120℃ 고온 히트펌프용 자기 베어링 내장 무급유 원심 압축기 운전성능 평가

• Published in: 설비공학 논문집, 31(2) Vol. 31; no. 2; pp. 72 - 80
• Main Authors: 고희환(Heehwan Ko), 정동진(Dongjin Jeong), 임세명(Semyeong Lim), 김경엽(Kyungyup Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.02.2019
• Subjects: 기계공학; Vapor injection(증기분사); Oil-free centrifugal compressor(무급유 원심 압축기); Magnetic bearing(자기 베어링); High temperature heat pump(고온 히트펌프); Vane diffuser(베인 디퓨저)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2019.31.2.072

자기 베어링을 내장한 무급유 원심 냉매 압축기는 Table 1의 정격 열성능과 에너지 효율 목표를 달성하였으며, 산업용으로 사용하기 위한 신뢰성과 내구성 확인 성능시험을 수행하며 고온에 적합한 압축기 특성을 고찰하였고다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 가스포일 베어링 내장 압축기의 장시간 운전성능 그래프는 Fig. 6(a)와 거의 같다. 그러나 운전 중 갑자기서징이나 스톨이 발생하였을 때 가스포일 베어링 압축기는 대처할 틈도 없이 베어링에 내구성 문제가발생하여 산업용으로 적용은 어렵다고 판단하였다. (2) 고온 고압 고속(130℃, 23 bar, 38,000 rpm)에서 R-245fa 냉매를 사용하는 자기 베어링 탑재 무급유 압축기단독 공력성능(aerodynamic performance) 및 내구성능에 이상 없음을 확인하였으며 400시간 이상의 운전 기록을유지하고 있다. 지금도 신뢰성 확보를 위해서 기준에 의한 연속운전을 계속하고 있는 중이다. (3) R-245fa 냉매를 사용하는 300 kWth 급 증기발생(steam supply) 히트펌프 시스템에서 138℃, 38,000 rpm으로운전하여도 자기 베어링 탑재 고속 영구자석 동기전동기의 성능에 이상 없음을 확인하였다. (4) 완제품에 탑재한 압축기를 기준으로 AHRI 시험표준에 의해 증발기, 응축기, 압축기의 능력을 각각 측정한 후측정 불확도와 열평형을 계산하여 그 결과를 비교하며 히트펌프를 운전하였다. 열평형 상태가 1에 가깝더라도 안정된 증기발생과 건도 유지를 위해서는 플래시 탱크 순환펌프와 출구압력제어가 필요하다. (5) ASME PTC-10 시험기준에 의한 압축기 능력은 측정압력, 온도, 냉매가스 밀도, 음속, 회전수 등을 사용하여다항식(polynomial functions)에 의한 계산으로 성능을 유도한다. 성능평가 과정에서 정격 열성능과 효율문제는 없었으나, 완제품에 탑재한 압축기 상태를 기준으로 할 때 상 변화(phase change)가 있는 AHRI 시험기준에 의한 성능과 ASME PTC 10과 같이 상변화 없이 작동유체로 가스(gas)를 사용하는 성능에 차이가있어 차후 논의가 필요하다. 압축기 내부 온도가 150℃에 가까운 고온 히트펌프를 위한 자기 베어링 내장 무급유 원심 냉매 압축기의선행자료(best practice)를 찾을 수 없어 연구개발과정에서 5년 여 동안 시행착오가 많았다. 역으로 연구개발결과를 응용하여 R-134a와 같은 공조용 압축기 개발에 적용하는 과정은 거의 어려움을 겪지 않았으며, 본 연구결과를 바탕으로 90℃급 온수히트펌프와 혼합냉매(mixtures)를 사용한 냉난방 겸용 히트펌프를 준비하고 있다. The compressor performance includes aerodynamic performance, thermal efficiency, operation reliability and durability. its performance is tested in view of its operational problem in the field. This paper describes on the aerodynamic performance evaluation and operation reliability test of the oil-free centrifugal compressor equipped with magnetic bearing for a high-temperature heat pump. Utilizing the experimental setup, we tested the centrifugal refrigerant compressor installed on closed loop high-temperature heat pump system, the test equipments and test results are presented. The required performance of the compressor was tested according to the test code like the ANSI/AHRI standard 550/590, ANSI/AHRI 540 and ASME PTC 10. As the results of the performance test, the process of finely adjusting the angle of the vaned diffuser was repeated to improve the compressor performance and compression ratio. The oil-free centrifugal refrigerant compressor with magnetic bearing showed superior durability than the refrigerant compressor with gas-foil bearing even in sudden and continuous surging. In order to increase the measurement accuracy, the heat balance relations were compared by measuring the refrigerant mass flow rate, pressurized water flow rate, steam generation amount, and power consumption of a motor. Currently, the durability tests are being conducted in order to respond the various needs for industrial use. KCI Citation Count: 1