CO2 히트펌프 열풍 발생 장치, 생산성 향상과 효율 증진을 동시에

CO2 히트펌프 열풍 발생 장치

생산성 향상과 효율 증진을 동시에

히트펌프 기술은 가스나 중유에 의해 연소하지 않고 공기나 물 등의 열에너지를 활용해 발생한 열풍을 가열·건조·용착에 활용하는 기술을 말한다. 이 중 CO2 히트펌프는 고압축의 초임계 상태 기능을 이용한 천임계 사이클 운전을 통해 고온 가열을 실시하고, 이를 통해 발생한 열을 활용해 제조 프로세스의 연소장치를 대체·보완하는 장치다. 본고에서는 마에가와제작소㈜의 산업용 건조 시스템 및 가열 시스템(데시 칸트 공조 기능 등의 재생 열원에도 이용 가능)을 목표로 한 산업용·업무용 CO2 히트펌프 열풍 발생 장치의 개발을 소개한다.

번역·정리 유미희 기자

최근 열풍 발생 장치는 생산 현장의 고효율화 등에 기여해 공업 분야나 생산 분야를 비롯한 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 예를 들어 플라스틱, 고무, 전자 부품, 목재, 의약품, 식품을 비롯해 다양한 분야에서 열풍 발생 장치의 도입을 추진 중이다.

열풍 발생 장치를 활용할 경우 부품의 세정이나 도장, 도금의 작업 공정, 세정이나 도금에서의 탈수, 건조에 걸리는 시간을 절약해 작업성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한 안정된 연속 운전이 가능하면서도 건조 시 열을 정밀하게 조절할 수 있어 생산 공정 효율화를 통한 품질 안정화에도 기여한다.

아울러 전자 부품에서는 접착 후 건조나 경화에, 식품 분야에서는 가열, 살균, 해동 등의 목적으로 사용되며 정밀한 온도, 습도 조절이 요구되는 클린부스 전용에도 폭넓게 사용되는 등 다양한 제조 공정에서 빠뜨릴 수 없는 장치로 여겨지고 있다.

열풍을 이용한 산업용 건조 장치에는 통풍식 상형 건조기, 밴드 통풍 건조기, 유동측 건조 장치, 회전 건조 장치 등 다양한 방식이 있다. 먼저 열풍을 발생하는 열원은 직화 방식, 간접 가열 방식, 증기 보일러 가열 방식, 전기 히터 방식 등이 있지만 전기 히터 방식 이외는 모두 화석연료를 이용한 연료 방식이다. 히트펌프식 산업용 건조 장치도 존재하지만 농수산물, 식품, 목재 등의 70℃ 이하의 비교적 저온 건조용 용도에 한정되어 있으며 작동 매체는 지구온난화 계수가 높은 프레온을 이용한다.

이번에 개발한 산업용 CO2 히트펌프식 열풍 발생 장치는 기존 보일러를 활용해 80~120℃까지 가열·건조 용도로 사용했던 히트펌프 적용 범위의 확대 목적으로 연구했다. 이에 고온 가열 성능이 우수하고 지구온난화 계수가 프레온류에 비해 1/1000이며 2대를 작동 매체로 사용해 최대 120℃까지 열풍을 발생시킬 수 있다. 또한 건조실의 배기 및 공장 내에 존재하는 저온배열을 히트펌프의 증발기의 열원으로 이용해 고효율 열풍을 발생할 수 있으며 건조실에 공급 열풍 온도를 정밀하게 조절할 수 있는 시스템을 목표로 했다.

① 화학공업의 제조 공정

② 정밀기기 클린부스Clean Booth

③ 공업용 소재 가열 공정

④ 도장 건조 공정

⑤ 식품업계의 건조 공정

열풍 발생 장치 개요



<그림 1>은 산업용·업무용 CO2 히트펌프 급탕기(공기열원, 수열원)의 외관이다. 이 제품은 고압대응·고효율 리시프로 압축기에 의해 출탕온도 60℃로 COPh=4.1(50㎐)의 고효율을 달성했으며 최고 90℃까지 출탕이 가능하다. 아울러 산업용·업무용 분야의 요구에 대응하기 위해 수열원 타입을 지난해부터 판매했다. 이는 히트펌프의 가열열원인 공기가 아닌 물로써 해마다 한층 더 안정된 고효율 운전이 가능하다. 열원인 물을 냉각시킨 다음 이를 냉열로 이용해 냉온을 동시 취출하여 운전 시 공장 등 온배수溫排水를 열원으로 하는 경우, 냉각측·가열측을 맞춘 종합 효율은 COPt=8로 산출된다. 또한 냉열측에 영축열永蓄熱을 실시했을 경우 COPt=4.8로 운전이 가능했다. 이에 보일러를 활용한 기존 시스템에 비해 전기 요금을 대폭 절감할 수 있어 다중이용 시설인 병원, 호텔, 복지시설, 스포츠센터, 목욕탕, 급식소, 공장 등에 많은 도입이 이뤄졌다.

