중저온 배가스 에너지회수를 위한 열펌프 시스템의 성능 특성

Abstract

본 논문에서는 배가스 응축열회수 기술과 열펌프 기술을 조합한 시스템을 현장에 설치하여 시스템의 성능을 분석하고 그 적용사례를 제시하였다. 현장에 설치된 응축열회수를 위한 열교환기는 스테인리스 재질의 핀튜브 열교환기를 사용하였다. LNG를 연료로 사용하는 경우 배가스에 포함된 염소가스 등이 열교환기 부식의 주요 원인이 되지만 스테인리스강을 사용하면 이 문제를 해결할 수 있다. 열펌프 제작을 위해 설계 응축온도 및 증발온도를 각각 75℃, 25℃로 설정하고 물성치 계산을 통해 냉매를 R-134a로 선정하였다. 열펌프의 주요 구성품인 압축기의 경우 제조사간 제품 성능을 비교하여 Bitzer사의 개방형 왕복동 압축기를 선정하였다. 이와 같이 응축기, 증발기 및 팽창밸브를 선정하여 열펌프를 제작하였다. 또한 Bitzer사에서 제공하는 압축기 맵 데이터를 이용하여 열펌프 시스템의 성능을 예측하였다. 이를 통해 열원수 온도와 온수 생산온도에 따른 성능변화를 예측하였다. 이와 같이 제작한 응축열회수 열교환기 및 열펌프를 한국에너지기술연구원 기계동 현장에 설치하였다. 현장설치 후 안전을 확보하기 위해 다수의 인터록으로 열펌프를 제어하였다. 난방기간의 운전 특성을 파악하고 데이터를 수집해 이를 분석하였다. 송풍기의 회전수를 증가시켜 열원수의 온도가 상승하면 난방열량이 증가하였다. 송풍기의 회전수가 증가하면서 소비전력이 증가하지만 난방열량의 증가폭이 크므로 COPH도 상승했다. 환수유량을 증가시키는 경우 유량이 증가할수록 응축온도가 감소하여 난방열량이 증가하고 소비전력이 감소하였다. 이로 인해 COPH는 상승하였다. 수집한 데이터를 이용해 열회수 열펌프의 최적운전 맵을 작성하였으며 이를 통해 열펌프의 최적운전점을 제시하였고, 난방기간 중 약 48%의 비용 절감 효과가 예상되었다.