고압가스 안전관리법 시행령 제2조 고압가스 종류 및 범위에 따른 압축가스 및 냉동기 적용 사항 설명
고압가스 안전관리법 시행령 제2조에서는 고압가스의 종류와 범위를 정의하고 있으며, 그중 압축가스는 냉동기 냉매와 밀접한 관련이 있습니다.
1) 압축가스 압력 범위
고압가스 안전관리법 시행령 제2조에 따르면 압축가스는 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 가스를 말합니다.
가. 상용(常用)의 온도에서 압력(게이지압력을 말한다. 이하 같다)이 1메가파스칼 이상이 되는 압축가스로서 실제로 그 압력이
1메가파스칼 이상이 되는 것 또는 섭씨 35도의 온도에서 압력이 1메가파스칼 이상이 되는 압축가스(아세틸렌가스는 제외한다)
나. 섭씨 15도의 온도에서 압력이 0파스칼을 초과하는 아세틸렌가스
다. 상용의 온도에서 압력이 0.2메가파스칼 이상이 되는 액화가스로서 실제로 그 압력이 0.2메가파스칼 이상이 되는 것 또는
압력이 0.2메가파스칼이 되는 경우의 온도가 섭씨 35도 이하인 액화가스
라. 섭씨 35도의 온도에서 압력이 0파스칼을 초과하는 액화가스 중 액화시안화수소ㆍ액화브롬화메탄 및 액화산화에틸렌가스
2) 법정 냉동톤, 냉동톤, 냉각톤, 제빙톤
냉동 용량을 나타내는 다양한 톤(ton) 단위는 다음과 같이 정의되며, 각각 사용 맥락과 기준이 다릅니다.
- 법정 냉동톤 (법정 톤, RT(법정)): 대한민국 액화석유가스의 안전관리 및 사업법 시행규칙에서 정의하는 냉동 능력 단위입니다.
- 정의: 순수한 물 1톤(1,000 kg)을 24시간 동안 0℃에서 0℃의 얼음으로 만드는 데 필요한 열량을 1 법정 냉동톤으로 합니다.
- 열량 환산: 1 법정 냉동톤 = 3,320 kcal/h = 3.86 kW (약)
- 주요 특징:
- 법적 단위로, 국내 법규 및 기준에서 냉동 능력을 표기할 때 사용됩니다.
- 제빙 능력을 기준으로 정의되었으며, 실제 냉방 능력과는 차이가 있을 수 있습니다.
- 냉동기 용량, 냉방 면적 산정 등에 활용됩니다.
- 냉동톤 (RT): 일반적으로 냉동 공학 분야에서 널리 사용되는 냉동 능력 단위입니다. 미국의 표준 냉동톤을 기준으로 합니다.
- 정의: 순수한 물 1 US톤 (2,000 lb, 약 907 kg)을 24시간 동안 32℉(0℃)의 얼음으로 만드는 데 필요한 열량을 1 냉동톤으로 합니다.
- 열량 환산: 1 냉동톤 = 12,000 BTU/h = 3,024 kcal/h = 3.517 kW (약)
- 주요 특징:
- 국제적으로 통용되는 냉동 능력 단위입니다.
- 냉방 능력과 제빙 능력을 포괄적으로 나타냅니다.
- 냉동기 용량, 성능 지표 (COP, EER) 등에 널리 사용됩니다.
- 냉각톤 (냉방톤, Cooling Ton, CT): 냉방 설비의 냉방 능력을 나타내는 단위로, 냉동톤과 유사한 개념으로 사용되기도 합니다. 명확하게 구분되는 법적 또는 공학적 정의는 없지만, 일반적으로 냉방 설비의 용량을 나타낼 때 사용됩니다.
- 정의 (일반적): 1 냉동톤과 동일하게 3.517 kW 또는 3,024 kcal/h 로 사용되는 경우가 많습니다.
- 주요 특징:
- 냉방 설비, 공기조화 설비 용량 표기에 사용됩니다.
- 냉동톤과 혼용되어 사용되는 경우가 많으므로, 단위 사용 시 혼동에 주의해야 합니다.
- 간혹, 냉방 설비 업계에서 자체적으로 다른 기준으로 냉각톤을 정의하는 경우도 있습니다.
- 제빙톤 (Ice Ton): 제빙 능력만을 특화하여 나타내는 단위입니다.
- 정의: 순수한 물 1톤을 24시간 동안 특정 조건에서 얼음으로 만드는 능력을 1 제빙톤으로 합니다. (조건은 제빙 방식, 환경 등에 따라 달라질 수 있습니다.)
- 주요 특징:
- 제빙 설비, 아이스링크 설비 등 제빙 능력 평가에 사용됩니다.
- 법정 냉동톤과 유사하게 제빙 능력을 기준으로 하지만, 기준 조건이 다를 수 있습니다.
