냉동 사이클에서 액봉현상(液封現象, Liquid Hammer)은 압축기의 가장 심각한 고장 원인 중 하나로, 압축기가 기체 상태의 냉매를 압축해야 하는 실린더 내부에 액체 상태의 냉매나 오일이 유입되어 발생하는 현상입니다. 압축기는 기체를 압축하도록 설계되어 있기 때문에, 비압축성인 액체가 실린더에 들어가게 되면 압축 행정 시 과도한 압축력이 발생하면서 기계적인 충격과 손상을 유발합니다. 이를 액압축(Liquid Compression)이라고도 합니다.
1. 액봉현상의 정의
액봉현상은 냉동 장치 운전 중 다양한 원인에 의해 액체 상태의 냉매 또는 과도한 오일이 압축기의 흡입측을 통해 실린더 내부로 유입되어, 피스톤(왕복동 압축기) 또는 로터(스크롤/스크류 압축기)가 액체를 압축하려 할 때 발생하는 매우 높은 충격 압력 및 그로 인한 기계적 손상 현상입니다. '땅땅'거리는 비정상적인 소음과 함께 압축기 내부 부품(밸브, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축 등)의 파손이나 심지어 압축기 본체의 손상까지 일으킬 수 있습니다.
2. 액봉현상의 발생 원인
액봉현상은 주로 액체 냉매가 압축기까지 도달하거나, 오일이 과도하게 축적되어 액체와 함께 압축기로 유입될 때 발생합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.
- 증발기에서의 액 냉매 환입 (Liquid Floodback):
- 과다한 냉매 충진: 시스템에 냉매량이 너무 많으면 증발기에서 모든 냉매가 증발하지 못하고 액체 상태로 흡입관을 통해 압축기로 돌아옵니다.
- 팽창 밸브의 부적절한 작동: 팽창 밸브(특히 TEV)의 과열도 설정이 너무 낮거나, 밸브가 고착되어 과도한 양의 액체 냉매를 증발기로 공급할 때 발생합니다. 전자식 팽창 밸브(EEV)의 제어 이상 시에도 발생 가능합니다.
- 증발기 부하 부족: 냉방 부하가 갑자기 줄거나(예: 실내 온도 도달), 증발기에 흐르는 공기량이 부족(예: 필터 막힘, 팬 고장)하여 증발기에서 충분한 열을 흡수하지 못해 냉매가 완전히 증발하지 못할 때 발생합니다.
- 낮은 증발 온도 운전: 너무 낮은 증발 온도에서 운전할 경우 냉매가 완전히 증발하는 데 어려움이 있을 수 있습니다.
- 흡입관 단열 불량 또는 부족한 흡입관 과열도: 흡입관으로 돌아오는 증기 냉매가 주변으로부터 충분한 열을 흡수하여 과열되지 못하고 액체 상태로 존재하거나 액적 상태로 포함될 때 발생합니다.
- 정지 중 냉매 이동 (Refrigerant Migration):
- 냉동 장치가 정지해 있는 동안, 시스템 내의 냉매가 가장 온도가 낮은 압축기의 크랭크케이스(Crankcase)로 이동하여 압축기 오일에 녹아들어갈 수 있습니다.
- 크랭크케이스 히터 미설치 또는 고장: 압축기 크랭크케이스 히터가 작동하지 않으면 정지 중 압축기가 시스템에서 가장 차가운 부분이 되어 냉매가 오일로 쉽게 이동하게 됩니다.
- 긴 정지 시간 후 기동: 장시간 정지 후 다시 압축기가 기동하면, 오일에 녹아있던 냉매의 압력이 갑자기 낮아져 격렬하게 끓어오르면서(Foaming) 오일과 냉매 혼합액 또는 순수 액체 냉매가 압축기 흡입구로 빨려 들어갑니다.
- 오일 관련 문제:
- 시스템 내 오일량이 과도하게 많거나, 오일 회수 불량(배관 설계 오류, 낮은 가스 속도 등)으로 증발기나 흡입관에 오일이 비정상적으로 많이 축적되었다가 압축기로 한꺼번에 환입될 때 발생합니다.
