증기압축식 냉동장치는 ① 냉동작용을 하는 증발기, ② 증발된 냉매증기가 압축되기 쉽도록 압력을 높여주는 압축기,
③ 냉매증기를 응축하는 응축기, ④ 냉매액이 증발되기 쉽도록 감압시키는 냉매량을 조절하는 팽창밸브 등으로 구성
1. 압축기
1.1 압축기의 용량 및 효율
- 냉동용 압축기는 증발기에서 증발한 냉매증기가 응축되기 쉽도록 냉매증기를 압축하여 압력을 높이는 역할을 하는 장치이다.
[1] 압축기의 용량
왕복동식 압축기의 피스톤 토출량
여기서,
[2] 압축기의 효율 (1) 체적효율,
체적효율이 1보다 적은 이유 : 틈새체적의 영향, 흡입가스의 팽창에 의한 영향 등 (2) 압축효율,
토출가스의 압력이 토출관내의 압력보다 높게 되어 실제 압축일은 증가한다.
(3) 기계효율,
피스톤과 실린더와의 마찰부, 베어링등의 손실으로 기계효율이 떨어진다.
[그림 4-1] 왕복동식 압축기 구조
[5차 : 냉동의 주요 구성기기]
예제4-1&4-2
1.2 압축기의 종류 및 특징
① 용적형(positive displacement type) 압축기 : 냉매증기의 체적을 감소시켜 압력을 증가 시키는 장치.
- 저압에서 적은 용량 : 회전압축기(베인형, 스크류형) - 중.고압의 적은 용량 : 왕복압축기(피스톤왕복압축기)
② 터보형(원심형) 압축기 : 고속으로 회전하는 Impeller가 유체에 회전력을 전달하여 발생 하는 원심력으로 증기냉매를 압축 시키는 장치. 압력이 비교적 낮고, 유량이 많다.
[표 4-1] 압축기의 종류 및 특징
구 분 형 태 밀페
구조
용량범위
[kW] 주된 용도 특 징
용
적
식
구 분 형 태 밀페 구조
용량범위
[kW] 주된 용도 특 징
용 적 식
용 적 식
push-rod
vane
저속에서 고압가능
구 분 형 태 밀페 구조
용량범위
[kW] 주된 용도 특 징
원 심 식
[1] 왕복동식 압축기
(1) 입형(vertical) 압축기 : 피스톤 상하운동하는 구조, 회전수 300∼600rpm 정도의 단동형, 암모니아용 압축기로 사용 (2) 횡형식(horizontal) 압축기 : 대형 단기통이며 양쪽으로 압축작용을 하는 복동형
스터핑 박스(stuffing box)를 붙여 냉매가스 누설방지 회전수 200∼300rpm 정도이며, 최근 사용하지 않음
[그림 4-2] 입형 왕복동식 압축기
[그림 4-3] 횡형 왕복동식 압축기
diffuser
회전수가 높다.
(3) 고속다기통 압축기 : 1000∼2000 rpm의 고속형으로 소형경향화, 회전왕복운동시 공진력을 최소화하여 기통배열방식으로 V형, W형, V-W형이 있다.
[그림 4-4] 고속다기통 압축기의 기통배열방식
[그림 4-5] 고속다기통 압축기
[2] 회전식 압축기(Rotary Compressor)
- 고정날개형 : 케이싱이 설치한 슬라이더 베인의 끝에 실링장치(sealing edge)와 회전피스톤(rotary piston)의 접촉 - 회전날개형 : 회전피스톤에 설치된 가동날개와 실린더 벽의 접촉
회전피스톤의 회전에 의해 흡입 및 압축작용이 동시에 일어난다.
피스톤 압축이 완료되어 가스가 토출압력에 도달하면 토출밸브가 열린다.
