차세대 Low GWP 냉매개발 기술 동향 담당위원 : 강용태 교수(고려대) THEME 01 Low GWP 냉매의 국내외 연구개발 동향 THEME 02 Low GWP 냉매의 열물성 및 안정성 THEME 03 Low GWP 냉매 적용 셸-튜브형 증발기 개발 THEME 04

차세대 Low GWP 냉매개발 기술 동향 담당위원 : 강용태 교수(고려대) THEME 01 Low GWP 냉매의 국내외 연구개발 동향 THEME 02 Low GWP 냉매의 열물성 및 안정성 THEME 03 Low GWP 냉매 적용 셸-튜브형 증발기 개발 THEME 04 Low GWP 냉매적용 셸-튜브형 응축기 개발 THEME 05 Low GWP 냉매적용 판형 증발기/응축기 개발 동향

THEME 01 Low GWP 냉매의국내외연구개발동향 김민수성균관대학교기계공학부대학원생 조금남성균관대학교기계공학부교수 ㅣ e-mail : starsteam1@skku.edu ㅣ e-mail : keumnamcho@skku.edu 이글에서는 Low GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수 ) 냉매의국내외연구개발동향에대해소개하고자한다. GWP 및 LCCP ODP(Ozone Depletion Potential, 오존층파괴지수 ) 란오존층파괴에영향을미치는척도로서, CFC- 11 냉매를기준으로하여동일질량에대해서영향도를평가한다. CFC(Chloro Fluoro Carbon) 냉매들은대개 ODP 값이 1이며, HCFC(Hydro Chloro Fluoro Carbon) 냉매들의 ODP는 0.055 정도이다. 현재많이사용되고있는 HFC(Hydro Floro Carbon) 계열냉매의경우 ODP는대부분 0이다. GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수 ) 란온실기체가지구온난화에얼마나영향을주는지나타내는척도로서, 대기중에방출된 1kg의기체를이산화탄소 1kg과비교하였을때가열효과가어느정도인지를평가한다. 100년을기준으로이산화탄소의 GWP는 1이며, 가정용에어컨및히트펌프에서많이사용되는 R-410A의경우 2,088, 자동차공조시스템에서사용되고터보냉동기에도사용되는 R-134a의경우 1,400으로비교적높은 GWP 값을나타낸다. R-410A 및 R-134a와같은 HFC 계열냉매들은높은 GWP로인해단계적인사용중단이고려되고있다. 그림 1, 2에나타낸바와같이 HFC 계 HFC-152a 6% Fire protection 2% Other HFCs 7% Solvents 0.3% 그림 1 HFC 계열냉매시장비율 (2012 년 ) 그림 2 전세계 HFC 계열냉매사용현황 (2012 년 ) 30 기계저널

지표이다. LCCP는냉매누설에의한직접적영향및에너지소비에의한간접적영향을더해서계산한다. R410A가 3.5kW 용량의히트펌프에서 15년간사용될경우직접적영향 541, 간접적영향 1만 3,410으로총 1만 3,951의 LCCP 값을나타낸다. 자동차냉동시스템냉매에대한 LCCP는그림 3과같다. THEME 01 그림 3 자동차냉동시스템의 Life Cycle Climate Performance (LCCP) 열냉매들이현재냉동공조시장에서가장많이사용되고있으며, 그중 R-134a의사용량이가장많다. LCCP(Life Cycle Climate Performance, 전주기기후성능 ) 란 GWP뿐만아니라물질 ( 냉매 ) 이만들어지기까지사용되는에너지및물질 ( 냉매 ) 을사용하면서소모하는에너지등더넓은범위에서물질 ( 냉매 ) 에대한안전도, 성능, 환경성, 경제성등을나타내는 냉매안전성냉매가연성관련규격은 2014년에개정된 ISO 817, 2013년에개정된 ASHRAE 34를따르고있으며 Lower Flammable Grade인 A2L과 B2L이추가되었다. 현재유력한대체냉매후보로서거론되고있는대부분의냉매들은 A2L 등급이며, 기존냉매들의경우대부분가연성이없기때문에대체냉매들의안전성에대한우려들이나오고있다. 가연등급별주요특성은표 1과같다. 표 1 냉매가연등급 Lower Flammable Limit (@23,101.3kPa) Heat of Combustion (@23,101.3kPa) Burning Velocity (@23,101.3kPa) Flame Propagation (@60,101.3kPa) 종류 A1 No Flame Propagation - - - No R22 R410A Lower R32 A2L Flammable 3.5% Vol <19,000kJ/kg 10cm/s Exhibit R1234yf 3.5% Vol <19,000kJ/kg A2 Flammable - Exhibit R152a A3 Higher Flammable <3.5% Vol 19,000kJ/kg - Exhibit R290 R600a 2017. 9., Vol. 57, No. 9 31

THEME 01 Low GWP 냉매의국내외연구개발동향 그림 4 Kigali 개정의정서의 HFC 계열냉매감축계획 냉매누설의경우한국에서는고압가스안전관리법, 대기환경보전법에따라서 20RT 이상, 충전량 50kg 이상의냉동시스템은주기적인누설점검및보고를하게되어있다. 유럽의경우 F-Gas 규제를따라서충전량을이산화탄소로환산한기준으로주기적인누설보고를하게되어있고, 미국은 EPA Section 608을따라충전량 50lb 이상의경우주기적인누설보고를한다. HFC 냉매규제동향 2016년 10월에아프리카 Rwanda의 Kigali에서열린제28차몬트리올의정서회의를통해전세계 200 여개나라가 HFC 계열냉매의사용을제한하기로합의했다. 이합의에따라미국과유럽대부분국가들은 2019년까지사용량의 10% 를감축하는것으로시작해 2036년에는 85% 를감축한다는목표를세웠다. 개발도상국의경우 2024년부터감축을시행하며, 고온지역국가및경제발전에시간이더필요한몇몇 국가들은 2028년부터온실가스사용을줄이기로합의하였다. 유럽연합에서는 F-gas Regulation을적용하여 GWP 2,500 이상의 HFC 계열냉매및적용시스템을 2020년에판매금지하기로계획하였고, 2022년에는 GWP 150 이상의 HFC 사용시스템을판매금지하기로하였다. 그외에도북미에서는 EPA(Environmental Protection Agency) 를통해 HFC 냉매규제를강화하고있고, 일본에서는 METI(Ministry of Economy, Trade and Industry) 의주도하에 HFC 냉매규제를적용하고있다. Kigali 개정의정서의 HFC 계열냉매감축계획을연도별로나타내면그림 4와같다. HFC 냉매의대체냉매후보 HFC 계열냉매에대한규제가점점강화됨에따라대체냉매의필요성이점점증가하면서최근 HFO(Hydro Fluoro Olefin) 계열냉매가낮은 GWP 와안정된성능으로인하여유망한대체냉매로주목받고있다. HFO 계열냉매에대한관심은자동차에어컨시스템의지구온난화가스배출을줄이기위한노력으로부터시작되었다. R-1234yf는자동차에어컨에서사용되고있던 R-134a를유럽의경우신차의경우 2011년부터대체적용하기시작하였고, 전세계자동차업체들이 R-1234yf 냉매로교체적용준비를완료하였다. R-134a와는달리 R-1234yf는매우낮 32 기계저널

