증기압축식 냉동사이클 증발기에 대한 설명
증기압축식 냉동사이클에서 증발기는 냉동 효과를 발생시키는 핵심 기기입니다. 액체 냉매가 증발하면서 주변으로부터 열을 흡수하여 냉각 작용을 수행하며, 건물의 냉방이나 냉장 시설 등에 활용됩니다.
1) 증발기 전열관 내의 냉매 온도와 압력분포 및 냉매 유량 변화 시 영향
가) 증발기 전열관 내 냉매 온도 및 압력 분포 (단일 성분 냉매 기준)
위 그림은 일반적인 건식 증발기 전열관 내에서 단일 성분 냉매의 이상적인 온도 및 압력 분포를 나타냅니다.
- 압력 분포 (Pressure Profile):
- 이상적인 경우, 증발기 내 압력은 일정하게 유지됩니다. 이는 증발 과정이 등압 과정으로 가정되기 때문입니다.
- 실제 시스템에서는 유동 마찰 등으로 인해 증발기 입구에서 출구로 갈수록 압력이 약간 감소하는 압력 강하(Pressure Drop)가 발생합니다. 하지만 일반적으로 증발기 압력 강하는 매우 작으므로, 이상적인 경우 압력은 일정하다고 가정할 수 있습니다.
- 따라서 위 그림에서 압력선은 수평으로 나타내어 증발기 전 구간에서 압력이 거의 일정함을 보여줍니다.
- 온도 분포 (Temperature Profile):
- 증발 구간 (Evaporation Zone): 증발기 입구에서 냉매는 액체 상태로 유입되어 점차 증발하기 시작합니다. 단일 성분 냉매의 경우, 증발 과정은 등온 과정이므로 증발 구간에서는 냉매 온도가 일정하게 유지됩니다. 이 온도는 증발기 압력에 해당하는 포화 온도입니다.
- 과열 구간 (Superheat Zone, 건식 증발기): 건식 증발기의 경우, 액체 냉매가 완전히 증발된 후에도 추가적으로 열을 흡수하여 냉매 온도가 상승하는 과열 구간을 포함합니다. 과열 구간에서는 냉매가 과열 증기 상태로 존재하며, 온도는 점차 상승합니다. 과열도는 압축기로 액백(Liquid Slug) 현상을 방지하고 시스템 효율을 높이기 위해 적절하게 제어됩니다.
- 위 그림에서 온도선은 증발 구간에서 수평으로 유지되다가 과열 구간에서 상승하는 형태로 나타내어 이러한 온도 변화를 보여줍니다.
나) 냉매 유량 변화 시 온도 및 압력 변화
단일 성분 냉매를 사용하는 증발기에서 냉매 유량이 변화할 때, 온도와 압력은 다음과 같이 변화할 수 있습니다. (단, 다른 조건들은 일정하다고 가정합니다.)
- 냉매 유량 감소 시:
- 온도 변화:
- 냉매 온도: 증발기 압력이 일정하게 유지된다면, 냉매의 증발 온도(포화 온도)는 변화하지 않습니다. 단일 성분 냉매의 증발 온도는 압력에 의해 결정되기 때문입니다.
- 출구 냉매 과열도: 냉매 유량이 감소하면, 동일한 열부하를 흡수하기 위해 증발기 출구 냉매의 과열도가 증가할 수 있습니다. 증발기 내 냉매 체류 시간이 길어져 더 많은 현열을 흡수할 가능성이 높아지기 때문입니다. 하지만 과열도 제어 시스템이 작동하는 경우 과열도는 일정하게 유지될 수 있습니다.
- 냉방 대상 온도: 냉매 유량이 감소하면, 증발기에서 냉각 용량이 감소하므로, 냉방 대상 공간의 온도는 상승할 수 있습니다.
- 압력 변화:
- 증발기 압력: 냉매 유량 감소는 압축기의 흡입 압력 감소로 이어질 수 있으며, 증발기 압력도 약간 감소할 수 있습니다. 하지만 시스템 제어 방식에 따라 증발기 압력을 일정하게 유지하도록 제어할 수도 있습니다.
- 압축기 흡입 압력: 냉매 유량 감소는 압축기로 유입되는 냉매 증기량 감소를 의미하므로, 압축기 흡입 압력은 감소합니다.
- 냉매 유량 증가 시:
- 온도 변화:
- 냉매 온도: 증발기 압력이 일정하게 유지된다면, 냉매의 증발 온도(포화 온도)는 변화하지 않습니다.
- 출구 냉매 과열도: 냉매 유량이 증가하면, 동일한 열부하에서 증발기 출구 냉매의 과열도는 감소할 수 있습니다. 증발기 내 냉매 체류 시간이 짧아져 현열 흡수량이 줄어들 수 있기 때문입니다. 하지만 과열도 제어 시스템이 작동하는 경우 과열도는 일정하게 유지될 수 있습니다.
- 냉방 대상 온도: 냉매 유량이 증가하면, 증발기에서 냉각 용량이 증가하므로, 냉방 대상 공간의 온도는 하강할 수 있습니다.
- 압력 변화:
- 증발기 압력: 냉매 유량 증가는 압축기의 흡입 압력 증가로 이어질 수 있으며, 증발기 압력도 약간 증가할 수 있습니다. 하지만 시스템 제어 방식에 따라 증발기 압력을 일정하게 유지하도록 제어할 수도 있습니다.
