Establishment of Low Temperature Environment System Using Polar Environment Performance Test Construction

극지환경성능시험설비를 활용한 저온환경 시스템 구축

Abstract

This paper was conducted to study the conditions for the manufacture and operation of artificial snow removal and ice-making test facilities so that the test equipment can be tested in a low-temperature environment using the polar environment performance test facility. The polar environment performance test Facility is designed to artificially simulate extreme environments up to -65 ℃, and is a mid-to-large low-temperature environment test facility that can perform performance tests on offshore plant equipment, ships, leisure, and offshore structures. To verify the safety of deck work of ships operating in polar environments, artificial snow removal and artificial ice making devices were manufactured, and we conducted research on various operating environments using these facilities. For the efficient operation of artificial snow and ice making facilities, it is important to continuously supply dry air, and it has been found that installing an additional heater at the tip of the nozzle is effective in preventing freezing.

1. 서론

지구 면적의 70%를 차지하고 있는 바다는 인류에게 잠재적 에너지를 제공하고 있다. 미래 산업의 성장 동력원을 바다 전 영역으로 확대해서 발굴함에 따라 해양플랜트 시장의 변화에도 큰 영향을 줄 것으로 전망하고 있다. 최근 기후 온난화의 주범인 이산화탄소의 과다 배출로 빙하가 서서히 녹아내리면서 그동안 미개척지였던 남극과 북극에 새로운 기후변화가 일어나고 있다. 진입 장벽이 높았던 극지 지역에 대한 개척의 문이 열리면서 화물수송, 자원개발, 장비개발 등 다양한 산업 분야에 관심이 집중되고 있다. 세계자원의 약 22% 가 매장되어 있는 북극해의 경우 미개발 자원에 대한 개발 가능성과 화물수송의 항로 단축은 기존 수에즈 운하를 통해 가던 항로에 비해 연료 및 물류비용의 절감효과가 크기 때문에 미래 고부가 가치 산업으로의 성장 기회로 보고 있다[1]. 현재 해양플랜트 산업의 핵심 분야인 설계 및 엔지니어기술을 대부분 해외에 의존하고 있어 이러한 기회를 잘 활용한다면 국내 기술력 향상과 20% 미만의 저조한 국산화 보급률을 높일 수 있는 좋은 기회로 보인다. 특히, 극지환경에서 사용되는 해양플랜트 기자재에 대한 내구성 및 신뢰성 확보, 안전성 검증, 유지보수에 대한 표준절차 등 신뢰성 있는 데이터가 확보된다면 국산화 및 표준화를 통한 해외 수입 의존율을 낮출 수 있을 것이다.

이에 선박해양플랜트연구소는 Fig. 1과 같이 2017년부터 상온∼-65℃ 범위 내에서 저온환경을 인위적으로 조성할 수 있는 중대형 극지환경성능시험설비(콜드룸)를 구축하여 극지방에서 운용될 각종 설비 및 기자재를 테스트할 수 있는 시스템을 구축하였다. 해양플랜트 기자재 저온성능 시험 평가, 기자재 재료특성 시험평가, 저온 내구성 및신뢰도 시험평가, 내빙설계 시험평가 등을 수행할 수 있는 기능을 확대하고자 한다.

Fig. 1 Polar environment test facility

본 연구에서는 본 기관에 구축되어 있는 극지환경성능시험설비를 활용하여 저온환경에서 시험할 수 있는 인공제설, 인공제빙 시험설비를 구축하여 극지환경에 설치될 설비 및 극지환경성능시험설비의 운용을 위해서 고려해야 할 사항들에 대해 연구를 수행하고자 한다.

2. 저온환경 시험설비 구축

2.1 극지환경성능시험설비의 구성

극지환경성능시험설비는 Fig. 2와 같이 R22(고온측)와 R23(저온측)냉매를 혼합하여 사용되는 이원냉동사이클 방식을 적용하였다. 본 설비는 Table 1 과 같이 콜드룸 내부의 잠열 제거를 위한 용도인 항온·제습시스템과 저온환경 조성을 위한 극지환경시스템으로 크게 나누어진다. Fig. 3은 극지환경성능시험설비의 평면도를 나타낸다.