표 2 R-410A의대체냉매후보 HFO 계열비공비혼합냉매 제조사 냉매 GWP 질량분율 (%) R32 R1234ze R1234yf R125 R152A R600 R744 Honeywell R455A 145 21.5 75.5 3 Chemours R454C 239 21.5 78.5 Chemours Daikin R454A 250 35 65 Honeywell R444B 295 41.5 48.5 10 Honeywell R446A 461 68 29 3 Chemours Daikin R454B 466 68.9 31.1 Honeywell R447A 572 68 28.5 3.5 Honeywell R450A 604 58 42 Honeywell Chemours Daikin R452B 698 67 26 7 THEME 01 은 GWP를갖고있으며, 이는다른 HFO 계열냉매들도갖고있는공통적인특성이다. 그러나 HFO 계열냉매들은통상적인냉동시스템에서의포화온도조건에서낮은압력특성을나타내기때문에가정용에어컨과히트펌프에는적합하지않다. 그래서많은 HFO 계열혼합냉매들이 R-410A 냉매의대체냉매후보로서개발및평가되고있다. R-134a의경우자동차용냉동시스템에서 R-1234yf로대체되어이미적용되고있고, 터보냉동기에서도고압용경우 R-134a 냉매대체로 R-1234ze(E) 가, 저압용경우 R-123 대신 R-1233zd(E) 가유망한대체냉매후보이다. 현재까지의연구결과로보면 HFO 계열냉매들은 HFC 대비성능이약간낮긴하지만특성이비슷하고 GWP가현저하게낮기때문에대체냉매로적합하다는평가를받고있다. 현재미국의 Trane 사와 Carrier 사, 덴마크의 Danfoss 사, 일본의 Mitsubishi 사등은 R-1234ze(E) 와 R-1233zd(E) 를적용한터보냉동기를개발한상태이다. 가정용에어컨및히트펌프에서사용되는 R-410A 의경우 HFO 계열냉매를포함한비공비혼합냉매들이유망한대체냉매로서거론되고있다. HFO 계열비공비혼합냉매들은 R-32를주로포함하고있으며, R-1234ze(E) 나 R-1234yf 냉매도일부혼합된형태를나타낸다. R-32의경우성능은좋지만 GWP가 675로비교적높기에 GWP가낮은 HFO 계열냉매를혼합하여 GWP가낮은냉매를제조한다. 이를위해서좋은성능과낮은 GWP를갖는냉매를만들기위해서혼합비율을바꿔가며냉매를개발하고, 성능시험을통해대체냉매로서의적합도를판단한다. 비공비혼합냉매의경우 400번대의번호로표시되는데서로다른성분들이혼합되어있기때문에각성분마다증발및응축이일어나는온도의차이가있다. 비공비혼합냉매의증발이나응축이시작되는온도와끝나는온도의차이를 GTD(Gliding Temperature Difference, 구배온도차 ) 라한다. R-410A의경우비공비혼합냉매이지만 GTD가 0.1 정도로매우작다. 하지만 HFO 계열비공비혼합냉매들은 GTD가약 2-7 로비교적높은값을보인다. 때문에 GTD에의한열전달특성변화에주목해서시스템을최적화해야할필요가있다. 또한냉매가누설되면서냉매의성분이달라지기때문에재충전시모든냉매를회수한후에새로운냉매를충전해야하는단점도존재한다. 상업용냉동시스템에서많이사용되는 R-404A의경우도 R-410A와마찬가지로 HFO 계열비공비혼 2017. 9., Vol. 57, No. 9 33

THEME 01 Low GWP 냉매의국내외연구개발동향 그림 5 주요냉매 GWP 및체적당능력 합냉매들이유망한대체냉매로서거론되고있으며, R-32의경우 R-404A와 R-410A 냉매에대한대체냉매로거론되고있다. HFO 계열비공비혼합냉매들은미국의 Honeywell 사, DuPont 사를인수한 Chemours 사등이주로제조하여판매하고있다. R-410A 대체후보 HFO 계열비공비혼합냉매들은표 2에나타나있다. 주요냉매의 GWP와체적당능력을그림 5에나타내었다. 비공비혼합냉매의단점들때문에순수냉매인 R-32를 R-410A의유망한대체냉매로고려하고있기도한다. 일본 Daikin 사에서 R-32를적용한가정용및소형상업용제품을출시하였고, R-410A 적용제품대비약 105% 의효율, 필요냉매량약 70% 의고효율제품이다. GWP 또한 R-410A의 30% 수준이기때문에환경성에서도좋은평가를받고있다. 하지 만, 몬트리올의정서에서감축대상물질로지정된상태이기때문에일시적인대안일뿐이다. 때문에앞으로도대체냉매에대한연구및개발이계속해서활발하게진행될예정이다. 미국냉난방공조협회인 AHRI(Air-conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 에서는새롭게개발되는냉매들에대해서지속적인 AREP(Alternative Refrigerants Evaluation Program) 를진행하여, 대체냉매들에대한평가를수행한다. 현재사용되고있는냉매들의대체냉매후보들을선정하고, 많은업체들과함께 drop-in test를수행해서현재사용되고있는냉동시스템에서어떤특성을보이는지, 그리고약간의최적화를통해서성능개선이가능한지를판단한다. 2011년에시작한 AREP는 Phase I에서 38개의냉매에대한시험을수행하였고, Phase II에서는새로선정된냉매들및 Phase I에서의냉매들을추가실험하여총 51개의냉매에대한시험을마쳤다. 하지만아직까지도어떤냉매가현재사용되고있는냉매들을대체할지정해지지않았고, 요소기술에적용하기위한근본적인연구들은부족한실정이다. 앞으로도 Low GWP 냉매에대한필요성및관심은계속해서높아질것이고, 이에대응하여국내에서도많은관심을갖고대체냉매에대한활발한연구를수행해야할것이다. 34 기계저널