<그림2>는 공기열교환기(가열기, 증발기) 일체형의 CO2 히트펌프식 열풍 발생 시제품으로 플로우 개략도와 외관을 나타냈다. 건조 공정 적용은 주로 다양한 조건에서 성능을 검증하기 위한 사양으로 변화하고 있다. 이 시
제품의 길이는 폭 2.2m×깊이 0.9m×높이 2m, 중량은 약 1.5톤이다. 공기열교환기의 기기 성능은 압축기, 열풍을 발생하는 가열용 열교환기에 있어 가열기(가스쿨러), 히트펌프의 열원을 건조실의 배기에서 회수하는 증발기, 팽창 밸브, 히트펌프 사이클에서 효율을 높이기 위해 사용하는 내부 열교환기로 이뤄졌다.

압축기｜<그림 3>, <표 1>에 CO2 압축기의 외관, 사양을 나타냈다. 압축기의 설계 압력은 15MPa의 반 밀폐형 리시프로 2기통 압축기이며 히트펌프의 가열량에 따라 인버터에 의해 회전수를 900~1800으로 회전할 수 있게끔 바꿨다. 모터의 정격 출력은 25㎾이다.

가열기(가스쿨러)｜가열기는 압력기로부터 토출된 고압·고온의 초임계 가스를 공기와 열교환 시킴으로써 고온의 공기를 발생시키는 열교환기이다. 이 열교환기는 큰 온도차로 공기를 가열할 필요가 있기에 설계 압력을 고압 15MPa로 해 새롭게 개발했다. 구리 알루미늄 핀식이며 처리 풍량은 5000㎥/h, 열교환량은 90㎾사양이다.

증발기｜건조실의 배기 및 외기 등의 공기를 열원으로 이용하는 경우는 가열기와 마찬가지로 구리알루미늄 핀식이며, 배수 및 공업용수 등의 물을 열원으로 사용하는 경우는 브레이징(VB)·플레이트식이 있다.

내부열교환기｜내부 열교환기는 가스쿨러 출구의 냉매와 증발기 출구의 냉매를 열교환 시키는 냉매 열교환기가 있다. 이 열교환기에 의해 압축기의 흡입 과열도를 올려 운전할 수 있어 압축비를 낮게 유지하면서 토출 온도를 올리는 고효율 고온 가열 운전 실시가 가능하다. 가정용 히트펌프식 전기 급탕기 ‘에코 큐토’는 관을 병렬로 나란히 늘어놓아 납땜한 열교환기를 채용하지만, 본 히트펌프는 열교환량이 많아 브레이징(VB)·플레이트식 열교환기를 채용했다.

제어방법｜급탕을 목적으로 하는 CO2 히트펌프 급탕기 에코 큐토와 산업용 가열·증발을 목적으로 하는 본 열풍 발생 장치의 큰 차이는 열교환기 외에도 제어 방식에 있다. 에코 큐토는 저탕 탱크를 가지고 주로 심야 전력을 이용해 야간에 물을 가열한다. 또한 히트펌프의 가열 능력 변동에 대해서 출탕온도를 일정 온도로 유지하도록 물 펌프의 유량을 인버터로 제어하는 방식이 많다. 아울러 외기를 열원으로 하는 경우 겨울철에는 해동 운전이 필요하며 해동 운전 시 히트펌프에 의해 가열이 중지된다.

먼저 건조 용도의 본 열풍 발생 장치는 건조실에 일정 풍량과 일정 온도의 열풍을 운속 연결해 공급하는 것이 요구된다. 또한 상형 건조기와 같은 배치Batch식 건조기는 건조 진행에 따른 건조실 내의 열풍 온도 및 습도의 제어가 요구되는 케이스도 있다. 이에 건조실의 열풍 공급 온도 및 건조실 내 온도의 설정치에 따라 인버터를 사용해 광범위한 압축기 회로수 제어를 이용할 필요가 있다.

또한 열풍의 공급 온도를 정밀하게 안정시키기 위해서는 고압 및 저압의 압력 또는 압축기의 흡입 압력을 압축기 회로수 제어에 의해 추종하도록 억제할 필요가 있으며, 다수의 제어가 중복을 일으키지 않도록 시스템에 따라 제어 함수를 관리할 필요가 있다. 아울러 일정한 가열을 실시하는 것이 가능하기에 본 시스템은 디프로스트Defrost를 실시할 필요가 없는 열원을 대상으로 했다.