Fig. 2 40HP dual freezer P & ID

Table 1. Configuration of equipment

Fig. 3 Polar environment test facility drawing

2.2 극지환경성능시험설비의 냉동능력

일반적으로 산업 현장에서 사용되고 있는 냉동설비는 –30℃ 이하의 저온환경을 모사하는데 한계가 있다. 이는 2단 압축 또는 다단압축 방식의 시스템 한계 때문이다. 단일 냉매를 사용하는 1단 압축시스템의 경우 증발온도에 따른 증발압력이 낮아지면서 압축기의 압축비 증대 및 체적효율 저하로 시스템의 성능이 저하된다. 압축기 토출가스 온도가 높아지면 윤활유가 열화 되면서 냉동시스템에 큰 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 설비에 적용된 방식은각기 다른 2종의 냉매(HCFC R22, HFC R-23)를 사용하여 –65℃까지의 저온환경 조성이 가능한 이 원냉동사이클(Binary Vapor Cycle) 방식으로 시스템을 구축하였다(Fig. 1 참조).

설비 구축에 사용된 압축기는 BITZER사의“6GE-40”모델을 적용하여 고온측(R22)과 저온측(R23)에 사용하였다. 보통 냉동기의 냉동능력은 [고압가스 안전 관리법 시행규칙] 별표 3(냉동능력산정기준)에 따라 계산된다. R22와 R23를 냉매로 사용하는 이원냉동사이클의 경우 R22를 고온측에 사용하게되면 R22를 사용하는 냉동기를 최종원 냉매가스로 판단하여 냉동능력을 계산하도록 되어있다. 본 설비의 1일 냉동능력(R)은 아래의 식에 의해 계산하였다.

\(R = V / C\)        (1)

\(V = V H + 0.08 VL\)        (2)

여기서 R 은 1일 냉동능력 [ton]이고 V 는 피스톤 압출량 [㎥/h]이며 C 는 상수값 [R22기준적용]이고 VH 는 압축기의 표준회전속도에 있어 최종단 또는 최종원 기통의 1시간의 피스톤 압출량 [㎥]이며 VL 은 압축기의 표준회전속도에 있어 최종단 또는 최종원 앞의 기통의 1시간의 피스톤압출량 [㎥]을 나타낸다.

VH, VL의 경우 피스톤 압출량은 제조사 기준으로 153㎥/h이며, 이 값을 식(2)에 대입시켜 계산하면 V=165.24 ㎥/h이 된다. 이때 남은 냉매가스의 상수(C값)을 계산하려면 Table 2를 참고 하면 된다. 압축기의 기통(실린더) 1개의 체적(242.86 ㎤)은 실린더수(6), 내경(75mm), 행정거리(55mm)를 곱한 값이다. R22 냉매의 경우 압축기 1개 기통 체적이 5,000㎤이하일 때 C(상수)값이 8.5임을알 수 있다.

Table 2. Method(C) in high pressure gas safety management act

따라서, 피스톤의 압출량(165.24㎥/h)와 상수(8.5)를 식(1)에 대입하여 계산하면 1일 냉동능력은 19.44톤임을 알 수 있었다. 법정냉동능력이 20 톤 미만인 경우는 고압가스 안전 관리법에 따른냉동제조허가 및 냉동 제조신고 대상이 아니기 때문에 법적 제한을 받지 않은 범위에서 연구 시험장비로 활용할 수 있다.