THEME 02 Low GWP 냉매의열물성및안정성 THEME 02 김만회경북대학교기계공학부교수 ㅣ e-mail : manhoe.kim@knu.ac.kr 이글에서는 Low GWP 냉매의열물성과냉매-오일의상용성, 화학적안정성및재질적합성에대해소개하고자한다. Low GWP 냉매와열물성현대는생활수준의향상과기술의고도화로냉동공조기기의사용이지속적으로증가하고있으며이에따른에너지및환경문제가중요한이슈로부각되고있다. 현재가정및산업용냉동공조기기의냉매로널리사용되고있는 HFC 계열냉매는오존층파괴지수 (ODP: Ozone Depletion Potential) 는영이나지구온난화지수 (GWP: Global Warming Potential) 가상대적으로높다. 따라서선진국을중심으로 HFC 계냉매에대한사용규제가진행되고있어서 GWP가낮은 low GWP 냉매의개발과응용기술에대한연구개발이활발히진행되고있다. 그러나냉동공조시스템이환경에미치는영향은냉매의누설로인한직접적인문제와시스템을운전하는데필요한전력을생산할때발생되는환경영향등도동시에고려해야한다. 이를나타내는지표가총등가온난화지수 (TEWI: Total Equivalent Warming Potential) 또는생애주기기후성능 (LCCP: Life Cycle Climate Performance) 이다. 냉매의직접적인영향과간접영향에대한예는아래와같으며냉동공조응용분야에따른냉매의총등가온난화지수를표 1에나타내었다. 직접영향 제조단계 : 냉매제 조 / 운송, 냉매봉입시누설 사용단계 : 일반누 설, 부품결함, 서비스시 폐기단계 : 냉매미회수시 표 1 TEWI 의직간접영향 간접영향 냉동공조기운전에너지 냉매, 부품및시스템제조공정에서의에너지 시스템운반설치시 HCFC와 HFC의대체냉매로개발되고있는대부분의 low-gwp 냉매는 HFO(Hydrofluoroolefins) 계열인 R-1234yf, R-1234ze(E), R-1233zd(E), R-1336mzz 등과 HFC 계열냉매 (R-32, R-125) 와의혼합물이주로검토되고있다. 현재가정용공조기의 R-410A 대체냉매로는 R-32와 R-452B(R- 32/125/1234yf: 67/7/26 wt%) 가많이연구되고있으며, 차량냉동기에사용되고있는 R-404A의대체냉매로는 R-452A(R-32/125/1234yf: 11/59/30 wt%), R-455A(R-744/32/1234yf: 3/21.5/75.5 wt%), R-448A(R-32/125/134a/1234yf/1234ze: 26/26/21/20/7 wt%) 등이개발되고있다 ( 그림 1 참조 ). 2017. 9., Vol. 57, No. 9 35

THEME 02 Low GWP 냉매의열물성및안정성 표 2 R-123 대체냉매의특성 그림 2 R-410A 대체냉매에대한압력 - 엔탈피, 온도 - 엔트로피선도 (a) R-410A 대체냉매 상업용칠러에사용되고있는 R-123의대체냉매로는 R-1234ze(E), R-1233zd(E) 와 R-1336mzz 등이검토되고있으며 ( 표 2 참조 ), 차량용에어컨의냉매로사용되고있는 R-134a의대체냉매로는이미 R-1234yf와 R-744가적용된시제품이개발되고있다. 그림 2에는가정용에어컨의대체냉매에대한압력-엔탈피선도와온도-엔트로피선도를나타내었는데, 그림에서볼수있듯이 R-32와 R-452B의비엔탈피가 R-410A보다상대적으로커서동일한냉동능력을내는데필요한냉매질량유량은낮게되며이에따른냉매봉입량도적을것으로예측된다. 실제로표 3 에 R-410A 대체냉매를포함한 low-gwp 냉매들의특성과열역학적이론성능을요약하여나타내었다. 냉매 - 오일의상용성 그림 1 대체냉매의증기압곡선 (b) R-404A 대체냉매 새로운 low-gwp 냉매가개발되면냉매에적합한압축기의윤활유를개발또는선정하는일은압축기를포함한시스템의성능과신뢰성에있어서매우중요한일이다. 냉동기오일의기본적인역할은압축기구성부품의마모를감소시키는윤활작용, 압축과정에서발생하는열제거, 여러비접촉부품간 ( 피스톤벽과실린더등 ) 의밀봉작용등이있으며이를통하여압축기의성능향상과신뢰성을확보하는것이다. 냉동시스템에서압축기오일은냉매와함께냉동사이클을순환하며열교환기에서의열전달성능에영향 36 기계저널

을미치고사이클구성부품과의재질적합성측면에서도중요한역할을한다. 따라서대체냉매시스템의 표 3 대체냉매의특성과성능 * 증발온도 5 와냉동능력 10kW에서의질량유량을나타냄. 표 4 R-1234ze(E) POE68 오일과의상용성결과그림 3 대체냉매 R-1234ze(E) 와 POE68 오일과의상용성 개발에있어서냉매와적합한오일을선정하고, 냉매-오일혼합물의용해도및상용성에대한자료를확보하는것은시스템의설계및신뢰성확보차원에서매우중요한일이다. 냉매와오일은화학적성질, 혼합비율, 온도등에따라용해도및상용성이다르게나타난다 ( 그림 3 과표 4 참조 ). 냉매의물성도오일의혼합률에따라변화하게되며오일의혼합률이비교적작을경우에는오일의영향이미미하나 30% 이상이되면오일의영향이매우크다. 그림 3과표 4에는 low- GWP 대체냉매인 R-12343ze(E) 와 POE68 오일과의상용성실험결과를냉매와오일의혼합비와온도에따라나타내었다. 그림과표에서 M는상용성우수, N과 N* 는상용성이나쁨을나타낸다. 그림 3(a) 의경우는상부에냉매증기가하부에는냉매와오일의혼합물이위치하 THEME 02 2017. 9., Vol. 57, No. 9 37

THEME 02 Low GWP 냉매의열물성및안정성 (a) R-1234yf/ISO 32 oil 그림 4 low-gwp 냉매의유리밀봉관시험결과 (b) R-1234ze/ISO 32 oil 가많은혼합물이존재하는경우를나타낸다. 냉매 / 오일의안정성및재질적합성 그림 5 R-1234ze 냉매 - 오일과의 TAN 고있으며상용성이우수한것을나타낸다. 그러나 (b) 의경우는상부에냉매증기, 중간층에오일, 그리고하부에는냉매와오일의혼합물이존재하는오일과냉매가상분리가일어나고있음을알수있으며상용성이좋지않다. 또한 (c) 의경우도 3층의상분리가일어나는경우로상부에냉매증기, 중간층상하부에는오일과오일이많은혼합물, 그리고하부에는냉매 냉동공조시스템의장기신뢰성은냉매 / 오일혼합물의열적안정성과압축기구성부품과의재질적합성에크게영향을받게되므로, 냉매 / 오일의안정성과재질적합성은매우중요한연구분야이다. 냉매-오일의안정성과재질적합성관련시험규격은미국의냉동공조학회 (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) 표준 ANSI/ASHRAE STANDARD 97-2007) 에잘기술되어있는데, 밀봉유리관시험으로시험관제작과냉매, 오일, 시험재료 ( 냉동기구성부품재료 ) 등의밀봉및시험방법등이다. 유리밀봉관에시험자재를냉매-오일과함께봉입한후온도 38 기계저널