3. 액봉현상의 방지 대책
액봉현상은 압축기에 치명적인 손상을 입히므로, 설계, 설치, 운전, 유지보수 모든 단계에서 철저한 방지 대책을 적용해야 합니다.
- 설계 및 설치 단계:
- 액 분리기 (Liquid Accumulator) 설치: 압축기 흡입관 직전에 액 분리기를 설치하여 증발기에서 돌아오는 액체 냉매를 일시적으로 저장하고 증발시켜 기체 상태로만 압축기로 보내는 장치입니다. 액봉 방지의 가장 효과적인 물리적 장치 중 하나입니다.
- 크랭크케이스 히터 (Crankcase Heater) 설치: 압축기 정지 중에 크랭크케이스 온도를 시스템의 다른 부분보다 높게 유지하여 냉매가 압축기 오일로 이동하는 것을 방지합니다. 정지 중 항상 작동시켜야 합니다.
- 적절한 배관 설계 및 시공: 흡입관, 토출관, 액관 등의 배관 구경을 적정하게 선정하고, 오일 회수가 원활하도록 적절한 기울기(예: 흡입관은 압축기 방향으로 하향 구배), 트랩(Trap) 설치 등을 고려하여 시공합니다. 액체 냉매가 고이지 않도록 해야 합니다.
- 팽창 밸브 선정 및 설치: 시스템 용량 및 운전 조건에 적합한 종류와 용량의 팽창 밸브를 선정하고, 감온통을 흡입관에 정확하게 설치하여 적절한 과열도를 유지하도록 합니다.
- 흡입관 단열 강화: 흡입관을 충분히 단열하여 외기와의 열교환을 최소화하고 흡입 가스의 과열도를 확보합니다.
- 운전 및 유지보수 단계:
- 적정 냉매량 유지: 시스템에 필요한 적정량의 냉매만 충진하고 과다 충진을 피합니다.
- 팽창 밸브 상태 및 과열도 확인: 팽창 밸브가 정상적으로 작동하는지 주기적으로 점검하고, 압축기 흡입측에서의 과열도를 측정하여 적절한 범위(제조사 권장 값)를 유지하는지 확인합니다. 과열도가 너무 낮으면 액 백 가능성이 높습니다.
- 공조기 필터 및 코일 청소: 증발기에 흐르는 공기량을 충분하게 유지하기 위해 에어 필터를 주기적으로 교체/청소하고 코일의 오염 상태를 확인합니다.
- 급격한 부하 변동 완화: 가능하다면 시스템의 급격한 부하 변동을 피하고 점진적으로 부하를 조절합니다.
- 크랭크케이스 히터 작동 확인: 압축기 정지 중에 크랭크케이스 히터가 정상적으로 작동하는지 주기적으로 확인합니다.
- 정기적인 시스템 점검: 시스템 전체의 운전 상태(압력, 온도, 전류 등), 오일 상태, 누설 여부 등을 정기적으로 점검하고 관리합니다.
액봉현상은 압축기의 수명을 단축시키고 시스템 고장을 유발하는 매우 위험한 현상이므로, 위와 같은 방지 대책들을 종합적으로 적용하여 예방하는 것이 냉동 장치의 안정적인 운전과 수명 확보에 매우 중요합니다.
'건축기계설비기술사 > 131회' 카테고리의 다른 글
| 1-10. 엑서지(Exergy)에 대하여 개념, 효율, 응용방법을 설명하시오. (0) | 2025.05.01 |
|---|---|
| 1-9.공기냉각가열냉온수코일의 대수평균온도차(Logarithmic Mean Temperature Difference, LMTD)와 코일열수의 관계를 설명하시오. (0) | 2025.05.01 |
| 1-7. 휀(Fan)에서 발생 할 수 있는 맥동현상(Surging)의 원인과 방지대책에 대하여 설명하시오. (0) | 2025.05.01 |
| 1-6. 메트(Met)와 클로(Clo) 단위에 대하여 설명하시오. (0) | 2025.05.01 |
| 1-5. 다음 용어에 대하여 설명하시오.1) 선형열관류율(Linear Thermal Transmittance)2) 열교(Thermal Bridge) (0) | 2025.05.01 |