2.3 인공제설을 위한 시험장치 구현

본 연구에 사용된 설비는 일반 스키장에서 사용하고 있는 소형 제설장비를 활용하여 실험을 수행하였다. 인공제설을 위한 온도는 평균 –3℃이하의 온도와 60%정도의 습도 조건이 형성되었을 때 가능하다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 인공눈을 만들기 위해서는 기본적으로 고압펌프(물), 제설기, 물 탱크, 냉각칠러, 공압설비가 구축되어야 한다. 인공제설을 위해 초기 실험 시 일반 공기압축기를

Fig. 4 Construction of artificial snow removal equipment

사용한 경우, –20℃의 환경까지는 노즐이 막히지 않고 제설되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, -30℃이하의 온도구간으로 접어들면 물분사와 동시에 노즐이 순식간에 얼어버려 막히는 현상을 확인할 수 있었다. 일반 공기압축기는 공기를 배출시킬 때 보통 미량의 수분을 포함하고 있어서 수분을 100%로 제거하지 못하면 –40℃이하의 저온환경에서는 그 자체가 방해요소로 작용되어 제설이 불가능하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 Table 3에 나타낸 것처럼 인공제설에 필요한 설비를 구축하였다.

Table 3 Specifications of artificial snow removal equipment

인공제설을 위해 공급되는 물은 냉각칠러를 사용하여 평균 4℃∼10℃를 유지해주고, 분사되는 공기는 습기가 전혀 없는 Dry된 공기를 연속적으로 공급하는 것이 가장 중요하다. 인공제설 중 물분사가 중단된 경우, 고압펌프에서 노즐까지 연결된 물 호스 내부에 미량의 물이 남아 있지 않도록 Dry된 공기를 계속 분사해 주는 것이 중요하다. 또한 노즐이 얼지 않도록 능동적으로 대처하기 위해 노즐 외부에 필름형 플라이미드히터(최대 20 0℃)를 개별 설치하여 평균 60℃로 유지할 수 있도록 개선방안을 모색하였다. 실험에 사용된 노즐은 일반 물 노즐 4개와 눈의 핵을 만들어 주는 뉴 클리어노즐 1개로 구성되어 있다. Fig. 5에 나타낸 것처럼 노즐의 최대 분사거리는 7m이며, 노즐 끝단에서 4m거리일 때 제설량이 고르게 형성될 수 있도록 하였다. Fig. 6과 같이 인공제설을 위한 설비를 구축 및 개선하여 실험한 결과, –4 5℃의 저온환경에서 원활하게 제설이 되는 것을 확인하였고, Fig. 7에서 보는 것처럼 10분간 분사했을 경우, 목표지점에 평균 2.6㎝가 쌓인 것을 확인하였다.

Fig. 5 Artificial snow removal possible range

Fig. 6 Artificial snow removal experiment

Fig. 7 Measurement of snow removal after experiment

2.4 인공제빙을 위한 시험장치 구현

인공제설과 인공제빙의 차이는 크게 보면 눈을 만드느냐 얼음을 만드느냐의 차이로 보면 된다. 즉, 뉴클리어 노즐이 없는 인공제빙의 경우, 노즐 스프레이의 각도에 따라 차이가 나기 때문에 노즐의 스프레이 각도가 60°이상이면 제설, 30°정도면 제빙 구현에 적합한 것을 실험을 통해 알 수 있었다.

Fig. 8, 9와 같이 설비 기본 구성은 인공제설과비슷하지만 인공제설 장치와 다른 점은 스프레이상·하 좌·우 각도 조절이 가능한 노즐(구경 1.5mm) 을 사용하였고 노즐 끝단에 200W 용량의 밴드히터를 장착하여 노즐입구가 막히거나 얼지 않도록 히터 컨트롤러에서 제어할 수 있도록 하였다. 온도조절 범위는 최대 200℃까지 제어가 가능하고 실험에서는 60℃로 설정하여 수행하였다. 저온 제빙실험 전에 Fig. 10에 나타낸 것처럼 상온에서 노즐 분사실험을 수행하였다. 실험에 사용된 히터는 노즐 입구가 어는 것을 방지하는 보조효과는 있지만, Dry된 공기 공급 없이는 물 호스 내부의 잔여물이 수초 내에 얼기 때문에 히터 효과도 현저히 떨어지게 된다. 즉, –40℃이하의 저온환경에서 인공제설과 마찬가지로 인공제빙도 Fig. 11과 같이 Dry된 공기를 물 분사 전까지는 항시 공급시켜줘야 한다는 전제가 있어야 한다. 결국, 저온