열풍 발생 장치 성능


정격 출력 25㎾의 압축기 모터를 탑재한 CO2 히트펌프 열풍 발생 장치 1대에 있어 가열기의 공기 온도와 풍량의 관계를 <그림 4>에 나타냈으며 가열 COP(COPh)와의 관계를 <그림 5>에 나타냈다. 또한 증발 온도는 히트펌프의 열원 종류나 시스템의 운전 형태에 의해 다양한 형태로 나타나지만 본 그림에서의 표준 사용에 있어 증발 온도가 20℃로 나타났다. 가열기(가스쿨러)의 공기 출구 온도는 압축기로 인해 토출 온도의 설계 사양은 120℃로 상극했다. 아울러 가열 COP는 에코 큐토의 경우와 같이 가열기의 공기 입구 온도가 높아졌으며 냉매 출구 온도는 상승하여 가열기와의 엔탈피Enthalpy 차이가 작아져 결국 가열이 저하돼 COP는 감소했다. 또한 공기 출구 온도를 높게 설정하면 압축기의 토출 압력을 올릴 필요가 있기에 압력기의 소비전력이 증가해 COP는 저하된다. 또한 증발 온도가 20℃에서 0℃가 되면 COP는 약 1.0 저하한다. 이에 히트펌프의 열원으로서 건조실 및 공장 내 배열을 이용하는 시스템 및 외기 도입량이 비교적 많을 경우, 가열·건조 공정에 본 시스템이 적합하다.

CO2 배출량과경제성시산

CO2 히트펌프를 열원으로 하는 가열·건조 시스템과 가스 직화 보일러를 열원으로 하는 가열·건조 시스템에 CO2 배출량의 절감 효과 및 경제성에 대해 비교했다. 또한 외기 조건은 공기 조화·위생 공학 학회의 편람 자료를 이용해 CO2 배출량 원단위 중 전기가 0.366㎏-CO2/㎾h, 가스가 2.29㎏-CO2/N㎥인 것을 참조했다.




러닝 코스트의 산출에 있어서 전기 요금은 간사이 전력의 고압 500㎾미만의 계약 값을, 가스 요금은 오사카 가스의 대량 공급 평적단가를, 보일러의 상하수도 요금은 간사이市의 값을 이용했으며 보일러 효율은 90%로 시산을 실시했다. 또한 연간 장치의 가동 시간은 6000시간으로 했다. 이에 대한 대표예를 <그림 6>에 나타냈으며 외기를 60~120℃ 설정 온도로 가열해 건조기에 공급 시 건조실의 배기를 모두 외기로 방출하는 건조 시스템식 가스 직화 보일러와 CO2 히트펌프 열풍 발생 장치를 비교했다.

또한 CO2 히트펌프 열풍 발생 장치의 성능은 <표 2>에, 연간 CO2 배출량의 비교 결과를 <그림 7>, 연간 러닝 코스트의 비교 결과를 <그림 8>에 나타냈다. 아울러 이 계산은 CO2 히트펌프의 증발기 열원을 배수 등으로부터 채열했으며 냉매의 증발 온도는 20℃로 설정했다.









시산 계산을 통해 비교해 본 결과CO2 배출량을 가스 직화 보일러와 비교했을 시 59~80%로 대폭 절감했으며, 러닝 코스트는 가스 직화 보일러 보다 연간 224~444만 엔 정도 절감이 가능한 것으로 추산됐다.

① 가스 직화 보일러 시스템

② CO2 히트펌프 시스템

③ CO2 배출량[ton-CO2/년]

④ 열풍 공급 온도[℃]

양산 제품 개발

시제품의 시험 결과를 통해 시장 도입을 위한 양산 제품을 개발해 이를 <그림 9>에 플로Flow와 외관을, <표 3>에는 사양을 나타냈다. 시제품과의 큰 차이점은 공장의 설치 장소와 덕트의 처리 및 열원 안정 등을 고려해 수열원 타입 유형으로 제작했다.

또한 건조 공정에서 배기 순환을 하지 않고 외부 공기를 흡입해 원스 스루Once Through로 가열하는 방식을 채택했다.

최근 온난화 대책으로CO2 배출량 절감이나 에너지 절약화의 촉진으로 온도 조절이 쉬운 전기식 히트펌프 장치가 증가하고 있다. 이에 이번 개발한 CO2 히트펌프 열풍 발생 장치는 보일러를 열원으로 활용하는 기존 시스템에 비해 CO2 배출량을 50~80%로 대폭 절감이 가능했으며 경제적으로도 유리한 시스템으로 연소식 가열기를 대신해 온실효과 가스의 배출량 절감에도 공헌하는 획기적 시스템이다.


최대 가열 온도는 120℃이지만 기존 보일러와 조합 시 더 높은 온도까지 대응도 가능해 적용 범위가 넓어져 다양한 산업 응용 분야에서의 사용도 예상한다. 본 개발의 일부는 관서전력㈜과 공동 연구를 통해 실시했다. 한편, 농림 수산성의 프로젝트에 있어 삼림종합연구소, 동경대학, 동경공업대학과 공동으로 본 열풍 발생 장치를 베이스로 해 목재 건조 장치의 개발도 진행 중이다.