175 에서 14일간 Aging 후냉매의성분분석, 오일의 TAN(Total Acid Number), 시험자재의변화량등을측정한다. 최근에미국의 AHRTI(Air-conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 에서는 low- GWP 냉매인 R-1234yf, R-1234ze 및 R-1234yf/ R-32 혼합냉매 (50/50 wt%) 와 POE/PVE 오일의안정성과재질적합성에대한최종보고서 (Phase I & II) 를출판하였다. Phase I에는냉매-오일의열적화학적안정성을 Phase II에는냉매 / 오일과냉동기구성부품과의화학적 / 재질적합성평가가기술되어있다. 그림 4에 low-gwp 냉매 (R-1234yf, R-1234ze) 와 ISO 32 오일과압축기부자재와의유리밀봉관시험결과 (175 에서 14일간 Aging 후 ) 를나타내었다. 그림에서알수있듯이공기의유무에따라시험결과가다르게나타나는것을관측할수있다. 즉공기가존재는수분의존재여부와관계없이냉매와오일의분해에크게영향을미치며, 공기가없을경우는냉매와오일의분해가비교적작다. 그림 5에는 R-1234ze의오일의종류와혼합비에따른 TAN 값을나타내었는데, PVE 오일을사용하는경우는수분과공기의존재여부와관계없이오일의분해가매우작게나타나고있음을알수있다.(TAN < 0.5) THEME 02 2017. 9., Vol. 57, No. 9 39

THEME 03 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형증발기개발 김동호한국기계연구원열시스템연구실선임연구원변호원한국기계연구원열시스템연구실선임연구원김욱중한국기계연구원열시스템연구실책임연구원 ㅣe-mail : dhkim@kimm.re.kr ㅣe-mail : hwbyun@kimm.re.kr ㅣe-mail : ojkim@kimm.re.kr 이글에서는 Low GWP 냉매를이용하는셸-튜브형증발기개발기술에대해서소개하고자한다. 자세히는터보냉동기에사용되는만액식증발기에대한기술소개및향후개발연구에대해소개한다. GWP 지수가낮은냉매의개발과함께다양한 HVAC&R 기기의개발이요구되고있다. 그중터보냉동기는냉매충진량이많아해외선진사를중심으로신제품이출시되고있다. 이글에서는터보냉동기구성요소중냉매량이많이요구되는되는만액식증발기에초점을맞춰터보냉동기개발의필요성, 해외선진사의개발연구동향, 한국기계연구원에서의연구개발내용및향후개발연구과제등을간략히서술해보고자한다. 로가장빨리접근되었던시스템중하나는터보냉동기이다. 터보냉동기는다른시스템에대비하여, 상대적으로많은양의냉매를사용하는데, 이는만액 ( 滿液 ) 식증발기를사용하기때문이다. 만액식증발기라함은, 액체상태의냉매가증발기를가득채우고있기때문에많은냉매충진량을필요로한다. 물론, 터보냉동기자체가다른냉동시스템에비하여냉동능력이크게설계되기때문에도많은양의냉매를필요로한다. 그림 1은 HVAC&R 시스템별, 일반적인냉매 터보냉동기에서의증발기 친환경냉동시스템을개발하는것은개발자의의무이자책임이다. 냉동시스템이지구온난화에미치는인자로는직접적으로는 GWP가높은냉매의사용이며, 간접적으로는전기를소모하기때문이다. Low GWP 냉매의개발과함께이를적용하기위한대상으 그림 1 HVAC&R 기기별수명, 냉매충진량, 누설량 (W. Goetzler, et al., Research & Development Roadmap for Next-Generation Low Global Warming Potential Refrigerants, US DOE, 2014) 40 기계저널

충진량및누설량을나타낸다 (W. Goetzler, et al., Research & Development Roadmap for Next-Generation Low Global Warming Potential Refrigerants, US DOE, 2014). 냉동시스템의환경성을평가하는기술로는 LCCP(Life-Cycle Climate Performance) 가있으며, 이는요소인자가미치는환경성을 CO 2 배출량으로환산하는기법이다. 예를들어, 냉동시스템의경우크게는 1 냉매누설에의한환산 CO 2 배출량 (Direct emission), 2 전력사용량 (Indirect emission) 에의한환산 CO 2 배출량으로구분할수있다. ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 에서발표한연구 (W. Goetzler, et al., Research & Development Roadmap for Next-Generation Low Global Warming Potential Refrigerants, US DOE, 2014) 에의하면기존냉매의경우, 냉매누설에의한 CO 2 배출효과가지배적이지만, Low GWP 냉매로대체될경우누설에의한인자보다는시스템효율이환경에미치는중요한변수가된다. 따라서, Low GWP 냉매를사용하는시스템에서의고효율화는친환경시대를위해필수적이다. 터보냉동기는다른시스템에비해많은냉매량을필요로하며, 냉매의누설은환경에많은영향을미친다. Low GWP를이용하는친환경, 고효율의터보냉동기개발은필수적이다. 그림 2 HFC 대체냉매 (HFO) 의열물성특성 (R. Suemitsu et al., Development of Centrifugal Chiller and Heat Pump Using Low GWP Refrigerant, 12th IEA Heat Pump Conference, 2017) 해외선진사터보냉동기개발동향 현재까지터보냉동기 (Centrifugal chiller) 는작동유체를 R-123 및 R-134a를주로사용하였다. Low GWP 냉매개발과더불어기존냉매의대체냉매들이개발되고있으며, 대체냉매들의개발방향은기존냉매대비 GWP지수가낮지만, 비슷한열물성을가지도록하는것이다. 저압냉매로분류되는 R-123을대신하는대체냉매로는대표적으로 R-1233zd(E) 가있으며, 고압냉매인 R-134a의대표대체냉매로는 R-1234yf, R-1234ze(E) 가있다. R-1234yf 냉매의경우, 차량용 HVAC 에적용되고있으나, 다른 HFO 계열냉매대비생산단가가높아, 많은냉매량을충진하는터보냉동기에는사용되지않고있다. 언급한대체냉매들은올레핀계열의 HFO 냉매로서 GWP 지수가 10 이하이나, HFC 냉매대비대체로비체적이크다는단점이있다 (D.H. Kim et al., The latest review of Low GWP (<100) HFO Refrigerant and Studies on the Pool Boiling Heat Transfer, Int. J. Air- Conditioning and Refrigeration, Vol. 24, 163009, 2016). 그림 2는 HFC 계열의 R-134a 냉매및 HFO 계열의냉매의비교이다. 대표적인터보냉동기제작업체선진사인 Trane, MHI, Johnson Controls, Geoclima 에서는최근신냉매를이용한터보냉동기를개발하였으며, 각회사마다출시한냉동기는사용한냉매가다르나크게는 R-1233zd(E) 및 R-1234ze(E) 로구분할수있다. THEME 03 2017. 9., Vol. 57, No. 9 41

