Tech Story  ▶▶▶ ※자료 : 한국과학기술정보연구원
Floris, Giuseppe, “Energy saving chiller”, International Publication Number,WO2007069279, pp.1~12

공기조화설비의 급속한 보급으로 최대 전력수요가 증대하면서 발전설비의 새로운 증설 필요성이 높아졌다.

최대전력수요를 억제하고, 설비이용효율을 높이기 위한 대책이 필요한 이때, 냉동분야의 에너지절약을 목적으로 에너지절약 냉각장치가 개발되었다.

본 내용에서는 에너지절약효과와 더불어 소음과 진동의 감소효과도 기대되는 에너지절약 냉각장치에 대해 살펴보았다. <편집자 주>

1. 개요

본 내용은 냉난방, 냉각판매대, 공업용 냉장고의 냉각장치들에 관련된다. 에너지 비용의 계속적인 증가를 고려하여, 에너지절약 냉각장치는 이름 그대로 냉동분야에서 정상적으로 사용되는 해답들에 대체하는 에너지절약 해답들을 채택하는데 목적이 있다.

발명의 목적은 냉각을 하는데 에너지소비를 과감하고 균일하게 감소시키기에 적합한 시스템을 찾아내는 것이다.

그 결과와 다른 개량들은 냉각과정단계를 분리해서 얻어지고, 더 정확하게 말하면 냉각가스를 흡입하고 전달하는 기계를 사용하는 대신, 냉각가스들을 흡입하기 위해 제작된 소위 흡입장치라 부르는 흡입기계들, 그리고 액체 상태의 가스들을 전달하기에 적합한 소위 펌프라는 다른 기계들을 채용해 얻어진다.

에너지절약 냉각장치는 한 개 이상의 흡입장치, 적어도 한 개의 콘덴서, 적어도 한 개의 액체저장소, 냉각액체를 위한 한 개 이상의 펌프들, 냉각유동체를 위한 파이프 회로, 한 개 이상의 증발기들, 적어도 제어판에 연결된 한 개의 전기·전자회로로 장비된 새로운 에너지절약 냉각장치이다.

흡입장치와 펌프들은 통상적인 장치와 비교하여 저소음장치이며, 특별히 주거지역에서 주어진 데시벨 값을 초과하는 것이 금지되어 있어 실제적으로 강화된 법률에 따라 방음장치를 할 수 있다.

2. 발명의 내용

현재 사용된 냉장과 냉각 시스템은 압축기들의 다른 형식들을 채용한다. 단단한 스크룰 압축기들은 감소된 동력시스템들을 위해 적합하다고 알려져 있다.

또한 나사식 압축기들은 최대적응으로 특성을 나타내고, 압력에서 어느 차이점에도 적용할 수 있고, 어느 온도의 수준에서도 시스템에 사용할 수 있다.

또, 다른 알려진 압축기들과 비교하여 낮은 효율성을 가지고, 그 효율성에 있어서 앞에서 말한 차이점은 그들 크기에 따라서 감소하고 그들 압력 차이에서 증가한다고 알려져 있다.

전기의 압축기들은 중간 높이 동력시스템들에만 사용된다. 대안으로 반-단단한 1단계 압축기들은 응축과 흡입 사이의 온도에서 감소된 차이점을 가진 응용에 제한하여 사용하는 것으로 알려져 있다.

저온시스템들에 있어서, 어느 경우에서 사용하는 종류를 특별하게 고려한 압축기들이 선택되어야 한다.

대안의 반-단단한 2단계 압축기들은 응축과 흡입 사이에서 높은 온도차를 가진 응용들을 위해 사용되는데 적합하다고 알려져 있다.

그러므로 이 같은 압축기들은 다른 종류의 압축기들에 비해 효율성을 더 좋게 개발할 수 있는 저온시스템들에서 독점적으로 사용된다.

냉각회로는 보통 흡입, 압축, 응축, 전달의 단계들을 구성한다. 가스 상태에서 냉각제를 흡입하고 압축하고, 이 상태에서 냉각은 압축으로 인해 강력하게 가열되고 응축 시스템이라 불리는 시스템에 전달되고, 여기서 냉각제가 열교환기를 통하여 냉각되고, 또 가스 상태로부터 액체 상태로 변화되고, 그 후에 냉각제는 전달 파이프를 거쳐서 증발기 밸브로 전달된다.