Fig. 8 Concept of artificial ice making equipment

Fig. 9 Installation of artificial ice making equipment

Fig. 10 Room Temperature Spray Experiment

Fig. 11 Low Temperature Artificial Ice Making Experiment

챔버 내부의 목표 온도에 소요되는 시간만큼 Dry된 공기를 계속 공급해줄 수 있는 공압설비의 기능과 성능이 유지될 때 다양한 인공시험을 수행할 수 있다.

3. 결과 및 고찰

3.1 콜드룸의 온도변화 시간

Table 4에 나타낸 것처럼 여름철 구동은 겨울철에 비해 약 2.5배 정도(-65℃기준)의 시간이 더소요되는 것을 알 수 있었다. 여름철(20℃)과 겨 울철(5℃) 상온 기준이 현저히 다르기 때문에 계절별 동일한 비교를 위해 0℃를 시작으로 –65℃ 까지 도달하는 시간과 온·습도를 기록하였다. 냉각식제습 방식인 항온제습기의 온도범위가 상온 ∼ -20℃임을 고려한 데이터를 비교하면 –20℃까지 도달하는데 겨울철 기준 71분이 소요되었고, 여름철의 경우 383분으로 약 5.4배의 시간이 더 소요됨을 알 수 있었다. 또한, 극지 지방의 평균기온 –45℃일 때를 기준으로 보면, 겨울철 279분 소요되었던 시간이 여름철에는 1,275분으로 약4.6배 더 소요되는 것을 확인하였다. 이런 실험데이터 비교를 통해 저온 구간별 도달하는 시간을 예측할 수 있으며, 시험의뢰가 들어올 때 효율적인 시험운용을 할 수가 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 콜드룸 내부의 면적이 넓고 내부 바닥이 지면보다 높게 구축되었기 때문에 저온 환경조성을 위한 냉각효율이 떨어지는 단점이 있으며, 계절과 무관하게 일정한 냉동성능을 유지하기가 쉽지 않은 것을 확인하였다.

Table 4. Comparison of temperature and humidity changes in winter and summer

3.2 저온환경 조성에 따른 시험비교

온도(℃), 습도(%), 시간(h)에 대한 데이터 확보는 본 설비를 운용하는데 중요한 키워드다. 사계절이 뚜렷한 우리나라에서 여름철과 겨울철의 온도차이가 확연히 크기 때문에 실내에 남아 있는 잠열을 제거하는데 소요되는 시간을 파악하는 것이 시험 진행을 위해 기본적인 요소이다. 본 설비는 총 면적 150㎡으로 외벽(우레탄)이 300mm, 바닥 층이 지면에서 높이 700mm로 구축되어 있어 첫 구동 시 잠열을 제거하는데 적지 않은 시간이 소요된다. 초기 구동 시 상온에서 –20℃이내의 온도는 항온·제습시스템(15HP용) 2기를 이용하여 냉각시키는데 이 시스템은 주로 내부 잠열을 제거하기 위한 용도로 사용된다. 하지만, 사용 빈도수가 낮은 경우에는 잠열을 제거하는데 소요되는 시간이 오래 걸리기 때문에 –5℃까지만 항온·제습시스템을 사용한 후 극지환경시스템(40HP용) 4기를 구동시켜 온도를 하강시키는 것이 효과적이다. 냉각식 제습법이 적용된 항온·제습시스템은 상온 ∼ -20℃의 온도조절이 가능하며, 이원냉동사이클 방식이 적용된 극지환경시스템은 상온 ∼ -65℃의 온도조절이 가능하다. 겨울철과 여름철 구동 시얼마나 많은 시간 차이가 나는지 실험을 통해 확 인하였다. 2019년도 12월(겨울철)과 2020년 7월 (여름철) 실험데이터를 비교하여 분석하였다. 그결과를 Fig. 12, 13에 나타내었다. 겨울철의 경우설비 가동 전 콜드룸 내부 온도가 평균 5℃∼8℃ 이며, 습도는 약 55%정도이다. 여름철의 경우는 내부온도가 평균 18∼23℃, 습도는 약 98%정도로 나타났다.