THEME 03 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형증발기개발 Trane R-1233zd(E) R-514A(R1233mzz) 그림 3 해외선진사 Low GWP 냉매용터보냉동기 MHI Geoclima Johnson Controls R-1233zd(E) R-1234ze(E) 사용냉매 R-1234ze(E) R-513A (wt%, R-134a: 44, R-1234yf: 56) Trane 사는신냉매 R-1233zd(E) 를사용하는터보냉동기를최초로개발하였으며, R-514A 냉매를이용한터보냉동기도현재개발중이다. Trane 사를이어, MHI 사도 R-1233zd(E) 터보냉동기를개발하였으며, R-1234ze(E) 냉매를있다. 이용한터보냉동기도올해부터개발중이다. R-1233zd(E) 터보냉동기의경우, R-1234ze(E) 냉매대비열역학적 COP가높고가격경쟁력이있으며, 응축기에서의압력이상압에가까워고압냉매대비누설이없다는장점을가지고있다. 이러한이유로, R-123 대체냉매 R-1233zd(E) 를이용한터보냉동기의개발이많이이루어지고있다. Geoclima 사는 R-1234ze(E) 를작동유체로사용하는터보냉동기를개발하였으며, Johnson Controls 사는 R-1234ze(E) 의혼합물인 R-513A를이용한터보냉동기를개발하였다. 두회사에서개발한증발기의특징은만액식증발기가아닌 Falling film 방식의증발기를채택하였으며, 이증발기의경우만액식대비냉매충진량을획기적으로줄일수있다는장점이있다. 언급한기술에대해서는나중에다시서술하기로한다. 현재많은터보냉동기해외선진사들은대체냉매를이용한냉동기를개발하였으며, 작동유체로는크게 R-1233zd(E) 및 R-1234ze(E) 로구분할수 한국기계연구원전열관개발연구 터보냉동기내만액식증발기는셸-튜브타입의열교환기로튜브외측에서냉매는증발하게되며, 이때튜브내측으로냉수가흐른다. 튜브표면에서의냉매증발은풀비등열전달과유사하다. 증발기의총괄열전달계수를향상시키기위해서는 1 튜브내냉수대류열전달계수향상, 2 튜브외측비등열전달계수향상을해야하며, 1의경우는펌프차압과관련하여얻을수있는향상의폭이제한된다. 따라서, 튜브외측열전달을향상시키는연구가선진전열관제조사에의해수행되고있으며, 한국기계연구원에서도관련연구를수행중이다. 일반적으로, 비등열전달에사용되는튜브는외부에수많은핀으로구성이되어있으며, 핀-핀사이에는 Cavity가있어증발한기체냉매를가두어버블을성장시켜떨어져나가도록설계된다. 기본적인핀의설계방향은핀개수를증가시키도록설계가되나, 현실적으로가공기술의한계에직면하여무한정증가시킬수는없다. 전열관의주요기하학적인자로는, 핀높이, 길이 / 원주방향핀개수가있으며, 한국기계 42 기계저널

THEME 03 외부핀표면핀단면외부핀표면핀단면개발전열관 A 개발전열관 B 평활관비등가시화 (R-1233zd(E)) 전열관비등가시화 (R-1233zd(E)) 그림 4 개발전열관형상및비등가시화사진 그림 5 개발전열관의성능특성 그림 6 증발기용전열관성능평가장치 연구원에서는 R-1233zd(E) 용증발기전열관개발연구를수행하고있으며, 전열관시험장치를통해전열관의성능을파악하고있다. 그림 4는개발한증발기전열관의형상을나타내며, 표면에서의비등현상을가시화장치를통하여측정하였다. 전열관시험장치를통해총괄열전달계수및냉수측차압특 현재한국기계연구원은 R-1233 zd(e) 용증발기전열관을개발중이며, 개발한전열관은단관성능평가를통하여대용량증발기설계에활용하고있다. 현재개발한전열관은해외선진사제품과동등한수준을나타내나, 양산과정에서의가공기술개선이필요하다 성을구할수있으며, 총괄열전달계수를토대로 Wilson plot 법을활용하여, 관외측열전달계수를추정할수있다. 이때얻은관외측열전달계수를토대로상관식을개발하여증발기설계에활용하게된다. 위결과는한국기계연구원에서개발한전열관과해외선진사전열관의성능비교이며, 개발한전열관이 2017. 9., Vol. 57, No. 9 43

THEME 03 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형증발기개발 그림 7 Falling film 증발기개념도 (MIDEA, Full Falling Film Centrifugal Chiller, Available at http://midea.kz/assets/files/pdf/r134afull-falling-film-centrifugal-chiller.pdf.) 만액식증발기의문제점인많 R-1233zd(E) 냉매에서는선진사전열관에유사한성능을나타냄을 은냉매충진량을해소하기위 액상냉매가셸-튜브상측으로떨어지는방식으로만액식증발기와 확인할수있었다. 추후에는, 비등는차이점을나타낸다. 그림 7은한방안으로 Film 증발방식의가시화영상을기초로버블의크 Falling flim 방식을이용한증발열교환기가연구되고있으며, 기, 버블생성주기등을 Image 기의개념도를나타낸다. processing하여보다면밀한연구를수행해나아갈예정이다. 증발기관련향후연구방향 최적의 Film 두께, 튜브및셸측구조개선연구가향후필요할것이다 Falling film 증발열전달의특성은, 관표면주변으로적당량의액막이형성만되면그이후에는열전달계수는큰변화가없다. 따 라서, 적당량의액막이형성되기위한최적의냉매충 터보냉동기에서 Low GWP 냉매도입으로인한가장큰문제점은, 냉매단가상승에따른가격상승이다. 만액식증발기를다른방식으로대체한다면, 냉매충진량을감소시킬수있으며이에관한연구들이해 진량을계산하는연구가필요할것이며, 액적이압축기흡입쪽으로유입되는것을방지하기위한구조, 수직방향으로의균일젖음도개선을위한튜브배열구조에대한연구들이향후이루어져야할것이다. 외선진사위주로진행중이다. 흔히, Dry expansion eva, Falling film eva로표현이되며, 응축기출구의 44 기계저널

THEME 04 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형응축기개발 THEME 04 전동순한국생산기술연구원선임연구원 김선창한국생산기술연구원수석연구원 ㅣ e-mail : geengeen@kitech.re.kr ㅣ e-mail : kimsc@kitech.re.kr 이글에서는지구온난화방지및 CO 2 감축의일환으로수행되고있는 Low GWP 냉매적용셸-튜브형응축기개발과정에대하여소개하고자한다. 일반적으로셸-튜브형응축기는터보냉동기또는입 출구포트들및기타구조물로구성되어있다. 이스크루냉동기의응축용열교환기로사용된다. 현재대중응축기에의성능에가장큰영향을미치는요소는표적으로사용되고있는냉매들은 HFC(Hydro Floro 응축용전열관이다. 따라서성능이우수한응축용전 Carbon) 계열인 R134a 및 HCFC(Hydro Chloro 열관이셸-튜브형응축기의성능을좌우하는가장중 Fluoro Carbon) 계열인 R123이다. 하지만기존에사요한요소가된다. 성능이우수한응축용전열관을개용되고있는냉매들은 GWP(Global Warming 발하기위해서는기본적으로응축과정에대한물리 Potential, 지구온난화지수 ) 가높고, R123 냉매의경적인현상을이해할필요가있다. 우 ODP(Ozeon Depletion Potential, 오존파괴지수 ) 그림 2는구나수평관들에서의막응축현상을나타값을가지고있다. 따라서전세계적으로기존사용되낸그림이다. 응축은일반적으로증기의온도가포화고있는냉매를 GWP가낮으면서 ODP가없는냉매로온도이하로내려갈경우발생한다. 증기는포화액이대체하기위한연구및개발이활발하게진행중이다. 대표적인대체냉매로는 HFO(Hydro Fluoro Olefin) 계열냉매인 R1234ze(E) 및 R1233zd(E) 등이있다. R1234ze(E) 및 R1233zd(E) 냉매는 R134a 및 R123 냉매를대체하기위해개발된것으로알려져있다. 그림 1은일반적인셸-튜브형응축기의구조를나타낸개략도이다. 셸-튜브형응축기는평행하게배열된다관을원통형동체속에내장한 구조를갖으며, 응축용전열관, 셸, 그림 1 일반적인셸 - 튜브형응축기의구조 2017. 9., Vol. 57, No. 9 45