‣ 장점 : 직결구동이 가능하여 진동이 적고, 소형 경량화, 틈새가 적어 체적효율 및 성능 향상 ‣ 단점 : 마멸이 있는 경우 성능저하 우려, 용량제어가 어려움, 정밀한 가공 필요
[3] 스크루식 압축기(Screw Compressor)
스크류 압축기는 스크루 회전자 2개를 조합시킨 형과 싱글스크류라 불리는 1개의 스크류 회전자와 2개의 게이트 회전자로 구성되어 있다. (저압, 저용량에 적합)
주로 소형으로 암수회전자의 회전에 의해 체적을 줄여가면서 압축하기 때문에 체적형이면서 회전형인 것이 특징이다.
[그림 4-6] 회전식 압축기의 압축과정
[그림 4-7] 스크루식 압축기의 압축과정
[4] 원심식 압축기(Centrifugal Compressor)
임펠러의 회전 원심력으로 대량의 냉매가스를 흡입.압축한다.
비체적이 비교적 큰 것이 좋기 때문에 공기조화용에는 R-123, 대형에는 R-12, R-22, 공업용으로는 암모니아, 프로판 등의 냉매를 사용
회전수는 고속 3000∼10000 rpm이며, 구조 간단하며 저압의 냉매를 사용하므로 취급이 용이하다.
[5] 스크롤 압축기(scroll Compressor) 회전식 압축기의 일종이며,
2개의 스크롤 형상부품을 상대적으로 운동시켜 가스를 압축하는 것이다.
평판 위에 2개의 나선형 판을 부착(1개 고정, 1개 선회) 선회스크롤과 고정스크롤에 의해 냉매의 압축이 이루어짐.
(외부에서 가스주입중앙공간 압축 중앙으로 배출)
토크변동이 적고 흡입밸브나 토출밸브가 없으며, 압축요소의 미끄럼 속도가 늦다.
[그림 4-8] 원심식 압축기의 단면도 [그림 4-9] 스크롤의 압축원리
고정스크롤 선회스크롤
2. 응축기
- 응축기는 압축기에서 고온고압이 된 냉매를 냉각액화시키는 열교환기로서 냉동사이클의 고압측에서 사이클 내의 열을 외부 로 방출하는 역할을 한다.
- 응축열량은 증발열량과 압축기의 압축열량을 합( ) 이며, 증발온도(또는 증발압력)와 응축온도(또는 응축압력)에 따라 다르며,
증발온도가 같아도 응축온도가 높으면, 압축일량이 증가하므로 응축열량도 증가하게 된다.
- 또한 응축온도가 같아도 증발온도가 낮게 되면 압축기로 흡입되는 냉매증기의 비체적이 증가하게 되어 압축일량이 증가하므로 응축열량도 증가한다.
2.1 응축기의 종류 및 특징
수랭식, 공랭식 및 물과 공기를 병용하는 증발식으로 대별한다.
[1] 수랭식 응축기 (1) 2중관식 응축기
- 지름이 서로 다른 원형관을 이중으로 설치하여 안쪽 관속에는 냉각수가 아래에서 위로 흐르고, 바깥쪽 관과 안쪽 관 사이에 냉매증기가 위에서 아래로 흐를 수 있는 구조(대향류식).
- 암모니아, 프레온계 등의 비교적 소형 냉동기에 사용. 탄산가스용도 사용 가능
(2) 입형 셀 튜브식 응축기(Vertical shell and tube condenser) - 입형의 원통에 다수의 냉각관을 설치하고, 원통의 상하를 강판으로 용접하여 제작
- 입형의 원통상단에 설치된 냉각수조에 고인 냉각수가 냉각관 내면을 고르게 흐르게 하기 위하여 수용돌이를 일으키는 주철제 의 물분배기를 설치한다.
- 압축기에서 유분리기를 거쳐온 고온의 냉매증기는 냉각관 바깥 면과 접촉하여 냉각. 응축되어 냉각관 바깥면을 따라 흘러내려 액출구를 거쳐 수액기로 간다.
