이 공동 개발한 SGH 시리즈가 유일하다. 

무급유 냉매압축기 개발 

태양전기의 관계자는 “스팀 생산이 가능할 정도의 고온 운전을 위해 가장 중요한 것은 해당 조건에서 운전이 가능한 냉매압축기”라며 “개발을 위해 고효율, 고온운전에서의 안정성, 경박단소한 콤팩트한 구성, 유지보수 최소화를 목표로 개발이 이뤄졌다”고 밝혔다. 


이렇게 개발 냉매압축기는 △원심식 압축기 △능동형 자기베어링 △고속형 영구자석 동기 전동기 △기어박스가 없는 Direct Coupling 등이 적용됐다. 윈심식 압축기와 영구자석 동기 전동기 적용으로 높은 효율을 확보할 수 있었으며 능동형 자기베어링과 직결형 구조로 윤활유 사용이 불필요해졌다. 

이에 따라 고온 운전에 따른 오일 탄화 문제를 근본적으로 해결해 신뢰성 및 내구성을 확보할 뿐만 아니라 오일 순환 장치 및 이와 관련 유지보수 항목을 제거해 원가절감과 유지보수 비용 최소화를 이룰 수 있다.

원심식 압축방식 적용으로 고속 회전 설계가 가능했다. 고속 원심 압축기 및 전동기는 동일 출력 시 소형화가 가능해 제조원가를 절감할 수 있다. 제작, 이송, 설치에 용이하며 설치면적을 최소화할 수 있다.

이렇게 개발된 스팀 생산이 가능한 히트펌프는 △증기보일러 또는 고온수보일러를 사용하는 산업분야의 열공정 저온폐열을 이용한 120℃ 고압 고온수 또는 고압증기 공급 △가스흡수식 냉온수기를 사용하는 열공정에서 저온폐열을 이용한 120℃ 고압 고온수 또는 고압증기 공급 △가스보일러+냉동기를 사용하는 열공정 대체 △버너(기름/가스)를 이용한 열풍건조(산업부문, 농산물, 폐기물) 대체 등에 활용할 수 있다. 



태양전기의 관계자는 “증기 생산용 히트펌프는 120℃ 이상의 증기를 생산해 산업부문 열수요 중 온도범위 약 50%까지 공급 가능해 히트펌프에 대한 신규 수요 창출을 기대할 수 있다”라며 “산업계에서 요구되는 온도범위는 매우 다양하지만 주요 산업분야에서 소비하는 열의 70%는 0~100°C와 100~200°C 사이에 분포하는 것으로 조사된 만큼 이번 개발품의 적용처는 매우 다양해  공급을 확대할 수 있을 것”이라고 기대감을 표시했다. 

태양전기는 스팀 생산이 가능한 고온 토출형 히트펌프에 적용이 가능한 냉매압축기는 물론 일반공조용 냉동기에 적용할 수 있는 원심식 자기베어링 냉매압축기도 개발하고 있다. 

태양전기의 관계자는 “해당 분야는 이미 Danfoss의 TT시리즈가 출시돼 있지만 시장이 확대 추세에 있어 고온용에 비해 기술적으로는 훨씬 쉬운 분야인 만큼 조기에 양산 개발까지 이뤄질 것”이라고 포부를 밝혔다.