THEME 04 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형응축기개발 되는과정에서응축열을방출하게되고, 방출된응축열은냉각수가흡수한다. 응축된포화액은냉각표면전체를덮게되고중력에의하여아래방향으로흘러내리게된다. 그림 2의 (a) 는구, (b) 는단일수평관, (c) 는연속적인응축판이있는수평관, (d) 는응축액이떨어지는수평관의수직열에서의응축을나타낸그림이다. 식 (1) 은 Nusselt에의하여제안된수평관에서의막응축열전달계수이론식이다. 이를보면, 포화증기및액의물성치가일정할때, 막응축열전달계수는포화온도와표면온도차이및수평관의직경의 1/4승에반비례한다는것으로알수있다. 이는포화온도및표면온도의온도차및수평관의직경이클수록응축열전달계수가작아진다는것을의미이다. 또한, 해당냉매의물성 ( 밀도, 점성계수, 열전도도및잠열량 ) 들에영향을받는다는것을알수있다. 따라서 Nusselt의이론식에의하여응축열전달계수는포화및표면온도의온도차및수평관의직경을작게하면상대적으로큰값을얻을수있다는결론을얻을수있다. 하지만포화온도와표면온도의차를적게할경우전열량이감소할수있다. 그리고관직경을작게할경우관내냉각수의유속이증가하여관내열전달계수가커지게되어우수한성능을나타낼것으로판단될수있지만열전달면적감소에의한전열량감소와관내유속증가로인한압력강하량증가등의단점이있기때문에종합적인판단을필요로한다. gq h 0 =C[ l (q l -q v )k l3 h' fg ] l f (T sat -T s )D 1/4 (1) 응축용전열관응축용전열관개발에앞서터보냉동기및스크루냉동기등에서사용되고있는응축용전열관에대하여알아볼필요가있다. 그림 3은현재터보냉동기에 (a) (b) (c) (d) 그림 2 막응축 (Incropera, F. P., Dewitt D. P., Bergman Y. L. and Lavine, A. S., Fundamentals of heat and mass transfer, Six edition, p. 750) (a) 내 외부구조 (b) 응축 적하상태 그림 3 현재사용되고있는응축용전열관 (E.T.1(C)) 서사용되고있는응축용전열관 (E.T.1(C)) 의내 외부구조와응축 적하시를나타낸사진이다. 터보냉동기에적용된냉매는 R134a이다. 응축용전열관은관외및관내에열전달촉진을위한마이크로휜 (micro fin) 형상의일정한패턴 (pattern) 및원주방향의그루브 (groove) 가각각형성되어있다. 아무런패턴및그루브를가지고있지않은평활관에비하여일반적으로 4배이상큰전열성능을나타낸다. 46 기계저널

그림 4 표면과냉도변화에따른막응축열전달계수 (Jeon, D. S. Ko, J. W. and Kim, S. C., 2017, Effects of Tube Diameter and Surface Sub-Cooling Temperature on R1234ze(E) and R1233zd(E) Film Condensation Heat Transfer Charateristics in Smooth Horizontal Laboratory Tubes, Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 29, No. 5, pp 231-238) (a) 전체전열관 그림 5 전열관들의단면비교 냉매별막응축열전달계수 (b) E.T.2(C) vs. E.T.2(C)-(4) vs. E.T.4(C) 냉매별막응축열전달계수에대한실험은기존에 사용되고있는냉매인 R134a와대체냉매로예상되는 R1234ze(E) 및 R1233zd(E) 와의성능비교를위하여수행하였다. 전열관시료로는내 외측모두가공이되어있지않는 3/4인치의수평평활관을사용하였다. 그림 4는냉매들의기본적은성능을알아보기위하여수행된실험결과이다. 그림에서의표면과냉도는포화온도와표면온도의차를뜻한다. 그림을보면표면과냉도가증가함에따라관외측열전달계수의이론및실험값은모두감소하는경향을보이고있다. 이는냉매들의물성치가일정할때, 막응축열전달계수는표면과냉도의 1/4승에반비례하기때문이다. Nusselt 이론값의경우, 전체실험범위내에서 R134a의막응축열전달계수가가장높게나타났으며, R1234ze(E) 와 R1233zd(E) 는모두 R134a에비하여약 10% 정도낮은값을나타내었다. 응축용전열관성능실험 본실험은여러종류의응축용전열관을비교하여보다우수한전열관을개발하기위한기초연구자료및연구개발의방향성검토하기위하여수행하였다. 응축용전열관의성능실험은기존사용되고있는전열관 (E.T.1(C), E.T.2(C)), 현재개발중인전열관 (E.T.3(C)-(2), E.T.3(C)-(4)) 및독일빌란트 (Wieland) 의전열관 (E.T.4(C), E.T.5(C), E.T.6(C)) 들을포함하여총 7종을대상으로수행되었다. 그림 5는전열관들의내 외부형상을비교한사진이며, 직경은모두 3/4인치에해당된다. 이를보면내 외측모두다른형상을가지고있는것을알수있다. 이중그림 5의 (b) 에나타낸전열관들의내부형상을보면빌란트사의전열관은다른전열관들과비교하여다른경향을하고있는것을알수있다. 응축용전열관들은동일한열전달면적안에서보다우수한열전달성능을위해내 외측에각기다른패턴또는그루브가형성되어있다. 그리고내 외부패턴및그루브로인하여관내및관외측각각의열전달계수를예측하기가어렵기때문에전열관들의성능은총합 THEME 04 2017. 9., Vol. 57, No. 9 47

