R404A의 문제점 및 대응책
가) 중형냉동냉장유닛
(1) 토출가스온도
저온용 압축기의 특징은 저장품의 온도대가 낮으므로 공조용에 비해 저압압력(증발압력)이 매우 낮게 되고 그 결과 운전 압력비가 높게되는 것이다. 이 같은 운전 압력비의 증대는 토출가스온도의 상승을 초래하여 압축기 습동부의 윤활 불량, 냉동기유의 열화 등을 야기시키며 그 결과 압축기의 신뢰성을 해치게 된다. 그러므로 특정 프레온 규제에 대응하여 R502를 R22로 전환할 때에 반밀폐형 압축기 탑재 유닛은 응축기에서 액화한 냉매 액의 일부를 압축기의 흡입측에 주입하는 액바이패스 방식을 채용했다. 이 경우 냉동능력, 성능 계수 등은 액바이패스 양이 증가함에 따라 감소한다. 또한 동일한 바이패스 양에서는 저압 압력(증발압력)이 낮게 될수록 그 경향은 현저하게 나타난다. 이와 같은 냉동 능력의 저하를 막으면서 동시에 토출가스온도의 상승을 초래하지 않도록 R22를 사용하는 스크롤 압축기 탑재유닛에서는 응축기에서 액화한 냉매 액의 일부를 압축실에 직접 주입하는 액인젝션 방식을 채용하고 있다. R22용으로 선정한 인젝션 캐필러리를 사용해서 테스트를 한 결과 토출가스온도는 R404A에 있어서도 액인젝션이 없는 때에는 증발온도가 저하함에 따라 급격하게 상승하고 따라서 R22와 같이 압축기를 보호하기 위해 액인젝션이 필요함을 알 수 있다. 액인젝션이 있는 경우의 토출가스온도는 증발온도가 떨어져도 거의 일정하게 된다. 한편 액인젝션 방식의 경우는 냉동능력저하 및 토출가스온도 상승을 방지할 수 있는 장점이 있으나 액인젝션양의 증가에 따라 압축기 압력이 증가한다는 단점이 있다. 압력 증가를 억제하기 위해 스크롤 압축기 탑재유닛에서는 토출가스온도와 토출압력에 상응하는 포화온도와의 가열도에 의해 액인젝션 유량을 자동적으로 제어하는 기능을 가진 액인젝션 밸브를 채용하고 있다.
(2) 냉동능력
R-404A를 사용하는 냉동냉장유닛의 냉동 능력은 R-22에 비하여 95∼98% 수준이며 소비전력은 7∼9% 증가한다. 그 결과 성능계수는 R-22에 대하여 약 10% 저하한다. 콘덴싱 유닛 조건의 경우 R404A의 냉동능력은 R-22 대비 105∼115%가 된다. 또한 R-404A와 R-22의 콘덴싱 유닛 조건을 기준으로 한 경우의 냉동냉장유닛조건의 과열도 차이에 의한 냉매순환량의 변화의 비율을 비교하면 R-22가 117%인데 대해 R-404A는 118%가 되어 거의 같다. 그러므로 냉동능력은 엔탈피차에 의해 지배를 받는 것으로 나타나 R-22 대비 R-404A의 냉동 능력은 엔탈피차가 적은 만큼 저하하게 된다. 따라서 R-404A의 냉동 능력을 현재의 R-22 수준으로 만들기 위해서는 압축기 압축량을 늘리고 응축기와 증발기 성능을 향상시켜야 한다.
나) 소형분리형 냉동냉장유닛
(1) 냉동능력
R-22를 이용한 경우와 비교할 때 냉매의 열물성치 차이에 의한 냉동능력 차이가 발생하므로 압축기의 압축량을 크게 해서 대응하고 있다.
(2) 냉매봉입량
종래의 로터리 압축기를 탑재한 냉동냉장유닛의 봉입량은 접속배관길이에 따라 현지에서 추가로 봉입을 해야 했으나 HFC 냉매로 전환할 때에는 냉매의 충전 방법이나 입수성 등을 고려할 필요가 있다.
(3) 캐필러리(모세관) 막힘
R-22를 사용할 때 냉장용 오프사이클방식의 경우 냉매의 팽창 부분은 캐필러리 튜브를 사용하였다. 그러나 R-404A를 사용할 때는 냉동기유로 에스테르유를 사용하므로 토출가스온도, 냉매회로 중의 수분량, 이물질 등에 의한 슬러지(냉매와 기름 안에 부상하는 고체이물질)가 생성되고 캐필러리 튜브 내에 스케일(슬러지가 부착되어 퇴적된 것)이 생성되기 쉬우므로 온도식 자동팽창밸브로 변경하는 것이 좋다. 드라이어도 R-22와 같이 표준을 전해 쓴다. 액인젝션 캐필러리에 대해서는 압축기 사용 제한 범위를 넘지 않는 한도에서 캐필러리 막힘에 대응한다.
(4) 시동성
고외기 온도, 저고내 온도 조건 하에서 구동할 때에는 R-22와 달리 차압이 커서 압축기 구동이 불가능하므로 응축기와 인젝션 캐필러리 입구(인젝션 전자변 출구)사이를 바이패스 시키는 균압 캐필러리를 설치해서 구동 직전의 차압을 떨어뜨려 시동성 개선을 도모한다.
