고온용 히트펌프 적용 냉매에 대한 특성 검토 및 분석 = Analysis and Review of Refrigerants Properties for High Temperature Heat Pumps

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 130℃ 이상 고온용 히트펌프 개발의 선행 연구로 적용 가능한 냉매를 검토하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 임계온도가 높아 고온용 히트펌프 등에 사용되었던 기존 냉매 3종과 신규로 거론되고 있는 냉매 14종에 대한 임계 온도 및 압력과 ODP 및 GWP 등을 검토하였다. 그리고 요구온도에 따라 적합할 것으로 예측되는 냉매를 선정하였다. 결론적으로 향후 적용 가능한 냉매군은 HFO, HCFO 및 자연 냉매군이 될 것으로 판단된다.
2. 130 ~ 160℃를 목표로 하는 고온용 히트펌프에 적용할 수 있는 냉매를 환경적 측면 및 시스템 성능 측면에서 검토해 보면 R1336mzz(Z), R1233zd(E) 및 R718 냉매들이 적합할 것으로 판단된다. 이들 냉매는 모두 임계온도가 160℃ 이하로 아임계 사이클 구성이 가능하다. 다만, 초임계영역 사이클 구성이 가능한 냉매는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단되며, 가연성 및 독성이 강한 냉매를 포함한다면 무기질 자연냉매 계열인 R601 및 R600 냉매 등도 충분히 검토가 가능할 것으로 판단된다. 그리고 독성은 강하지만 비가연성 혼합냉매인 R514A도 검토 대상이 될 수 있다.
3. 200℃ 이상에서는 R1130(E) 및 R718 냉매 2종이 가장 적합한 냉매로 판단된다. 두 냉매는 임계온도가 200℃ 이상으로 200℃ 이상에도 아임계 사이클 구성이 가능한 냉매이다. 다만, 참고문헌을 종합해 보면, 160℃ 이상에서는 두 가지 냉매를 사용하는 이원 시스템 또는 증기 재압축기 등을 추가하여 승온 할 수 있을 것으로 판단된다. 이 경우 저 단측에 R1336mzz(Z) 또는 R514A등을 이용하고, 고단측에 R718 냉매를 사용하는 게스케이드 시스템을 이용할 수 있을 것으로 판단되다. 그리고 고단측의 경우 다단으로 구성된 증기 재압축기도 검토가 가능할 것으로 판단된다. R718 냉매의 경우 기술적 한계가 있지만, 환경적인 측면 등을 종합적으로 고려할 때 200℃ 이상의 고온에서는 가장 적절할 것으로 판단된다.
4. 본 논문에서는 100℃ 이상의 고온을 얻기 위하여 사용할 수 있는 냉매를 선정하기 위한 연구를 수행하였다. 참고문헌에 내용을 조사하고, 간단한 정량적인 계산을 통하여 요구되는 온도대 별 적합한 냉매를 선정하였다. 다만 이는 다양한 사이클 구성과 요소 부품의 개발 및 제작 가능성 그리고 경제적인 측면 등을 모두 포함하면 달라질 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 추가적인 시스템 해석 및 검토와 요소 부품의 설계 및 개발 등의 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Research and development efforts have been ongoing to replace fossil fuel-based energy systems with high-temperature heat pumps (HTHPs) in response to environmental challenges like global warming. This study investigates the use of hydrofluoroolefins (HFOs), hydrochlorofluoroolefins (HCFOs), and natural refrigerants in HTHPs operating at temperatures above 130℃. Performance evaluations were conducted based on thermophysical properties. A review of existing literature assessed the thermodynamic properties, ozone depletion potential (ODP), global warming potential (GWP), and safety group (SG) classifications of the candidate refrigerants. The findings suggest that R1336mzz(Z), R1130(E), and R718 are the most suitable refrigerants for operating temperatures above 160℃, while R1130(E) and R718 are the best choices for temperatures exceeding 200℃.