Current Issue

최근 산업, 식품, 의약 등 많은 분야에서 -60℃ 이하 저온의 수요가 늘고 있다. 산업 분야에서는 대표적으로 반도체 공정을 예로 들 수 있으며 식각 공정 시 화학 반응으로 인해 발생하는 다량의 열을 처리하기 위해서는 -60℃ 이하의 브라인 공급이 필수적이다.¹⁾ 식품 분야에서는 식품 장기 보관 시 신선도 유지를 위해 -60℃ 이하의 고내 온도가 필요하며 이를 통해 6개월 이상 식품의 신선도 유지가 가능하다.²⁾ 의약 분야에서는 의약품의 품질 유지를 위해 -60℃ 이하의 고내 온도가 필요하며 이의 대표적인 예로 COVID-19 바이러스 백신인 화이자 백신을 들 수 있다.³⁾

이러한 저온의 공급을 위해 기존에는 이원 케스케이드 냉동기가 주로 사용되었다. 그러나 이원 케스케이드 냉동기는 사이클이 두 개로 구성되므로 복잡성과 유지보수에 불리함을 수반한다는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 해결할 수 있는 방안으로 SMR(Single Mixed Refrigerant) 냉동기가 주목받고 있다. SMR 냉동기는 1대의 압축기로 -60℃ 이하의 저온을 얻을 수 있으며 시스템의 구성이 간단해 소형화가 가능하다는 장점이 있다.⁴⁾

이러한 SMR 냉동기의 성능 특성 파악을 위해 아래와 같은 연구들이 진행된 바 있다.

Lee et al.⁵⁾은 3성분 혼합냉매를 사용해 조성비 변화에 따른 실험을 진행해 증발기 입구 도달 온도, 냉동능력, 응축 압력을 비교하였다.

T. Bai et al.⁶⁾은 줄-톰슨 냉동기에 R170과 R290으로 구성되는 혼합냉매를 사용해 조성비 변화에 따라 -60℃의 증발기 입구 온도에서 쿨링 타임, 압축기 토출 온도, 압축기 축동력을 비교하는 실험을 진행하였다.

Kim et al.⁷⁾는 -70℃ 이하의 증발기 입구 온도에서 운전 가능한 줄-톰슨 냉동기를 개발하고자 하였다. 이를 위해 혼합냉매를 구성하는 단일 냉매의 조성비 변화 실험을 진행하였으며 증발기 입구 온도에 미치는 영향을 분석하였다.

Dorosz et al.⁸⁾은 중간열교환기에서 발생하는 최소 엔탈피 차의 최대화에 중점을 두고 이론적 최적화를 진행하였다. 이를 통해 선정된 조성비의 이론적 냉동 효과와 실제 실험을 통해 얻은 냉동 효과를 비교하였다.

앞서 확인한 것처럼 SMR 냉동기에 대한 연구는 혼합냉매의 조성비에 중점을 둔 경우가 많았다. 그러나 혼합냉매 조성비뿐만 아니라 작동 압력 역시 냉동기의 성능에 큰 영향을 미치는 요인으로 작용한다. 이에 본 연구에서는 실험을 통해 SMR 냉동기의 압축기 토출 압력 변화에 따른 압축기 토출 온도, 소비 동력, 쿨링 타임, 냉동능력을 비교하고 냉동기의 성능 특성을 파악하고자 하였다.

SMR 냉동기는 Fig. 1과 같은 사이클로 구성되며 실험 장치의 개략도는 Fig. 2와 같다. 실험 장치는 크게 압축기, 팽창탱크, 에프터쿨러, 중간열교환기, 팽창밸브. 증발기로 구성된다. 압축기는 3마력 스크롤 압축기를 사용하였고 파워미터와 연결해 소비 동력을 측정하였다. 증발기는 슬라이닥스와 히터를 이용해 부하를 인가하도록 구성하였다. 팽창밸브는 미세한 압력 조절을 위해 니들 밸브를 사용하였다.

Fig. 1 
Schematic diagram of SMR cycle

Fig. 2 
Schematic diagram of experimental apparatus

압축기 흡입 압력은 시스템 불안정 시 발생할 수 있는 수분과 공기의 유입을 방지하기 위해 2.5 bar(A)로 선정하였고 압축기 토출 압력은 토출 압력 변화에 따른 냉동기의 성능 특성을 확인하기 위해 15 bar(A)와 20 bar(A)로 선정하였다. 냉동기 초기 기동 시 저단 스트림의 급격한 온도 강하로 인해 압축기 토출 압력이 급격하게 떨어지게 되는데 이때마다 압축기 흡입부와 연결된 팽창탱크에서 냉매를 흘려주어 작동 압력을 유지하였다.

에프터쿨러 출구 온도는 상온의 공기로 냉각된다는 가정 하에 27℃로 선정했으며, 압축기 흡입 온도는 중간열교환기의 유용도에 따라 실제 실험 시 22℃로 유지되는 모습을 보였다. 압축기 토출 온도는 압축기의 안전장치 가동 조건인 130℃ 이하로 운전을 지속하였다. 증발기 입구 온도는 피냉각물을 -60℃ 이하로 만들기 위해 -70℃로 선정하였다.

냉매는 어는점과 줄-톰슨 팽창계수를 고려해⁹⁾ R134a, R23, R14로 구성된 혼합냉매를 사용하였으며 실험은 모두 동일한 조성비에서 진행되었다.

본 연구에서는 압축기 토출 압력 변화에 따른 압축기 토출 온도, 소비 동력, 쿨링 타임, 냉동능력, COP를 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

1) 압축기 토출 압력이 높을 때 압축기 토출 온도와 소비 동력은 상승하며 에너지 소비 측면에서 불리한 모습을 보인다.

2) 쿨링 타임은 압축기 토출 압력이 높을 때 더 빨라지는 모습을 보인다.

3) 냉동능력은 압축기 토출 압력이 높아지자 큰 폭으로 상승하는 모습을 보였으며 이로 인해 압축기 소비 동력이 늘어남에도 불구하고 더 큰 COP를 얻을 수 있었다.