- 일반적인 냉방 능력과는 직접적인 연관성이 낮습니다.
냉동기 설계 및 선정 시 고려 사항:
- 용도 및 목적: 냉방, 냉장, 제빙 등 냉동 시스템의 용도에 따라 적절한 냉동톤 단위를 선택해야 합니다. 냉방 목적이라면 냉동톤 (RT) 또는 냉각톤 (CT) 을, 제빙 목적이라면 법정 냉동톤 (RT(법정)) 또는 제빙톤 (Ice Ton) 을 사용하는 것이 적절합니다.
- 단위 통일: 설계 도서, 장비 사양서, 성능 계산 결과 등에서 사용하는 냉동톤 단위를 명확히 통일하여 혼란을 방지해야 합니다.
- 법규 및 기준: 국내 법규 (액화석유가스의 안전관리 및 사업법 등) 를 준수해야 하는 경우 법정 냉동톤 (RT(법정)) 단위를 사용해야 합니다.
- 제조사 정보: 냉동기 제조사에서 제공하는 용량 단위 (RT, kW 등) 를 확인하고, 필요한 단위로 환산하여 사용해야 합니다.
요약:
단위
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정의
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열량 환산 (약)
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주요 사용처
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법정 냉동톤 (RT(법정))
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물 1톤, 24시간, 0℃ → 0℃ 얼음
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3,320 kcal/h, 3.86 kW
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국내 법규, 냉동 용량 표기
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냉동톤 (RT)
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물 1 US톤, 24시간, 32℉ → 32℉ 얼음
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3,024 kcal/h, 3.517 kW
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국제 표준, 냉동 공학, 성능 지표
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냉각톤 (CT)
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냉방 능력 단위 (일반적으로 냉동톤과 동일하게 사용)
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3,024 kcal/h, 3.517 kW
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냉방 설비 용량 표기, 냉동톤과 혼용
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제빙톤 (Ice Ton)
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제빙 능력 단위 (조건에 따라 정의 달라짐)
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조건에 따라 다름
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제빙 설비, 아이스링크 설비 용량 평가
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3) 기준 냉동사이클의 목적
기준 냉동사이클은 증기압축식 냉동사이클의 이상적인 성능을 나타내는 이론적인 모델입니다. 실제 냉동 시스템 설계 및 분석의 기준으로 활용되며, 다음과 같은 주요 목적을 가집니다.
- 이상적인 성능 기준 제시: 기준 냉동사이클 (예: 카르노 냉동사이클, 이상적인 증기압축 냉동사이클) 은 현실적으로 구현 불가능하지만, 냉동 시스템이 최대로 досягать 수 있는 성능의 한계를 제시합니다.
- 실제 사이클 성능 비교 및 평가: 실제 냉동 시스템의 성능을 기준 냉동사이클 성능과 비교하여 시스템 효율을 평가하고, 개선 가능성을 파악할 수 있습니다. 성능 비교를 통해 비효율적인 요소 (압력 손실, 과열/과냉각 부족 등) 를 찾아내고 개선 방향을 설정할 수 있습니다.
- 사이클 구성 요소 성능 분석: 기준 냉동사이클 분석을 통해 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기 등 각 구성 요소의 이상적인 작동 조건 및 성능 목표를 설정할 수 있습니다. 실제 구성 요소 성능이 이상적인 성능에 얼마나 근접하는지 평가하여 요소별 성능 개선을 유도할 수 있습니다.
- 냉매 성능 비교 및 선정 기준: 기준 냉동사이클을 이용하여 다양한 냉매에 대한 이론적인 냉동 성능 (COP, 냉동 능력) 을 비교 분석하고, 특정 시스템에 최적의 냉매를 선정하는 데 활용할 수 있습니다. 냉매의 열역학적 특성 (임계 온도, 임계 압력, 증발 잠열, 비열 등) 이 냉동 성능에 미치는 영향을 파악하고, 냉매 선정 시 고려해야 할 사항들을 제시합니다.
- 시스템 설계 및 운전 최적화 방향 제시: 기준 냉동사이클 분석 결과는 실제 냉동 시스템 설계 및 운전 최적화 방향을 제시합니다. 예를 들어, 카르노 사이클 분석을 통해 냉각 효율을 최대화하기 위해서는 응축 온도와 증발 온도 차이를 최소화해야 한다는 것을 알 수 있으며, 이를 바탕으로 실제 시스템 운전 조건을 최적화할 수 있습니다.
- 학습 및 교육 자료: 냉동 공학 학습 및 교육 과정에서 기준 냉동사이클은 기본 원리 이해 및 성능 분석 능력 함양을 위한 중요한 자료로 활용됩니다.