* 중대형 냉동장치(암모니아냉매)에 활용
[그림 4-10] 입형 셀 튜브식 응축기 구조
압축기로부터
물분배기
(3) 횡형 셀 튜브식 응축기(Horizontal shell and tube condenser)
- 강판으로 만든 원통을 수평으로 놓고, 그 속에 냉각관을 다수 넣어 원통의 좌우를 강판으로 용접하여 제작한 응축기.
- 냉매가 암모니아 경우는 주로 소형, 프레온인 경우는 대용량까지 사용 가능한 수냉식 응축기이다.
- 응축기를 소형, 경량화를 위해 핀- 튜브를 사용하면 냉각관의 단위 길이당 전열면적을 크게 할 수 있다.
(4) 증발식 응축기(Evaporative condenser)
- 수냉식과 공냉식을 혼합한 응축기로서 대형 냉동설비에 사용된다.
- 냉각관에 냉각수를 분무시키고, 공기를 불어주면 냉각수가 증발하면서 증발열을 흡수함으로 냉각수와 냉매의 온도차 뿐만 아니라 증발열에 의한 냉각작용을 동시에 얻을 수 있다.
- 겨울철에는 공랭식으로 사용할 수 있으므로 연간운전에 우수함.
- 외형과 설치면적이 커서 고가이다.
- 암모니아 냉동장치에 이용
(응축기) 냉각수+공기 증발
[2] 공냉식 응축기
- 냉각수를 얻을 수 없는 경우, 소형 냉동장치에 사용된다.
- 수냉식에 비해 구조간단하고 보수관리 용이 - 중.소형 프레온계 냉동장치에 사용
- 공기측에 열전달계수가 나쁨으로 관 외부 에 핀(0.1- 0.2mm 두께의 Al핀)을 부착하여 전열면적을 증가시킨다.
- 응축방법 : 공기의 자연대류를 이용하는 자연대류식과 팬으로 강제통풍하여 냉각하는 강제통풍식
2.2 응축기의 용량
[1] 응축기의 용량 (1) 응축기의 방출열량
증발기에서 흡수한 열량(냉동능력)뿐만 아니라 냉매를 압축하는데 소요된 압축기 일량을 포함하는 것으로 응축기의 열부하를 말함.
◈ 이론냉동사이클(열교환기, 배관 등의 압력손실을 무시하는 경우)
여기서, G : 냉매유량[kg/h]
* 동일한 냉동능력에서도 응축압력이나 증발압력이 변화하면 압축일량이 변함으로 응축부하도 변화한다.
* 표 4-2 각종 응축기의 특징 비교 (교재 p.74)
(2) 응축에 필요한 냉각매체의 양,
응축기 내에서 냉매증기의 냉각을 위한 냉각수나 공기가 흡수하는 열량은 열평형식으로부터 응축부하와 같다.
(3) 응축기의 열전달
- 그림 4-15와 같이 냉매에서 관벽을 통하여 냉각매체인 물이나 공기로 이동하게 된다.
- 냉매와 냉각매체 사이의 열교환량(응축부하),
여기서, A : 냉각관의 전열면적[㎡], K : 총합열전달계수[kcal/㎡.h.℃][W/㎡.K]
예제4-3
[참고] 관내부에서 유체가 난류유동을 할 때 Dittus-Boelter(1930)의 Nusselt수의 상관식
(응용문제) 냉동시스템의 냉동용량은 30kW이고 성능계수는 3이다. 증발기의 흡수열량과 압축기의 압축일은 전부 응축기에서 방출된다.
응축기는 수냉식으로 다음 그림과 같은 구조를 가지며, 2통로(2 pass)에 28개의 관으로 이루어진다. 관은 내경이14mm, 외경이 16mm의 동관이며, 관내부로 온도 의 냉각수가 유입되고, 냉각수의 질량유량 이다. 오염에 의한 저항
를 고려하여 응축기의 열전달면적 를 계산하여라, 냉매가스는 관 외부에서 응축되며, 응축온도는 45℃이다. 단, 응축시의 열전달계수 로 가정한다. 그리고 여기서 사용하는 동관의 열전도계수는
이다.