THEME 04 Low GWP 냉매적용셸 - 튜브형응축기개발 표 1 전열관및냉매별총합열전달계수비교 No. 명칭 U [W/m2 K] R134a R1234ze(E) R1233zd(E) 평균 비율 [%] 1 E.T.1(C) 5,990 5,540 6,587 6,039 100 2 E.T.2(C) 8,130 7,607 7,106 7,614 126 3 E.T.3(C)-(2) 6,593 6,917 6,212 6,574 109 4 E.T.3(C)-(4) 8,303 8,230 7,149 7,894 131 5 E.T.4(C) 10,043 7,814 8,565 8,807 146 6 E.T.5(C) 10,141 8,619 7,954 8,905 148 7 E.T.6(C) 12,190 9,822 10,680 10,897 180 열관인 E.T.1(C) 의전열관을기준으로보면현재개발중인 E.T.3(C)-(4) 전열관의경우 31% 의성능향상이이루어진것으로나타났다. 그리고빌란트의전열관의경우 E.T.1(C) 에비하여 46% 에서 80% 까지높은성능지표를나타내고있다. 맺음말 그림 6 전열관및냉매별총합열전달계수비교 열전달계수의값으로비교하였다. 전열관의총합열전달계수는식 (2) 및 (3) 과같이계산할수있다. Q cond =U A LMTD (2) 1 g 1 g ln(r 0 /r i ) 1 g = + + (3) UA h i A i 2pkL h 0 A 0 그림 6 및표 1에전열관별총합열전달계수의실험결과를나타내었다. 대부분의전열관들에서 R134a 냉매가 R1234ze(E) 및 R1233zd(E) 냉매들에비하여우수한성능을나타내고있다. 이는앞서수행된수평평활관의실험결과와일치한다. 그리고전열관별로보면빌란트사의전열관 3종이다른전열관들에비하여우수한성능을나타내었다. 현재사용되고있는전 이글에서는 Low GWP 냉매에대응하기위한셸- 튜브응축기개발과정에대하여소개하였다. 현재정확한데이터확보를위하여반복실험을진행중이며, 실험이완료된전열관에대한분석을수행하고있다. 그리고분석한결과를토대로성능개선을위한연구및추가전열관개발을수행중에있다. 앞서나타낸바와같이. 셸-튜브응축기의개발은우수한성능을갖는전열관개발이선행되어야한다. 현재까지수행된결과로미루어보면기존에사용하고있는전열관및개발중인전열관들은선진사인독일의빌란트사의전열관에비하여낮은성능을보이고있다. 이는응축용전열관의물리적인특성분석기술과전열관의가공및제작기술의차이인것으로판단된다. 현재지속적인실험및형상변경등을통하여보다성능이우수한셸-튜브응축기용전열관을개발하기위한연구및개발을수행중이다. 향후우수한성능의응축용전열관을개발할수있을것으로기대한다. 48 기계저널

THEME 05 Low GWP 냉매적용판형증발기 / 응축기개발동향 THEME 05 김용찬고려대학교기계공학과교수강용태고려대학교기계공학과교수 ㅣe-mail : yongckim@korea.ac.kr ㅣe-mail : ytkang@korea.ac.kr 이글에서는냉동 공조산업에서쓰이는냉매들의변천사와앞으로다가올미래공조산업을준비하기위한 Low GWP 냉매를적용한판형증발기및응축기에관한연구에대하여소개하고자한다. 다양한산업분야에서사용되는열교환매체로서적절한열교환기설계는기술의발달에따라그중요성이나날이증가하여왔다. 그중에서도판형열교환기는낮은오염성과쉬운유지개 보수등다양한장점으로널리사용되고있다. 판형열교환기의설계에있어서중요한요소로는사용되는작동유체와유체의입출구온도, 압력을들수있다. 이러한시스템설계치를이용하여적절한열교환기를설계하기위하여서는작동유체에잘들어맞는열교환상관식과이에맞는무차원수 ( 누셀트수, 마찰계수 ) 에대한연구가필연적으로필요하게된다. 따라서이글에서는앞서소개된 Low GWP 냉매를적용한판형열교환기의최적설계를위해필수적으로요구되는열전달및압력강하에대한상관식을실험적으로도출하는연구들과열교환기설계프로그램을개발하는연구에관해소개하고자한다. 판형열교환기판형열교환기는유체와유체간의효율적인열전달을위해만들어진장치로, 단위부피당열교환양이큰열교환기중하나이다. 판형열교환기는전열판의 면적과판의개수를조정함으로써작은용량부터대용량의열교환기가생산가능하며, 비교적작은용량의열교환기로주로사용된다. 판형열교환기의종류는전열판의결합방법에따라실링부품을사용하는가스켓타입, 각전열판을브레이징하는브레이징타입, 두장의전열판이한쌍으로레이저용접된채가스켓을사용하는반용접타입, 전열판을셸로둘러싼셸 & 플레이트타입등이있다. 판형열교환기의전열판재질로서는열저항이작은금속재질이사용되며주로구리와니켈이사용된다. 전열판의형상은쉐브론타입이일반적이며유체의난류도를최대화하고유체와의접촉면적을최대화할수있게끔물결무늬와유사하게설계되어있다. 따라서판형열교환기에서난류천이점의레이놀즈수는일반적으로 400 정도로 50만인평판보다현저하게낮은수치이다. 이같은장점들로인하여많은산업분야, 특히공기조화및냉동분야에서열교환기로서판형열교환기가널리사용되고있다. 그림 1은판형열교환기및전열판의사진, 그리고판형열교환기내에서유체의유동을이해하기위한해석결과이다. 2017. 9., Vol. 57, No. 9 49

THEME 05 Low GWP 냉매적용판형증발기 / 응축기개발동향 표 1 전열관및냉매별총합열전달계수비교 Fluid Tcrit Pcrit Psat (5 ) 잠열 (5 ) ( ) (bar) (bar) (kj/kg) GWP Safety HFC134a 101.0 40.59 3.497 194.7 1430 A1 HFO1234ze(E) 109.3 36.35 2.593 180.9 <5 A2L HFO1234yf 94.7 33.82 3.729 160 4 A2L HCFC123 183.7 36.68 0.409 179.9 77 B1 HFC245fa 154 36.51 0.662 201.7 1030 B1 HFO1233zd(E) 165.6 35.73 0.5941 202.3 1-7 A1 HFO1234ze(Z) 150.1 35.33 0.858 217.7 <10 A2L 판형열교환기에서의응축 증발실험연구 판형열교환기는앞서서술한내용에서도언급되어있듯이, 높은효율성과낮은오염률로다양한산업에서사용되고있다. 이러한판형열교환기를산업현장에서요구하는사양에맞게설계하기위하여서는냉매의종류와질량유속, 시스템압력등다양한변수를고려한실험결과가필요하다. 이에따라, 세계각지에서신냉매를적용한판형열교환기에서의응축 증발실험이진행되고있으며, 그에 (a) 브레이징타입판형열교환기 (c) 판형열교환기의전열판 (b) 판형열교환기유동해석그림 1 판형열교환기의형상및유동형태 대한개요와개발동향은다음과같다. 의온도와압력등을통하여냉매의질량유속별, 시스응축 증발실험의실험장치는실험자마다다른형템압력별, 건도별열전달계수및압력강하를구할수태와구조를가지지만, 기본적인구조는대체적으로있으며, 이러한데이터를바탕으로최적의열교환기동일하다. 시험하고자하는열교환기가들어가는 시를설계할수있다. 험부, 시험부의조건 ( 냉매의압력, 온도등 ) 을맞춰주또한이러한연구에쓰인냉매로서기존의냉동산기위한 보조열교환부, 시험부를통과한냉매를완업에서사용되던냉매들을대체하기위해등장한전응축시켜주기위한 응축부, 그리고이러한실험 Low GWP 냉매들은각각의압력에따른응축온도, 장치를냉매가흐를수있게하는펌프와기타장치들비열등을따져비슷한물성을가지는냉매들을대체이부착된다. 펌프를지난냉매의유량과시험부에서하기시작하였다. 공조용칠러와냉동기, 차량용에어 50 기계저널

