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친환경 에너지 적용 대용량 고양정 칠러의
새 기준을 세우다
건식 응축기를 사용하는
대용량 R134a 원심식 칠러 개발
건식 응축기를 사용하는
대용량 R134a 원심식 칠러 개발
올해의 산업혁신기술상 청정에너지기술 부문 LG전자(주) 이남수 책임연구원
사계절 날씨가 더운 중동 지역에서는 지역 냉방이 매우 중요하다.
이들 중동 지역 국가는 물이 부족해 기존 수랭식이 아닌 공랭식 냉동기를 선호하며,
전 지구적으로 이산화탄소를 줄이고 에너지 사용 효율을 증대하는 기술 및 제품의 선호도가 높아지고 있다.
이런 가운데 LG전자가 단일 압축기 기준 세계 최대 무급유 원심식 압축기를 사용한
고양정 공랭식 터보 냉동기 개발에 성공해 주목받고 있다.
word 조범진 photo 김기남
사계절 날씨가 더운 중동 지역에서는 지역 냉방이 매우 중요하다.
이들 중동 지역 국가는 물이 부족해 기존 수랭식이 아닌 공랭식 냉동기를 선호하며,
전 지구적으로 이산화탄소를 줄이고 에너지 사용 효율을 증대하는 기술 및 제품의 선호도가 높아지고 있다.
이런 가운데 LG전자가 단일 압축기 기준 세계 최대 무급유 원심식 압축기를 사용한
고양정 공랭식 터보 냉동기 개발에 성공해 주목받고 있다.
word 조범진 photo 김기남
HOW TO ▶
국제공동기술개발사업 특성상 사내 시운전을 마치고 연구원과 함께 장비를 현장으로 보낸 뒤 제품 설치부터 운전 제어 로직 최적화 및 문제해결 등 많은 일을 현장에서 진행해야 했다. 현장에서 발생한 예측하지 못했던 일들로 많은 어려움이 있었고 변수의 발생 가능성에 큰 부담감을 느꼈다. 하지만 35만 회의 기동정지 시험과 남들이 다 하지 않는 새로운 기술이기에 스스로 해결 방법을 찾아가며 쌓은 노하우와 기술력으로 성공적인 과제 완수 및 상용화에 성공할 수 있었다.
국제공동기술개발사업 특성상 사내 시운전을 마치고 연구원과 함께 장비를 현장으로 보낸 뒤 제품 설치부터 운전 제어 로직 최적화 및 문제해결 등 많은 일을 현장에서 진행해야 했다. 현장에서 발생한 예측하지 못했던 일들로 많은 어려움이 있었고 변수의 발생 가능성에 큰 부담감을 느꼈다. 하지만 35만 회의 기동정지 시험과 남들이 다 하지 않는 새로운 기술이기에 스스로 해결 방법을 찾아가며 쌓은 노하우와 기술력으로 성공적인 과제 완수 및 상용화에 성공할 수 있었다.
핵심 원천기술 100% 국산화, 국내 중소기업 발전 기여
전 세계 이산화탄소 배출량은 2021년 최대치를 보이고 있으며, 전기 및 열 생산 분야가 이산화탄소 배출량의 46%를 차지하고 있어 효율적인 열에너지 생산 방법으로 히트펌프에 대한 시장의 요구가 증가했다. 이에 히트펌프에 대응할 수 있는 고양정 압축기 개발의 필요성 또한 높아지고 있다.
연평균 30~40도에 육박하는 중동 지역은 지역 냉방을 위한 냉방기 즉, 냉동기(칠러Chiller)를 필요로 한다. 이들 지역은 사막 지역이라는 특성 때문에 물이 부족한 관계로 물 대신 공기를 이용한 공랭식 냉방 시스템 적용 시장이 연평균 4% 이상 성장 중이다. 이에 더해 가스터빈 발전 플랜트의 효율과 성능 증대 방안으로 가스터빈의 흡입 공기를 냉각하는 기술이 요구되면서 고양정 공랭식 터보 냉동기①의 수요가 계속 증가하고 있다.