[풀이]
* 보통, 냉각수 평균온도에서 물성치를 구함.
[수냉식 셀-튜브 응축기]
응축기는 2통로 28개관이므로, 1통로에 14개관이다. 따라서 1개관당 질량유량,
- 응축열전달률 이므로
3. 증발기
- 냉동장치에서 냉각작용을 하는 열교환기로서 증발관에 공급된 저온.저압의 습증기 냉매액을 물질이나 주위의 공기 등으로부 터 열을 뽑아내는 장치이다. 열전달계수가 좋고, 압축기에 액이 흡입되지 않는 구조로 제작한다.
- 직접팽창식 냉각은 냉장고 내에 증발기를 설치하여 냉매의 기화에 의한 흡열로 직접 냉각방식이고, 간접식 냉각은 증발기에서 직접 냉장고 등의 목적물을 냉각하지 않고 브라인이나 물과 같은 2차 냉매를 냉각하여 냉각된 브라인과 물에 의해 목적물을 냉각하는 방식이다.
3.1 증발기의 종류 및 특징
[1] 건식 증발기(Dry expansion evaporator)
[2] 만액식 증발기(Flooded expansion type evaporator) - 팽창밸브를 통과한 냉매액과 가스가 코일 내를
동시에 흐르면서 냉매액이 증발하는 것으로 증발 기출구까지 액과 증기가 분리되지 않는다.
- 냉매유량조절은 온도식 자동팽창밸브를 사용하 여 증발기출구의 냉매를 과열상태로 하여 압축기 에서 액압축을 방지
- 건식증발기와 같이 팽창밸브에서 팽창한 냉매를 직접 증발기로 유입시키면 건도가 커질수록 증발하 는 냉매의 열전달률이 감소하여 냉매의 전열작용이 저하되므로 증발기 내에 항상 냉매액이 가득 차 있으면 전열면이 거의 액냉매과 접촉하기 때 문에 전열작용이 양호하게 된다.
- 냉매가 많이 필요하며, 냉매와 포함되어 있는 냉 동유는 암모니아 경우, 증발기하부 에서 제거되 나, 프레온 경우는 냉매와 혼합됨으로 별도의 유회수장치가 필요하다.
[3] 액순환식(Liquid recirculation type) 증발기
- 저압수액기에 액냉매를 담아 이 액냉매를 펌프 등 으로 증발기에 보내는 방식으로 증발기 내는 증발 량의 2-3배에 해당하는 냉매가 흐른다.
- 증발기에서 나온 냉매는 증기와 액의 혼합상태로 다시 저압수액기로 들어가며 여기서 증기는 압축기 로 흡입되고 액은 재순환하게 된다.
[4] 헤링본 코일식(Herriing bone coil type) 증발기 - 대량의 피냉각액 탱크 내에 냉매가 통과하는 냉각관 을 설치한 것으로 모양에 따라 헤링본식, 수직관식, 병렬식 등이 있다.
- 증발기는 피냉각액 탱크 내의 칸막이 속에 설치되며, 피냉각액은 이 속을 교반기에 의해 0.3-0.75m/s의 속도로 수평 또는 수직으로 통과한다.
- 제빙용 대형 브라인, 물의 냉각용에 사용
[5] 플레이트형 증발기
- 2장의 알루미늄이나 스테인리스 강판을 압점하고 금속판에 나관 코일을 밀착시킨 증발기
- 관 외부에 공기, 물, 브라인 등이 접촉하여 냉각되도 록 한다.
- 냉매의 통로, 증발기의 크기와 형상을 다양하게 만들 수 있으므로 다용도(화학공업, 식품공업 등)로 사용 [6] 핀 튜브식 증발기
- 증발관 표면에 원형 또는 사각형의 핀을 붙여 전열 효과를 증대시킨 것이다.
- 나관식 증발기에 비해 냉각효과가 좋으므로 관의 길 이를 짧게 할 수 있으나 증발관 외면 에 생기는 성에 를 제거하는 작업이 곤란하다.