컨등에사용되던 HFC134a 냉매를대체하기위하여 HFO1234ze(E) 와 HFO1234yf 냉매가등장하였으며, 저압냉매로서고온히트펌프와발전사이클에주로사용되던 HCFC123과 HFC245fa 냉매의대체냉매로서 HFO1233zd(E) 와 HFO1234ze(Z) 등의냉매가등장하였다. 표 1은각냉매들의응축온도, 비열등을나타낸표이다. 이전에고온히트펌프에주로쓰이던냉매들을대체하기위해 HFO1234ze(Z) 냉매에관한연구를진행하였다. 연구결과 HFO1234ze(Z) 는기존에히트펌프에사용되던냉매 (HFC134a, HFC600a, HFC236fa) 들보다높은열전달계수와마찰압력강하를보였다. 이를통하여 HFO1234ze(Z) 가고온히트펌프에매우적합한대체냉매라는것을알수있었다. THEME 05 응축실험연구동향 응축기로사용된판형열교환기에서 HFC134a 대체냉매에관한연구 2013년도이탈리아의 Longo 등은 HFO1234yf를작동유체로하는판형열교환기에서의열전달계수와마찰압력강하에대한연구를실험적으로진행하였으며, 실험결과를 HFC134a와비교한결과 HFC134a 보다 10~12% 낮은열전달계수와 10~20% 낮은마찰압력강하를나타내었다. 또한, 2012년도스웨덴의 Sad Jarral은 HFO1234yf를작동유체로하는판형열교환기에서의열전달계수와마찰압력강하에대하여실험적및이론적으로분석하였다. 연구결과 HFO1234yf는 HFC134a보다낮은냉방용량, COP, 압축기효율을보였으며, 과냉과과열에영향을크게받는것으로나타났다. 2014년도이탈리아의 Longo 등은 HFO1234ze(E) 에관한연구를진행하였으며, 이를통해 HFO1234ze(E) 는 HFC134a보다 4~6% 낮은열전달계수와 10% 높은마찰압력강하를보이는것을실험적으로증명하였다. 또한, 2016년도일본의 Keishi, K 등은 HFO1234ze(E) 를작동유체로판형열교환기에서의벽면온도를고려한국소열전달계수와온도구배에대한연구를진행하였다. 응축기로사용된판형열교환기에서 HFC245fa 대체냉매에관한연구 2014년도이탈리아의 Longo 등은몬트리올협정 그림 2와그림 3에최근에개발된 Low GWP 냉매들에대한포화증기응축열전달계수및과열증기평균응축열전달계수의값들이제시되어있다. 증발실험연구동향 증발기로사용된판형열교환기에서 HFC134a 대체냉매에관한연구 2014년도이탈리아의 Longo 등은판형열교환기에서 HFC134a의대체냉매후보인 HFO1234ze(E) 에대한증발열전달실험을진행하였다. 실험결과열전달계수는 HFC134a가약간더높았고, 압력강하는 HFO1234ze(E) 가조금더높았다. 전반적으로열전달계수와압력강하의차이는두드러지지않았다. 또한, 동일저자는 2015년에 HFO1234yf와 HFC134a 의열전달성능비교실험을판형열교환기를이용하여진행하였다. 실험결과 HFC134a가 HFO1234yf보다다소높은열전달계수를보였으나절대적인수치는상당히비슷한값을보였다. 2012년도미국의 Karber 등은 HFC134a와그대체냉매인 HFO1234ze(E), HFO1234yf를이용하여실제냉방시스템에서에너지효율을각각냉매별로분석하였다. HFO1234yf의경우에는 HFC134a와비슷한에너지소비와용량을보이므로 drop-in에적합하다고판단하였다. 대조적으로, HFO1234ze(E) 는에너지소비의측면에서는 HFC134a와거의비슷하지만, 작은 2017. 9., Vol. 57, No. 9 51

THEME 05 Low GWP 냉매적용판형증발기 / 응축기개발동향 그림 2 포화증기의평균응축열전달계수 그림 3 과열증기의평균응축열전달계수 용량으로인한압축기운전시간증가로시스템의변형이불가피하다고판단하였다. 그림 4에냉매별열유속에따른증발열전달계수값들이나타나있다. 증발기로사용된판형열교환기에서 HFC245fa 대체냉매에관한연구 2017년도벨기에의 Desideri 등은판형열교환기 를이용해 HFO1233zd(E) 와 HFC245fa의증발열전달실험을진행하였다. HFC245fa는저압냉매로서고온히트펌프나발전시스템에서주로사용되는냉매이며, 폐열을회수하여발전하는 Organic Rankine Cycle(ORC) 에서널리사용되고있다. 일반적인 ORC 운전조건에서 HFC245fa와 HFO1233zd(E) 를실험한결과, 열전달계수는 HFC245fa가조금더높 52 기계저널

THEME 05 그림 4 냉매별열유속에따른증발열전달계수 (Ji Zhang 등 ) 게측정이되었고, 압력강하는 HFO1233zd(E) 가더높았다. 하지만열전달계수의감소폭과압력강하의증가폭이비교적작아대체냉매를적용을위한열교환기의큰변형은필요하지않을것으로예상되었으며, 실제로 2016년도독일의 Eyerer 등은기존냉매 HFC245fa를사용하는 ORC 시스템에 HFO1233zd(E) 의 drop-in 가능성에대해연구를하였으며, 사이클전반적인효율은 HFC245fa가다소높았지만, 최대효율은오히려 HFO1233zd(E) 를사용하였을때더높은것으로나타났다. 또한증발기와응축기에서의열교환성능과압력강하는거의비슷한것으로나타났다. Low GWP 냉매적용판형열교환기전망앞서살펴본바와같이 Low GWP 냉매의개발과이를판형열교환기에적용하려는시도는활발하게이뤄지고있다. Low GWP 냉매는분명히현재환경기준을만족시키는냉매이지만, 성능측면에서는기존 high GWP 냉매에비해다소부족한것도사실이다. 이를고려하였을때작은면적에서도우수한열효용도를보이는판형열교환기는환경뿐만아니라성능조건도만족시키는열교환기라할수있다. 따라서 Low GWP 냉매를적용한판형열교환기는향후냉동공조산업에서중요한위치를차지할것이라판단된다. 2017. 9., Vol. 57, No. 9 53