이런 가운데 LG전자가 우수한 전기·전자 기술을 바탕으로 고양정 대용량 무급유 터보 핵심 원천기술을 100% 국산화함과 동시에 건식 응축기를 사용하는 대용량 R134a 원심식 칠러의 개발 및 사업화에 성공한 것은 시사하는 바가 매우 크다.
이에 대해 기술개발을 주도한 LG전자 에어솔루션연구소 이남수 책임연구원은 “고양정 대용량 무급유 터보 기술을 통해 대형 스크루 시장 대체 및 신규 시장에 진입해 연평균 성장률 56%의 매출 확대를 기대하고 있으며, 수입 기술 대체에 따른 무역수지 개선 및 95% 이상 국내 중소기업 생산을 통한 신규 일자리창출과 국내 관련 산업 분야 중소기업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연평균 30~40도에 육박하는 중동 지역은 지역 냉방을 위한 냉방기 즉, 냉동기(칠러Chiller)를 필요로 한다. 이들 지역은 사막 지역이라는 특성 때문에 물이 부족한 관계로 물 대신 공기를 이용한 공랭식 냉방 시스템 적용 시장이 연평균 4% 이상 성장 중이다. 이에 더해 가스터빈 발전 플랜트의 효율과 성능 증대 방안으로 가스터빈의 흡입 공기를 냉각하는 기술이 요구되면서 고양정 공랭식 터보 냉동기①의 수요가 계속 증가하고 있다.
이런 가운데 LG전자가 우수한 전기·전자 기술을 바탕으로 고양정 대용량 무급유 터보 핵심 원천기술을 100% 국산화함과 동시에 건식 응축기를 사용하는 대용량 R134a 원심식 칠러의 개발 및 사업화에 성공한 것은 시사하는 바가 매우 크다.
이에 대해 기술개발을 주도한 LG전자 에어솔루션연구소 이남수 책임연구원은 “고양정 대용량 무급유 터보 기술을 통해 대형 스크루 시장 대체 및 신규 시장에 진입해 연평균 성장률 56%의 매출 확대를 기대하고 있으며, 수입 기술 대체에 따른 무역수지 개선 및 95% 이상 국내 중소기업 생산을 통한 신규 일자리창출과 국내 관련 산업 분야 중소기업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
세계 최초·최고의 기술력, 두 가지로 입증하다
R134a
테트라플루오로에탄Tetrafluoroethane. 주로 가정용 냉동기 및 자동차 에어컨의 고온 냉매로 사용되는 불연성 가스로, R012(디클로로디플루오로메탄)와 유사한 열역학적 특성을 갖지만 미미한 오존층 파괴 잠재력ODP과 더 낮은 지구온난화 지수GWP를 갖는 냉매이다.
LG전자가 개발 및 상용화에 성공한 ‘건식 응축기를 사용하는 대용량 R134a 원심식 칠러’의 핵심 기술은 크게 두 가지다.
우선, ‘고효율 다단 냉매 압축 기술’이다. 이 기술은 원심식 압축기를 직렬로 연결해 양정을 올리는 기술로, 각 단에 적용된 압축기들이 설계점에서 최적의 효율 및 성능을 낼 수 있도록 각 압축기의 운전점을 매칭하는 기술과 다단 압축기에 대한 정확한 성능 예측 기술이 필요하다. 또한 다단으로 구성하면서도 크기를 최소화하기 위해 하나의 압축기에 여러 장의 임펠러를 적용하는 유로 설계 기술로 구성되어 있다.
