기존 터보냉동기는 전기모터를 사용해 다른 방식의 냉동기들에 비해 대용량의 전력을 소비한다. 터보냉동기는 타 냉동기에 비해 상대적으로 높은 효율로 운전되고 있기 때문에 에너지절약이 가능하다.
산업이 발달함에 따라 생산 부하의 증가로 에너지소비량도 증가해 에너지절약 및 효율이 더 강조되고 있다. 즉 에너지효율 향상은 에너지소비를 낮춰 생산성을 높이는 효과적인 비용절감의 수단이 된다.
현장에서 터보냉동기는 대형 빌딩의 공조용, 산업설비의 냉수온도제어 등 여러 분야에서 중·대형 용량으로 사용되고 운전시간이 상대적으로 길며 100% 부하운전보다 계절 조건 또는 생산 부하에 따라 많은 시간 부분부하 운전을 한다. 이에 따라 냉동기의 100% 부하 운전효율보다 부분부하에서의 효율이 더욱 중시되고 있다. 이러한 대외적인 변화에서 기존 터보냉동기대비 에너지효율을 크게 향상시킨 무급유 터보냉동기가 관심을 받는 이유다.
지난 3월 일산 킨텍스에서 열린 ‘HARFKO2017’에서는 5개 업체에서 무급유 터보냉동기를 출품했다. ‘HARFKO2015’에서 2개 업체였던 점을 감안한다면 무급유 터보냉동기에 대한 시장의 인식과 관심이 높아졌음을 잘 보여준다.
2년 전만해도 터보코(Turbocor)만이 무급유 냉동기시장에서 압축기를 공급했지만 현재는 마그네틱 베어링(Magnetic bearing)만을 공급하는 업체가 생겨 이를 채용해 압축기를 생산하는 업체도 늘어나고 있는 추세다.
현재는 냉동기시장의 대표적인 제조업체들도 서로 무급유 터보냉동기를 채용하는 추세다. 국내에서도 LG전자가 가스베어링을 2016년에 출시했으며 올해 전시회에서도 핵심기술인 무급유 압축기까지 국산화해 세계 최고 효율 COP 7.0, IPLV 12.0(AHRI 조건, 500RT 초고효율형 기준) 및 최대용량의 1,100RT 냉동기를 선보였다.
글로벌 기업인 Danfoss도 2013년부터 국내에서 Century와 Hi Air Korea를 통해서 Danfoss Turbocor 압축기를 시장에 공급해 올해까지 약 180여대의 압축기를 설치했다.
이러한 시장의 반응은 무급유 터보냉동기에 대한 높은 성장 가능성을 짐작해 볼 수 있다.
■무급유 기술의 발전
무급유 방식은 오일과 관련된 문제(마찰손실, 열교환기 성능 저하 등)를 해결할 수 있는 기술로서 마그네틱 베어링시스템과 냉매 윤활 베어링시스템 방식이 적용되고 있다.
마그네틱 베어링시스템의 핵심 부품은 레디알 하중을 위한 회전 임펠라 축 주위의 마그네틱 코일과 스러스트 하중을 위한 코일, 전력 공급과 회전축의 위치 센싱을 위한 센서용 제어기기이다. 축의 중심으로부터 위치 이탈을 실시간으로 센싱해 제어해야 하기 때문에 고도의 제어 기술이 요구된다.
따라서 오일을 사용하는 증속기어는 사용할 수 없고 고속의 PM모터와 VFR가 적용된다. 용량 확대를 위해서 고하중에 적합한 PM모터가 요구되며 현재는 1,000RT 규모까지 개발됐다.
그러나 1,000RT 이상의 경우 대부분 3~13kV의 전력공급이 되고 있는데 현재로서는 이와 같은 고전압용의 PM모터 기술이 없는 상황이다.
냉매 윤활 베어링시스템은 액체와 가스방식이 있다. Trane사에서는 2013년에 세라믹 볼 베어링과 PM모터를 적용한 액체 냉매 롤러 베어링 방식의 R123 냉매용 원심 냉동기를 소개했다. 가스 냉매 베어링은 베어링 사이에 고압을 가해 틈을 유지하는 정적형태와 포일 필름 혹은 그루브 패턴의 미끄럼 표면에 축을 회전해 고압을 형성하는 동적형태가 있다.