냉각제가 증발기 안에서 팽창할 때, 주변의 열을 냉각하도록 열을 흡수하고 차게 하는 가스 상태로 돌아가며, 끝으로 냉각제는 그 과정을 반복하는 압축기로 흡인된다.

모든 과정은 시스템의 최적화로 영도의 온도를 위해서도 많은 에너지가 필요하고 이들 압축기로서 1㎾ 에너지로부터 약 2㎾ 냉각을 얻기가 가능하고, 저온도를 위해 다만 약 0.9㎾ 냉각을 얻을 수 있다.

이 시스템에 관련하여 여러 가지 문제들을 고려하여야 한다. 압축기들은 윤활유가 필요하고, 오일을 가스와 같이 재순환하고 시스템을 양호하게 작동시킨다.

예를 들면 파이프들, 사이판들, 흡입파이프의 초 킹 등의 체질적 경향에 관련하여 약간의 특별한 기준을 채용하는 것이 필요하다.

압축기들의 제작자들은 1.5㎾/h의 소비를 가진 2HP 압축기의 예를 참고하여, 다음과 같은 산출들을 균등하게 발표하였다.

실제온도(0℃)에 대하여 발표한 데이터는 흡입을 위해 약 8m3/h와 전달을 위해 약 12ℓ/h이며, 성취된 3㎾ 냉각을 허용하고, 한편으로 저온에 대해 데이터는 흡입을 위해 약 9.5m3/h와 전달을 위해 약 5.5ℓ/h이며, 성취하는 데 약 1.35㎾ 냉각을 허용한다.

3. 에너지절약 냉각장치

가. 효과

통상적인 시스템에서 사용하는 동일 동력을 가진 시스템을 고려해 보면, 냉각유체들의 흡입을 위해 필요한 장치들로써 제조된 1.5㎾/h를 흡수하는 흡입장치를 가지고 필요한 압력에서 약 80m3/h를 흡입할 수 있다.

흡입단계에서 성취된 에너지 절약은 약 90%에 해당되는 것을 알 수 있다.

액체 상태에서 냉각 가스들을 전달하기 위해 특별히 제조된 1.5㎾/h를 흡수한 펌프를 가지고 제조사에서 제공한 명세서들에서 보인 시스템의 양호한 작동을 위해 필요한 압력에서는 약 400㎾ 냉각수확을 가지고 2,400ℓ/h를 얻을 수 있다.

통상적인 압축기들을 가지고 같은 결과를 얻는데, 실제 온도로는 각 1.5㎾/h를 흡수하는 4개의 흡입장치들과 펌프로써 흡수한 1.5㎾/h를 합하여 7.5㎾/h에 대조하여 약 200㎾/h의 전기흡수가 필요하다.

따라서 에너지소비는 통상적 압축기들보다도 26.6배 정도 적게 든다. 새 냉각장치는 또 다른 상당한 이익들을 제공한다. 흡입장치나 펌프에 기름칠을 할 필요가 없으므로 시스템들과 파이프들의 배치가 간단할 것이다.

압축기 피스톤으로 발생한 소음을 제거할 수 있으므로 소음과 진동이 적어지는 것은 물론, 통상적 콘덴서의 팬들로서 발생한 소음이 제거되고, 큰 냉각효율을 고려하면서 응축은 같은 시스템으로 앞서서 냉각된 유체로 열교환기를 통하여 얻을 수 있다.

앞에 기술한 시스템은 특별히 주거지역에서 주어진 데시벨 값을 초과하는 것이 금지되어 있으므로 실제적으로 강화된 법률에 따라 부분적으로나 또는 완전하게 방음장치를 할 수 있다.

흡입장치들과 펌프들은 평행적으로 일할 수 있으며, 냉각능률에 의하여 그 시스템의 요구들에 따른 작동에서 하나가 다른 것으로 서로 교체될 수 있다.

흡입장치들과 펌프들은 흡입과 전달 둘 다 최적화하기 위해 진공 계량기와 압력 스위치로 제어된 주파수 조절기로 제공될 수 있다.

이들 기계들의 동작과 속도는 그 시스템의 실제요구들에 따라서 설정되며, 그 시스템의 실제요구들에 따라서 최적화된 더욱 많은 에너지절약을 제공할 수 있다.

나. 구성

새 에너지절약 냉각장치는 적어도 한 개 이상의 작동을최적화한 흡입압력센서나 진공계량기로 차례로 조절된 주파수변동기를 장치한 냉각가스 흡입장치들로 구성된다.