주요 기준 냉동사이클 종류:
- 카르노 냉동사이클 (Carnot Refrigeration Cycle):
- 가역 과정으로만 구성된 열역학적으로 가장 이상적인 사이클입니다.
- 동일한 온도 조건에서 최고의 COP를 제공하지만, 실제 시스템으로는 구현 불가능합니다.
- 이상적인 성능 한계를 제시하고, 다른 실제 사이클 성능 비교의 기준으로 활용됩니다.
- 이상적인 증기압축 냉동사이클 (Ideal Vapor-Compression Refrigeration Cycle):
- 실제 증기압축식 냉동사이클을 이상화한 모델입니다.
- 카르노 사이클보다는 비효율적이지만, 실제 시스템에 더욱 현실적인 기준을 제시합니다.
- 등엔트로피 압축, 등압 응축, 등엔탈피 팽창, 등압 증발 과정으로 구성됩니다.
요약:
- 목적: 이상적인 성능 기준 제시, 실제 시스템 성능 평가, 사이클 구성 요소 성능 분석, 냉매 성능 비교, 시스템 설계 및 운전 최적화 방향 제시, 교육 자료 활용
- 주요 종류: 카르노 냉동사이클, 이상적인 증기압축 냉동사이클
- 활용: 냉동 시스템 설계, 성능 분석, 냉매 선정, 에너지 절약 방안 연구 등
4) 냉매 몰리에르 선도(p-h)의 구성
냉매 몰리에르 선도 (p-h 선도, 압력-엔탈피 선도) 는 냉동 시스템 설계 및 분석에 널리 사용되는 열역학 선도입니다. 냉매의 상태 변화 과정을 시각적으로 나타내어 냉동 사이클 분석, 성능 계산, 시스템 진단 등에 유용하게 활용됩니다.
주요 구성 요소:

- y축: 압력 (Pressure, p, Log scale)
- 냉매의 압력을 나타내며, 일반적으로 로그 스케일로 표시됩니다.
- 로그 스케일을 사용하는 이유는 넓은 압력 범위를 효과적으로 표현하고, 증기압축 사이클 분석 시 압력 변화를 쉽게 파악하기 위함입니다.
- 단위는 Pa, kPa, MPa, bar, psia, psig 등이 사용됩니다.
- x축: 엔탈피 (Enthalpy, h, Linear scale)
- 냉매의 엔탈피 (열 함량) 를 나타내며, 선형 스케일로 표시됩니다.
- 엔탈피는 냉동 사이클 과정에서의 에너지 변화를 나타내는 중요한 물성치입니다.
- 단위는 J/kg, kJ/kg, BTU/lb, kcal/kg 등이 사용됩니다.
- 포화 증기선 (Saturated Vapor Line) 및 포화 액체선 (Saturated Liquid Line)
- 포화 증기선: 건조 포화 증기 상태를 나타내는 선입니다. 선의 오른쪽 영역은 과열 증기, 왼쪽 영역은 습증기 상태를 나타냅니다.
- 포화 액체선: 포화 액체 상태를 나타내는 선입니다. 선의 왼쪽 영역은 과냉각 액체, 오른쪽 영역은 습증기 상태를 나타냅니다.
- 두 선은 임계점 (Critical Point, CP) 에서 만나며, 임계점 이상에서는 액체와 증기 상태 구분이 없어집니다.
- 포화 증기선과 포화 액체선 사이 영역은 습증기 영역 (Two-phase region) 으로, 액체와 증기가 공존하는 상태를 나타냅니다. 증발 및 응축 과정은 습증기 영역에서 등압 등온 과정으로 진행됩니다.
- 등온선 (Isotherm Lines)
- 온도가 일정한 상태를 연결한 선입니다.
- 습증기 영역에서는 등압선과 일치하는 수평선으로 나타납니다. (등압 등온 과정)
- 과열 증기 및 과냉각 액체 영역에서는 곡선 형태로 나타납니다.
- 등엔트로피선 (Isentropic Lines)
- 엔트로피가 일정한 상태를 연결한 선입니다.
- 압축 과정 (이상적인 경우 등엔트로피 압축) 을 분석할 때 사용됩니다.
- 오른쪽 아래 방향으로 경사진 곡선 형태로 나타납니다.
- 등엔탈피선 (Isoenthalpic Lines)
- 엔탈피가 일정한 상태를 연결한 선입니다.
- 팽창 과정 (팽창 밸브를 통한 단열 팽창은 등엔탈피 과정으로 가정) 을 분석할 때 사용됩니다.
- 수직선 형태로 나타납니다.
- 등비체적선 (Isochoric Lines 또는 Constant Volume Lines)
- 비체적 (단위 질량당 부피) 이 일정한 상태를 연결한 선입니다.
- 냉매의 밀도 변화를 파악하는 데 사용됩니다.
- 오른쪽 아래 방향으로 경사진 곡선 형태로 나타납니다.