이남수 책임연구원은 “고효율 다단 냉매 압축 기술은 기존 수랭식 양정 2,500m 대비 3,500m 고양정을 구현했으며, 높은 압축 양정을 필요로 하는 공랭식 칠러 및 히트펌프에 적용했다”고 설명했다. 그리고 “모터 직결 5단 다단 압축을 통해 기어리스gearless를 구현했으며, 고효율 5단 압축 사이클과 기어 손실 감소로 기존 기어 증속 2단 대비 10% 이상의 효율을 개선했다”면서 “고효율 고양정 압축 기술을 적용한 공랭식 칠러를 통해 수랭식 칠러 대비 73만3,000톤의 물 및 이산화탄소를 34% 절감할 수 있으며, 보일러 대비 고효율(난방 성능계수 4.8) 열 생산을 통해 이산화탄소를 53.8% 저감할 수 있다”고 덧붙였다.
다음으로, ‘대용량 무급유 자기 베어링 기술’은 전자석의 원리를 이용해 회전축을 공중에 띄우는 기술로 1초에 7,000번 이상 회전축의 위치를 감지하고, 전자석의 힘의 세기를 제어하는 기술로 구성되어 있다.
이에 대해 이 책임연구원은 “이 기술은 회전축 지지 하중 1,600kg을 확보해 자사의 기존 모델 대비 7.6배의 지지력을 확보했으며, 기존에는 급유 베어링 제품만 있었던 냉방 능력 1,300RT 냉동톤Refrigeration Ton 이상의 대용량 영역에 처음으로 무급유 칠러를 선보일 수 있었고 무급유 베어링 적용 칠러로는 세계 최대 냉동 용량을 확보했다”고 밝혔다.
더불어 이번 프로젝트를 통해 무급유 베어링을 적용해 급유 타입에서 발생하는 마찰 손실을 제거해 압축 효율을 3% 개선했으며, 35만 회의 기동정지 시험으로 고신뢰성 자기 베어링 기술을 개발했다. 자기 부상을 위하여 사용하는 회전체 센싱 기술을 발전시켜 회전체 모니터링을 통한 이상 예측 및 판단을 통해 신뢰성을 확보했으며, 세계 최초 고전압(11,000V) 모터에 무급유 기술을 적용함으로써 대용량 압축 시 필요한 파워를 공급해 대용량 압축 시스템을 가능하게 했다 .
우선, ‘고효율 다단 냉매 압축 기술’이다. 이 기술은 원심식 압축기를 직렬로 연결해 양정을 올리는 기술로, 각 단에 적용된 압축기들이 설계점에서 최적의 효율 및 성능을 낼 수 있도록 각 압축기의 운전점을 매칭하는 기술과 다단 압축기에 대한 정확한 성능 예측 기술이 필요하다. 또한 다단으로 구성하면서도 크기를 최소화하기 위해 하나의 압축기에 여러 장의 임펠러를 적용하는 유로 설계 기술로 구성되어 있다.
이남수 책임연구원은 “고효율 다단 냉매 압축 기술은 기존 수랭식 양정 2,500m 대비 3,500m 고양정을 구현했으며, 높은 압축 양정을 필요로 하는 공랭식 칠러 및 히트펌프에 적용했다”고 설명했다. 그리고 “모터 직결 5단 다단 압축을 통해 기어리스gearless를 구현했으며, 고효율 5단 압축 사이클과 기어 손실 감소로 기존 기어 증속 2단 대비 10% 이상의 효율을 개선했다”면서 “고효율 고양정 압축 기술을 적용한 공랭식 칠러를 통해 수랭식 칠러 대비 73만3,000톤의 물 및 이산화탄소를 34% 절감할 수 있으며, 보일러 대비 고효율(난방 성능계수 4.8) 열 생산을 통해 이산화탄소를 53.8% 저감할 수 있다”고 덧붙였다.
다음으로, ‘대용량 무급유 자기 베어링 기술’은 전자석의 원리를 이용해 회전축을 공중에 띄우는 기술로 1초에 7,000번 이상 회전축의 위치를 감지하고, 전자석의 힘의 세기를 제어하는 기술로 구성되어 있다.