- 냉각팬을 가지는 강제통풍식 핀 튜브형 증발기를 유닛 쿨러(unit cooler)라 한다.
[액순환식 증발기]
펌프로부터
수액기 증기만 압축기
3.2 증발기의 용량 (1) 증발기의 흡수용량
증발기에서 흡수한 열량(냉동능력)
냉동부하는 냉매의 상태변화에 따라 달라진다.
(2) 피냉각매체의 양,
증발기에 피냉각매체인 물이나 공기가 빼앗기는 열량은 열평형식으로부터 냉매가 빼앗기는 냉동능력과 같다.
냉각매체에 의한 열전달량,
(3) 증발기에서의 열전달량
여기서, A : 냉각관의 전열면적[㎡], K : 총합열전달계수[kcal/㎡.h.℃][W/㎡.K]
예제4-4 & 4-5
4. 팽창밸브
팽창밸브는 냉매유량을 조절하는 장치로 냉매액을 증발기에 공급하여 액의 증발에 의한 열흡수작용이 용이하도록 압력과 온도를 강하시키고, 동시에 냉동부하의 변동에 대응하여 적정한 냉매유량을 조절.공급하는 역할을 한다.
4.1 수동식 팽창밸브
냉매의 유량을 고도의 숙련에 의해 수동으로 밸브의 핸들을 돌려 조절하는 방식.
팽창밸브 사이의 좁은 간격(오리피스)을 통하여 압력강하가 일어나 팽창할 때 유속이 빨라진다. 이 때 배관 내에 스케일, 불 순물이 혼합되어 밸브헤드와 시트 사이에 끼어 유량조절이 곤란함으로 팽창밸브측에 필터를 설치한다.
4.2 자동식 팽창밸브 (1) 온도식 자동팽창밸브
감온팽창밸브라고 하며, 프레온 냉동장치에 가장 많이 사용
부하변동에 따라 개도를 조절하여 적정한 냉매량을 증발기에 공급하는 기능을 가지고 있으며, 증발기 출구에서의 냉매가스 과열도를 일정하게 유지하고, 증발온도와 압축기 흡입 가스의 온도차를 적정한 값으로 유지하도록 작동하는 팽창밸브이다.
(2) 전자식 팽창밸브
인버터 구동 가변용량형 공기조화장치나 증발온도가 낮은 냉동장치에서는 팽창밸브의 냉매유량조절 특성 향상과 유량제어 범위 확대 등 을 목적으로 전자식 팽창밸브를 사용
(3) 열전식 팽창밸브
팽창밸브 본체와 온도센서 및 전자제어부를 조립함으로써 과열도를 제어
(4) 정압식 자동팽창밸브
증발압력이 일정하게 되도록 냉매 유량을 조절(벨로우즈 이용 => 압력에 따라 팽창 정도가 변함.) (5) 플로트식 팽창밸브
액면의 위치에 따라 Float가 상하로 움직이면서 밸브를 개폐하는 형식
[참고 : 온도조절 팽창밸브(자동차용)]
팽창밸브는 증발기 입구에 설치되며, 리시버 드라이어로부터 유입되는 중온고압의 액냉매를 교축작용을 통하여 냉매를 저온저압 의 습포화증기 상태로 변화시키는 역할을 한다.
① 내부 균압식(Internal equalization type)
밸브의 교축팽창 직후의 냉매압력을 감지하는 형으로 증발기 전후의 압력강하를 보상할 수 없다.
주로 증발기 전후의 압력차가 적은 것에 적용하며, 경승용차에 이용된다.
[내부 균압식 앵글밸브] [외부균압식 앵글밸브] [팽창밸브의 구조]
[팽창밸브의 장착위치구조]
② 외부 균압식(External equalization type)
밸브 출구의 압력 및 온도를 감지하는 형으로 증발기 전후의 압력차를 보상 할 수 있어 증발기 전후의 압력차가 큰 것에 적용하며, 일반 승용차 에 이용된다.