- 압축기 흡입 압력: 냉매 유량 증가는 압축기로 유입되는 냉매 증기량 증가를 의미하므로, 압축기 흡입 압력은 증가합니다.
주의 사항:
- 위의 설명은 이상적인 조건 하에서 단일 성분 냉매를 기준으로 한 것입니다. 실제 시스템에서는 냉매의 종류, 증발기 형식, 부하 변동, 제어 방식 등 다양한 요인에 따라 온도 및 압력 변화 양상이 달라질 수 있습니다.
- 냉매 유량 변화는 증발기 성능뿐만 아니라 압축기, 응축기, 팽창 밸브 등 냉동사이클 전체 성능에 영향을 미치므로, 시스템 전체 관점에서 분석해야 합니다.
- 과열도 제어 시스템은 증발기 출구 냉매 과열도를 일정하게 유지하여 압축기 보호 및 시스템 효율을 최적화하는 중요한 역할을 합니다.
2) 건식 증발기의 종류 3가지
건식 증발기(Dry Evaporator)는 증발기 출구에서 냉매가 과열 증기 상태가 되도록 설계된 증발기를 의미합니다. 액체 냉매가 전열관 내부를 흐르고, 외부 공기 또는 냉각 매체가 전열관 외부를 흐르면서 열교환이 이루어집니다. 건식 증발기는 액체 냉매가 완전히 증발되도록 설계되어 압축기로 액백 현상을 방지하고 시스템 안정성을 높이는 장점이 있습니다.
주요 건식 증발기 종류 3가지는 다음과 같습니다.
① 휜-관 코일 증발기 (Finned-Tube Coil Evaporator):
- 구조: 금속 튜브 외부에 열전달 면적을 넓히기 위한 휜(Fin)을 부착한 형태입니다. 냉매는 튜브 내부를 흐르고, 공기가 휜 사이를 통과하면서 열교환이 이루어집니다.
- 특징:
- 가장 널리 사용되는 일반적인 형태의 증발기입니다.
- 제작이 용이하고 가격이 저렴합니다.
- 공기 냉각식 공조기(AHU), 팬코일 유닛(FCU) 등에 주로 사용됩니다.
- 휜의 재질, 간격, 배열 방식 등에 따라 성능이 달라집니다.
② 핀-플레이트 증발기 (Fin-Plate Evaporator):
- 구조: 얇은 금속판(Plate) 사이에 냉매가 흐르는 통로를 형성하고, 금속판 표면에 휜을 부착한 형태입니다. 냉매는 금속판 내부 통로를 흐르고, 공기가 휜 사이를 통과하면서 열교환이 이루어집니다.
- 특징:
- 휜-관 코일 증발기보다 열전달 면적을 넓게 확보할 수 있어 소형화, 고성능화에 유리합니다.
- 냉매 회로 구성 및 분배가 용이하여 균일한 증발을 유도할 수 있습니다.
- 가정용 냉장고, 쇼케이스, 소형 냉동기 등에 주로 사용됩니다.
③ 쉘-앤-튜브 증발기 (Shell-and-Tube Evaporator, 건식):
- 구조: 쉘(Shell)이라는 용기 내부에 다수의 전열관(Tube)을 U자형 또는 직선형으로 배치한 형태입니다. 냉매는 전열관 내부를 흐르고, 냉각 대상 매체 (공기, 물 등) 가 쉘 내부를 흐르면서 전열관 외부와 열교환이 이루어집니다. 건식 쉘-앤-튜브 증발기는 냉매가 전열관 내부에서 완전히 증발하도록 설계됩니다.
- 특징:
- 주로 대용량 냉동 시스템에 사용됩니다.
- 열교환 면적을 크게 확보할 수 있어 높은 냉각 용량을 얻을 수 있습니다.
- 내압 성능이 우수하여 고압 냉매 시스템에 적합합니다.
- 냉각 매체로 공기 또는 물을 사용할 수 있습니다.
- 건식 외에 만액식(Flooded type) 쉘-앤-튜브 증발기도 존재하며, 이는 증발기 내 냉매 액면을 유지하며 액상 냉매를 직접 증발시키는 방식입니다. (만액식은 일반적으로 건식 증발기로 분류하지 않습니다.)
참고:
- 위에서 설명한 3가지 종류 외에도 다양한 형태의 건식 증발기가 존재합니다. 증발기 종류 선정은 냉동 시스템의 용량, 용도, 냉매 종류, 설치 공간, 비용 등을 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다.
- 건식 증발기는 액체 냉매가 완전히 증발되도록 설계되어 압축기 액백 현상을 방지하는 장점이 있지만, 만액식 증발기에 비해 열전달 성능이 다소 낮을 수 있습니다.
결론적으로, 증발기는 증기압축식 냉동사이클의 핵심 부품이며, 효율적인 냉동 시스템 설계를 위해서는 증발기의 작동 원리, 특성, 종류에 대한 충분한 이해가 필요합니다. 특히 TAB 업무 및 성능 점검, 진단 시 습공기 선도와 함께 증발기 성능 분석은 시스템 문제점을 파악하고 개선 방안을 도출하는 데 중요한 역할을 합니다.