이에 대해 이 책임연구원은 “이 기술은 회전축 지지 하중 1,600kg을 확보해 자사의 기존 모델 대비 7.6배의 지지력을 확보했으며, 기존에는 급유 베어링 제품만 있었던 냉방 능력 1,300RT 냉동톤Refrigeration Ton 이상의 대용량 영역에 처음으로 무급유 칠러를 선보일 수 있었고 무급유 베어링 적용 칠러로는 세계 최대 냉동 용량을 확보했다”고 밝혔다.
더불어 이번 프로젝트를 통해 무급유 베어링을 적용해 급유 타입에서 발생하는 마찰 손실을 제거해 압축 효율을 3% 개선했으며, 35만 회의 기동정지 시험으로 고신뢰성 자기 베어링 기술을 개발했다. 자기 부상을 위하여 사용하는 회전체 센싱 기술을 발전시켜 회전체 모니터링을 통한 이상 예측 및 판단을 통해 신뢰성을 확보했으며, 세계 최초 고전압(11,000V) 모터에 무급유 기술을 적용함으로써 대용량 압축 시 필요한 파워를 공급해 대용량 압축 시스템을 가능하게 했다 .
세계 최초·최고의 기술력 두 가지
1.고효율 다단 냉매 압축 기술
기존에는 냉매를 압축하기 위해 2개의 임펠러(일종의 팬)을 사용했는데 고양정 환경에서는 더 많은 임펠러를 필요로 하기 때문에 5개의 임펠러(다단)를 붙여서 돌렸다. 이는 각 압축기의 운전점을 매칭하는 기술과 다단 압축기에 대한 정확한 성능 예측 기술을 필요로 한다.
기존에는 냉매를 압축하기 위해 2개의 임펠러(일종의 팬)을 사용했는데 고양정 환경에서는 더 많은 임펠러를 필요로 하기 때문에 5개의 임펠러(다단)를 붙여서 돌렸다. 이는 각 압축기의 운전점을 매칭하는 기술과 다단 압축기에 대한 정확한 성능 예측 기술을 필요로 한다.
2.대용량 무급유 자기 베어링 기술
자동차의 엔진오일처럼 냉방기 역시 원활한 가동을 위해서는 지속적인 오일 급유와 필터나 소모품 교체 등의 과정이 필요하다. 이에 급유가 필요 없는 무급유 베어링 기술을 적용해 압축 효율을 개선했으며 무급유 베어링 칠러로는 세계 최대 냉동 용량을 확보했다.
자동차의 엔진오일처럼 냉방기 역시 원활한 가동을 위해서는 지속적인 오일 급유와 필터나 소모품 교체 등의 과정이 필요하다. 이에 급유가 필요 없는 무급유 베어링 기술을 적용해 압축 효율을 개선했으며 무급유 베어링 칠러로는 세계 최대 냉동 용량을 확보했다.
중동 시장 진출 가속화, 시장 경쟁 우위 확보 예상
한편, 사업화와 관련해 LG전자는 무급유 다단 압축 기술을 활용해 수랭식 칠러를 출시했으며, 2021년부터는 대용량 공랭식 칠러의 양산을 시작했다. 이에 따라 2021년 12월부터 2022년 4월까지 중동 바레인 마라시Marassi 지역의 쇼핑몰과 아파트 등의 냉방을 위해 10,000RT 규모의 공랭식 칠러 4대가 지역 냉방 플랜트에 설치되어 시운전을 완료했으며, 현재 정상적으로 운영하고 있다.
또한 사우디아라비아 홍해 지역에 33,000RT 규모의 공랭식 칠러를 지난 2021년에 수주해 현장 설치 중이며, 그 외 다수의 히트펌프 현장에 대한 수주 작업이 진행 중인 것으로 파악되었다.