③ 구조
팽창밸브는 본체, 다이어프램, 볼 밸브, 스프링, 감온통, 균압관 등으로 구성되며, 감온통은 증발기 출구측의 냉매온도를 감지, 이를 압력으로 변환하여 다이어프램 상부에 전달하며, 균압관은 냉매의 압력을 감지하 여 다이어프램 하단으로 전달, 이들 힘과 스프링 힘의 평형관계에 의해 냉매 유로의 개도를 조절
내부균압관
(냉매의 압력 감지) (증발기전후의
압력차가 큰 경우) 냉매가스 봉입
응축기출구 증발기출구
증발기
증발기출구 증발기입구
증발기출구온도 감지하여 압력으로 변함
[냉방부하에 따른 팽창밸브의 유량제어 기능 ]
④ 팽창밸브의 유량제어 기능
(유량증가, 과열도 3℃로 감소)
(유량적절, 과열도 5℃유지)
(유량감소, 과열도 10℃까지 증가)
습증기
⑤ 내부균압식 팽창밸브의 작동
ⓐ 안정된 제어 위치 (과열도 5℃ 경우)
과열도는 5℃, 볼 밸브의 위치가 평형상태에 있을 때 감온통 속에는 냉동사이클에 사용된 동일한 냉매가스가 봉입되어 있기 때문에 과열도만큼 온도가 상승하여 감온통내 의 압력을 다이어프램 상부실에 전달한다. 이 때,
ⓑ 부하가 증가된 경우 (과열도 10℃ 경우)
부하가 증가되어 과열도가 상승될 때 감온통은 온도를 감지하여 감온통 내의 압력이 상승한다. 그래서 증발압력과 스프링압력보다 크게 된다.
따라서 다이어프램은 아래로 눌러지게 되고, 볼 밸브가 점점 많이 열려 냉매유량을 증가시켜 과열도 상승을 방지함.
ⓒ 부하가 감소된 경우 (과열도 3℃ 경우)
부하가 감소되어 증발기 출구의 냉매온도가 내려가면 감온통내의 압력이 떨어져 다이어프램 상부실의 압력도 감소되어 증발압력과 스프링 압력의 합성력이 커진다.
따라서 다이어프램은 위쪽으로 눌러져서 볼 밸브가 점점 닫혀 냉매유량 이 감소되어 과열도를 적정치로 유지시킨다.
[안정된 제어위치] [부하가 증가된 경우] [부하가 감소된 경우]
온도 10℃에서 감온통 3.3ata인 경우 (과열도 5℃)
유량이 적어 과열도 10℃경우
압력 4.0ata V/V가 많이 열려 유량제어,
스프링압력 1.3ata
유량이 많아 과열도 3℃경우
압력 4.0ata V/V가 적게 열려 유량제어,
스프링압력 0.3ata
⑥ 외부균압식 팽창밸브의 작동 : 증발기 전후의 압력이 클 경우 적용
A점의 증발기온도 5℃(압력 약 2.7ata)로 하고, 증발기의 압력강하를 0.6ata로 하면, C 점의 압력은 2.1ata로 된다.
이 압력은 즉시 외부균압관에 의해 팽창밸브에 피드백되어 다이어프램 하부실에서는 증발기에서의 압력강하에 관계없이 증발기출구의 압력 2.1ata 를 감지한다.
따라서 스프링압력 0.6ata를 더한 2.7ata의 압력이 다이어프램 상부실에 가해진다면 좋을 것이다.
따라서 2.7ata 의 압력에서는 포화온도 5℃이므로 C점의 압력 2.1ata에서 포화온도 0℃를 5℃ 정도로 온도상승 시킴으로써 C점은 과열도 5℃가 유지된다.
[외부 균압식 팽창밸브의 작동 ]
현재 증발온도 5℃에서
압력 2.72.1ata (0.6ata 감소) 이때, 외부균압관 2.1ata, F/Back (다이어프램실) 감온통압력=0.6+2.1=2.7ata 즉, 외부균압관을 통해 압력강하가 일어난 만큼 보상한다.