■무급유 터보냉동기의 강점
무급유 터보냉동기는 기존 오일 윤활방식의 원심식 터보냉동기와는 다르게 오일을 사용하지 않고 인버터를 적용해 부분부하 운전에 탁월한 효율을 나타낸다. 또한 마그네틱 베어링기술과 최적의 회전수 제어 그리고 Oil-Free System에 따른 열교환기 설계를 통해 타 냉동기와 비교해 월등한 효율을 보여준다. 오일을 사용하지 않기 때문에 Oil Pump, Cooler, Filter 등과 관련된 부품이 필요치 않게 됐다. 이로 인해 유지보수 비용이 크게 감소되며 오일 문제로 인한 냉동기 고장이 없기 때문에 안정적인 성능을 유지한다.
이처럼 무급유 터보냉동기의 저렴한 유지보수 비용과 안정적 성능으로 시장의 수요가 늘어날 전망이다.
세계적인 냉동기 제조업체는 이러한 무급유 터보냉동기시장을 선점하기 위해 고효율, 신냉매 적용, 유지보수 비용 절감, 저소음 등 다양한 분야에서 연구개발이 한창 진행 중이다. 국내에서도 에너지비용 절감에 대한 요구가 커지고 있는 상황이어서 초기 투자비를 늘리더라도 연간 절감되는 에너지비용으로 그 비용을 회수하며 나아가 전체 비용에서 절감을 할 수 있는 제품에 대해 적극적으로 고려하는 고객이 늘어나고 있다.
LG전자는 국내외에서 글로벌 무급유 냉동기 제조업체와의 치열한 경쟁을 펼치고 있다. LG전자는 ‘HARFKO2017’에서 무급유 인버터 터보냉동기를 전면에 내세우며 세계 최고의 기술력을 입증했다.
LG전자는 국내 최대용량의 무급유 압축기 기술을 보유하고 있다. 에어 베어링과 마그네틱 베어링 방식으로 100~300RT급은 에어 베어링, 260~ 2,200RT급은 마그네틱 베어링을 적용한 제품으로 시장을 공략하고 있다.
LG전자의 무급유 인버터 터보냉동기는 COP 7.0, IPLV 12.0(AHRI 조건, 500RT 초고효율형 기준)의 세계 최고 수준의 효율로 연간 운전비를 최대 36%까지 절감시킨다.
또한 친환경 냉매 R134a를 적용하고 있으며 회전수 제어로 소음 및 제품 크기까지 줄였다. 정전 시 끊김 없는 전력 공급으로 압축의 회전축 부상 유지 및 베어링을 보호하는 Online UPS를 장착해 정전의 안전성을 확보하고 있다.
이들 기업들은 기술력 이외의 자사의 강점을 부각시키며 시장 선점에 적극 나서고 있다.
Danfoss는 20년 가까운 현장 경험과 4만5,000대의 압축기 연간 생산 능력, 모든 고객과 1:1 대응 및 교육 프로그램 그리고 유대관계를 가장 큰 장점으로 내세우고 있다.
LG전자는 빠른 유지보수가 장점이다. 외산 압축기의 경우 압축기 제조사를 통한 고장 수리로 소요시간이 긴 반면 LG전자는 자체개발 및 생산으로 고장수리를 직접 수행해 소요시간이 상대적으로 짧고 냉동기 부품 수급이 용이하다.
에너지소비량 중 산업분야에서 사용한 소비 비율은 61.7%(2014년 기준)로 높은 비율을 차지하고 있으며 에너지소비량도 계속적으로 증가하고 있다. 에너지소비량이 많아짐에 따라 국내 전력수요관리의 중요성이 증대되고 에너지사용에 대한 관심이 높아지면서 고효율 제품에 대한 수요도 늘어나고 있다.
무급유 인버터 터보냉동기는 이러한 시장의 요구를 충족시킬 수 있는 제품으로 기존의 냉동기시장을 빠르게 대체하며 새로운 트렌드로 자리 잡을 것으로 기대를 모은다.