흡입된 가스는 압축하든지 냉각하여 열 교환기 또는 콘덴서 안의 흡입장치에 전달되며 가스 상태로부터 액체 상태로 변하고, 적당한 크기의 액체 저장소에 전달된다.

액체 가스는 그 흐름과 출구압력을 최적화된 전달 압력센서나 압력스위치로 제어된 주파수변동기를 장비한 적어도 한 개 이상의 전달펌프들로 흡입되고, 그 시스템 안에서 순환하도록 만들어졌다.

다. 특성

에너지절약 냉각장치는 한 개 이상의 흡입장체, 적어도 한 개의 콘덴서와 한 개의 액체저장소, 냉각액체를 위한 한 개 이상의 펌프들, 냉각유동체를 위한 파이프 회로, 한 개 이상의 증발기들, 제어판에 연결된 한 개의 전기·전자회로로 구성된 것으로 특성화 된다.

에너지절약 냉각장치는 전기의 흡입장치들과 펌프들이 사용된 동력에 따라서 윤활유가 필요 없이 건조과정에서 작동할 수 있도록 특성화 된 것이다.

동작을 최적화하고 일정한 최적압력을 보장하는 흡입압력센서 또는 진공 계량기로 조절된 주파수 변동기를 장비한 전기의 흡입장치와, 작동을 최적화하고 전달 중에 일정최적압력을 보장하는 압력 센서와 압력 스위치로 조절하는 주파수 변동기를 장비한 펌프로 특성화된다.

앞의 권리에 따른 에너지절약 냉각장치는 전술한 흡입장치와 펌프들이 평행으로 설치되어 홀로 또는 다 함께 중재할 수 있고, 같은 시간 동안 동작하는데 같은 방법으로 교대하는 특성이 있다.

또한, 응축단계에서 같은 시스템으로 앞에서 냉각된 액체로 열 교환이 진행되고, 통상적 시스템에서 사용하는 실험기구의 전부 또는 일부로, 제어판에 연결된 전기·전자 시스템이 장비된 것으로 특성화된다.

4. 전문가 제언

가정용, 업무용 등 공기조화설비가 급속히 보급되었기 때문에 최대 전력수요가 급속히 증대하여 발전설비의 새로운 증설이 필요해져 설비의 이용효율(부하율)의 저하가 진행되고 있다.

이 때문에 최대전력수요를 억제하고, 설비의 이용효율을 높이기 위한 대책이 필요하다.

한편 한국에서 소비되는 총에너지의 50% 이상은 배열과 온배수의 형태로 이용되지 않은 채 자연계로 방출되고 있는데, 이 저품위 에너지의 유효이용은 에너지자원이 빈곤한 한국에는 매우 중요한 과제이다.

히트펌프의 원리는 열에 민감한 냉매가 증발기를 통과하면서 공기 중의 열을 흡수하여 기체화되고, 압축기를 통과하여 고온, 고압의 상태로 변하는데 이를 응축기에 통과시켜 물에 열 교환을 시켜 방출되는 고온의 열을 난방 및 온수로 이용한다.

열 교환된 냉매는 다시 액체로 변하여 팽창밸브와 증발기를 통과하면서 또 다시 기체로 변하여 차가워진 냉열을 냉방에 이용하는 순환 기계장치이다.

이 기계장치의 구동에 필요한 동력에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 열에너지 형태로 공급하는 에너지 절약적인 열 공급 장치이다.

히트펌프에 소비되는 에너지는 소 용량 압축기를 가동시키는 소량의 전기이지만 발생시키는 에너지는 투입에너지의 2~3배 수준이 된다.

투입 에너지와 생산 에너지 비율(COP)은 상온 5℃에서 3.5배 정도로 높고 효율과 경제성을 보장한다.

이 발명에서 새로운 에너지절약 냉각장치는 한 개 이상의 흡입장치, 한 개의 콘덴서, 한 개의 액체저장소, 냉각액체를 위한 한 개 이상의 펌프들, 냉각유동체를 위한 파이프 회로, 한 개 이상의 증발기들, 제어판에 연결된 한 개의 전기·전자회로로 구성되고, 흡입장치와 펌프들은 통상적인 장치에 비해 저소음장치이다.

게다가 시스템이 특별히 주거지역에서 주어진 데시벨 값을 초과하는 것이 금지되어 있으므로 실제적으로 강화된 법률에 따라 만들기 위해 방음장치를 할 수 있으며, COP는 적어도 27배 정도 높일 수 있다.