특히, 이번 개발로 LG전자는 기존의 급유 타입 베어링 대비 대용량의 열교환기를 오일 회수의 문제없이 적용 가능하기 때문에 공랭식 칠러로 확대 시 용량 확대와 소음 및 진동에 유리해 대용량 공랭식 칠러 시장에서 경쟁 우위를 확보할 것으로 예상된다. 이러한 장점을 통해 단기간에 시장점유율을 끌어 올릴 수 있을 것으로 전망하고 있다.
끝으로 향후 개발 계획 및 목표에 대해 이남수 책임연구원은 “LG전자는 무급유 압축기의 압축비 확대 및 고온 환경에서 안정적 운전을 할 수 있는 신뢰성 확보에 대한 연구를 통해 현재 60℃ 수준의 응축기 출수 온도를 100℃ 이상 낼 수 있는 제품을 준비 중에 있다”며, “100℃ 이상의 온도를 출수할 수 있는 압축 기술을 통해 최근 빠르게 확산되고 있는 고온 산업용 폐열 회수 시스템 시장 진입을 준비 중이다”라고 밝혔다.
또한 LG전자는 2016년 키갈리 개정의정서Kigali Amendment 채택으로 수소불화탄소HFC에 대한 직접적 규제가 확정되어 선진국을 중심으로 Low GWP(지구온난화 잠재력Global Warming Potential) 냉매로 전환됨에 따라 이번 기술개발을 통해 확보된 고전압 무급유 대용량 압축 기술을 확대 전개해 대용량 칠러에 Low GWP 냉매를 적용하고 있다. 이를 통해 지구온난화 억제를 위한 국제적인 노력에 기여하는 한편, 탄소중립 사회로의 전환을 가속하기 위한 촉매 역할에 최선을 다할 것으로 알려졌다.
또한 사우디아라비아 홍해 지역에 33,000RT 규모의 공랭식 칠러를 지난 2021년에 수주해 현장 설치 중이며, 그 외 다수의 히트펌프 현장에 대한 수주 작업이 진행 중인 것으로 파악되었다.
특히, 이번 개발로 LG전자는 기존의 급유 타입 베어링 대비 대용량의 열교환기를 오일 회수의 문제없이 적용 가능하기 때문에 공랭식 칠러로 확대 시 용량 확대와 소음 및 진동에 유리해 대용량 공랭식 칠러 시장에서 경쟁 우위를 확보할 것으로 예상된다. 이러한 장점을 통해 단기간에 시장점유율을 끌어 올릴 수 있을 것으로 전망하고 있다.
끝으로 향후 개발 계획 및 목표에 대해 이남수 책임연구원은 “LG전자는 무급유 압축기의 압축비 확대 및 고온 환경에서 안정적 운전을 할 수 있는 신뢰성 확보에 대한 연구를 통해 현재 60℃ 수준의 응축기 출수 온도를 100℃ 이상 낼 수 있는 제품을 준비 중에 있다”며, “100℃ 이상의 온도를 출수할 수 있는 압축 기술을 통해 최근 빠르게 확산되고 있는 고온 산업용 폐열 회수 시스템 시장 진입을 준비 중이다”라고 밝혔다.
또한 LG전자는 2016년 키갈리 개정의정서Kigali Amendment 채택으로 수소불화탄소HFC에 대한 직접적 규제가 확정되어 선진국을 중심으로 Low GWP(지구온난화 잠재력Global Warming Potential) 냉매로 전환됨에 따라 이번 기술개발을 통해 확보된 고전압 무급유 대용량 압축 기술을 확대 전개해 대용량 칠러에 Low GWP 냉매를 적용하고 있다. 이를 통해 지구온난화 억제를 위한 국제적인 노력에 기여하는 한편, 탄소중립 사회로의 전환을 가속하기 위한 촉매 역할에 최선을 다할 것으로 알려졌다.
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