그래프에 표기된 것처럼 항온·제습시스템에서 – 5℃의 온도에 도달했을 때 극지환경시스템의 구동을 시작하면 냉각팬의 구동에 의한 공기 기류의 변화가 심해 온도곡선이 튀는 현상이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 항온제습시스템초기 구동 시 극지환경성능시험설비의 실내에 있는 냉각팬(4기)만 같이 구동시켜 놓으면 Fig. 14 와 같이 전체 그래프 곡선이 안정적으로 형성되는 것을 알 수 있다. 극지환경성능시험설비의 운용에있어서 계절별 온도와 습도가 큰 영향을 미치기 때문에 압축기 및 냉매가스의 관리가 중요하다. 겨울철에 비해 여름철은 온도와 습도가 높아 설비가동에 무리가 따른다. 저압의 냉매를 압축하여 고압의 냉매가스를 만들어야 하는데 겨울철보다 여름철 운용에 각별이 주의해야 한다.

Fig. 12 December 2019 operation

Fig. 13 July 2020 operation

Fig. 14 October 2021 Operation

4. 결론

본 연구에서는 해양플랜트산업지원센터의 온도 (-65℃ ∼ 상온) 조절과 제습할 수 있는 기존의 극지환경성능시험설비를 활용하였고 강설과 결빙된 기자재를 테스트하기 위해 인공제설과 인공제빙 시험설비를 추가로 구축하였다. 또한 이 시스템을 운용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 온도를 –45℃로 설정하는데 여름철은 1,275분, 겨울철은 279분이 소요되어 여름철의경우가 겨울철의 경우보다 4.6배 더 소요되었다. 이것은 온도설정에 온도와 습도가 동시에 고려되어야 함을 알 수 있었고 특히 여름철에는 구동시간이 길어지고 오일의 점도가 낮아져 압축기 부하에 크게 영향을 미치므로 정기적인 점검 및 관리가 필요하다.

둘째, 인공제설 과정에서 Dry된 공기를 연속적으로 공급했을 때 콜드룸 내부온도가 –20℃이하에서 –45℃에 도달할 때까지 노즐이 막히는 현상이 발생하지 않았다. 따라서 이러한 저온환경에서 효과적인 인공제설을 위해서는 Dry된 공기를 연속적으로 공급해 줄 수 있는 설비인 공압설비, 뉴 클리어노즐, 냉각칠러, 플라이미드(필름형)히터의 구성 및 운전조건이 중요함을 알 수 있었다.

셋째, 인공제빙 장치의 노즐 분사각도를 0∼ 60°의 범위에서 작동하면서 Dry된 공기를 연속적으로 공급했을 때 콜드룸 내부온도가 –20℃이하에서 –45℃에 도달할 때까지 노즐이 막히는 현상이 발생하지 않았다. 노즐 분사각도에 따라 제빙범위가 차이가 발생하고 이에 따라 내부 압력은 차이가 발생한다. 향후 다양한 제빙역역에 대해서도 노즐 분사각도에 따라 Dry된 공기가 연속적으로 잘 공급될 수 있는지에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

향후 실험에서는 본 연구를 기반으로 국제규격에서 요구하는 기준으로 시간당 제설량 측정 및 제빙두께 측정 등 다양한 조건에서 시험을 수행할 예정이며, 저온 챔버 내부에서 풍속에 의한 영향을 분석할 예정이다.

후기

본 논문은 해양수산부 공공수탁사업인 “2022년 해양플랜트 서비스산업 공동 활용 기반구축 사업” 에 의해 수행되었습니다(PGS4621).