다. 대형 냉장창고용 냉동유닛
1) R404A 시리즈의 개요
R-404A 사용 시스템은 COP를 개선할 필요가 있다. 또한 온난화 관점에서 가능한 한 소비에너지를 저하시킬 필요성이 있으므로 R-404A 시리즈는 다음의 구성요소를 필요로 한다.
가) 수냉응축시스템
응축기는 수냉식을 채용한다. 수냉 시스템에서는 공냉 시스템에 비해 응축압력이 낮아도 되므로 응축 온도를 5-15℃ 낮게 만들 수 있다. 이런 장법으로 인해 냉각탑의 팬 및 펌프 동력과 공냉식의 팬 동력을 다 더해서 비교하면 수냉식의 COP는 약 10∼35% 좋게 된다. 따라서 수냉식 응축 시스템을 사용하는 것은 매우 중요하다.
나) 2단 압축 냉동기 사용
냉장실 온도가 -20℃ 이하의 저온냉장고용 시스템에서는 냉매의 증발온도가 저하하여 압축기의 흡입 압력이 낮게 되므로 체적효율이나 압축효율이 저하하며 또한 냉매의 토출 가스 온도가 높게된다. 그러므로 소비전력의 상승이나 윤활유의 열화 등의 문제가 생길 수 있다. 따라서 저온 냉장고 시스템에서는 2단 압축방식을 채용하여 윤활유의 열화방지나 냉동기의 COP의 개선을 도모할 필요가 있다. R-404A는 과냉각에 의한 냉동효과가 R-22에 비해 15%정도 증가하는 특징이 있다.
다) 열교환기의 고효율화
응축기에는 고성능 플레이트 열교환기를 채용한다. 효율의 관점에서는 냉매와 냉각수와의 온도차를 작게 하는 것이 중요하다. 냉매의 소량화를 도모하여 시스템의 스페이스를 적게 하는 것에 의해 냉매누설시의 안전성, 신뢰성도 높일 수 있다.
라) 분산시스템화 대응의 냉동유닛
냉장 창고에서 냉동시스템은 센트럴 방식에서 개별 분산식으로 만들 필요가 있다.
마) 냉동기유의 선택
기존에 사용하던 알킬벤젠계유는 R-404A와 상용성이 없으며 R-404A는 염소를 포함하고 있지 않으므로 윤활성도 떨어진다. 그러므로 상용성, 윤활성이나 절연특성, 재료적합성, 내구성 등을 과제로 새롭게 냉동기유를 개발해야한다. 새로운 냉동기유는 에스테르계유를 선택해야 한다. 에스테르계의 냉동기유는 일반적으로 흡습성이 풍부해 가수분해의 가능성이 있으나 슬러지의 발생이 없다.
2) R404A시리즈의 사양과 특징
종래의 R404A의 특징을 유지한 대체프레온냉매 대응 R404A 시리즈는 3기종을 시리즈화 했다.
가) 적용냉매
ODP가 0이고 GWP가 작은 R-404A냉매를 사용했다. 또한 지구온난화를 방지하기 위해서는 TEWI의 관점에서 간접 온난화 영향을 중시해서 기존의 R-22보다는 에너지효율을 좋게 했다. 또한 직접적인 영향에 대해서는 냉매의 누출을 최대한 줄인 시스템을 구축했다.
나) 에너지 소비를 억제한 시스템
R-404A는 R-22와 비교해서 냉매 자체의 COP가 나쁘지만 R-404A 시리즈에서는 각종 기기의 에너지 소비를 최대한 줄여 R-22 사용 기기가 내는 것 이상의 에너지 효율을 달성했다.
다) 핫가스 디프로스트 시스템
핫가스 디프로스트 시스템은 일반적으로 전기 히터 방식에 비해 에너지 소비량을 약1/3로 억제한 최선의 방법이다. 한편 핫가스 디프로스트는 디프로스트시만 고압제어를 해서 에너지소비에 문제가 없도록 하고 있다.
라. 터보냉동기
터보냉동기는 예전부터 빌딩의 냉방설비용으로 사용되기 시작하여 최근에는 지역냉방플랜트나 공업용 열원기기로서 냉수냉온의 제조에 널리 사용되고 있다. 터보 냉동시 1대당 냉동 능력은 100톤 전후에서 10,000톤 전후로 범위가 매우 넓다. 그러므로 터보냉동기용 냉매는 냉동용량에 맞추어 적당한 것을 선택해 왔다. 즉 1대당 압축기에서 1500톤 전후를 내는 경우는 저압냉매로서 냉동사이클 효율이 가장 높은 CFC-11이 많이 쓰여 왔다. 700톤 전후의 일부 설비에는 CFC-12 등의 고압냉매도 사용되어 왔으며 수 천톤 이상의 대형냉동기에는 기계의 소형화 등의 이유 때문에 고압의 HCFC-22가 사용되어 왔다. 그러나 오존층파괴 등 환경문제로 인하여 CFC-11와 12는 규제 대상이 되어 선진국의 경우에는 1995년 말에 공식적으로 전면폐기 되었다. 그 결과 이들을 대체할 대체냉매로서는 저압냉매의 경우 HCFC-123이 고압냉매의 경우 HFC-134a 및 기존의 HCFC-22가 제공되고 있다. 현재는 여러 터보냉동기 제조 회사가 HFC-134a를 이용한 터보냉동기를 개발하고 있다.
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