- 건도선 (Quality Lines 또는 Constant Dryness Fraction Lines)
- 습증기 영역 내에서 건도 (증기의 질량 분율) 가 일정한 상태를 연결한 선입니다.
- 건도는 습증기 상태의 냉매가 얼마나 건조 증기에 가까운지를 나타내는 값으로, 0 (포화 액체) 에서 1 (포화 증기) 사이의 값을 가집니다.
- 습증기 영역 내에서 포화 액체선에서 포화 증기선으로 향하는 곡선 형태로 나타납니다.
몰리에르 선도 활용:
- 냉동 사이클 분석: 냉동 사이클 각 과정 (압축, 응축, 팽창, 증발) 을 몰리에르 선도 상에 도시하여 사이클의 열역학적 변화를 시각적으로 분석하고, 각 과정별 엔탈피 변화량, 냉동 효과, 압축 일 등을 계산할 수 있습니다.
- 냉매 상태 변화 파악: 특정 압력 및 엔탈피 조건에서의 냉매 상태 (액체, 습증기, 증기, 과냉각, 과열) 를 선도를 통해 쉽게 파악할 수 있습니다.
- 성능 계산: 냉동 능력 (Refrigerating Effect), 압축 일 (Compressor Work), 응축기 방열량 (Heat Rejection), COP (Coefficient of Performance) 등 냉동 시스템 성능 지표를 몰리에르 선도를 이용하여 간편하게 계산할 수 있습니다.
- 시스템 진단: 실제 시스템 운전 데이터를 몰리에르 선도에 도시하여 이상 운전 상태 (과열 부족, 과냉각 부족, 압력 강하 과다 등) 를 진단하고 문제점을 파악할 수 있습니다.
- 냉매 선정: 다양한 냉매의 몰리에르 선도를 비교 분석하여 특정 시스템에 적합한 냉매를 선정하는 데 활용할 수 있습니다.
요약:
- 구성 요소: 압력(y축, Log scale), 엔탈피(x축, Linear scale), 포화 증기선, 포화 액체선, 등온선, 등엔트로피선, 등엔탈피선, 등비체적선, 건도선
- 활용: 냉동 사이클 분석, 냉매 상태 변화 파악, 성능 계산, 시스템 진단, 냉매 선정
5) 냉매 압축기 종류, 사용 냉매 종류 및 냉동기 선정 기준
가) 냉매 압축기 종류:
냉동 시스템에 사용되는 압축기는 작동 원리 및 구조에 따라 다양하게 분류됩니다. 주요 냉매 압축기 종류는 다음과 같습니다.
- 왕복동 압축기 (Reciprocating Compressor):
- 작동 원리: 피스톤의 왕복 운동을 통해 냉매 증기를 압축하는 방식입니다.
- 특징:
- 소형~중형 냉동 시스템에 널리 사용됩니다.
- 압축비가 높고, 부분 부하 운전에 비교적 유리합니다.
- 구조가 복잡하고, 진동 및 소음이 상대적으로 클 수 있습니다.
- 대표적인 냉매: R22, R134a, R404A, R407C 등
- 종류: 밀폐형, 반밀폐형, 개방형
- 회전식 압축기 (Rotary Compressor):
- 작동 원리: 회전 운동하는 로터(Rotor) 또는 스크롤(Scroll) 등을 이용하여 냉매 증기를 압축하는 방식입니다.
- 특징:
- 소형~중형 냉동 시스템에 사용됩니다.
- 왕복동 압축기보다 구조가 간단하고, 진동 및 소음이 적습니다.
- 종류:
- 스크롤 압축기 (Scroll Compressor): 고정 스크롤과 선회 스크롤의 상대 운동으로 냉매를 압축합니다. 효율이 높고, 소음이 적어 가정용 에어컨, 중소형 냉방 시스템에 널리 사용됩니다.
- 로터리 압축기 (Rotary Compressor): 피스톤 대신 로터의 회전 운동을 이용하여 냉매를 압축합니다. 소형 냉장고, 에어컨 등에 사용됩니다.
- 스크류 압축기 (Screw Compressor):
- 작동 원리: 수나사와 암나사 모양의 두 개 로터가 회전하면서 냉매 증기를 압축하는 방식입니다.
- 특징:
- 중형~대형 냉동 시스템에 사용됩니다.
- 고압축비 운전, 대용량 운전에 유리하며, 연속적인 토출 특성을 가집니다.
- 진동 및 소음이 비교적 적고, 신뢰성이 높습니다.
- 종류: 단단 스크류 압축기, 2단 스크류 압축기
- 원심 압축기 (Centrifugal Compressor):
- 작동 원리: 임펠러(Impeller) 의 회전 운동을 이용하여 냉매 증기에 원심력을 가하여 압축하는 방식입니다.
- 특징:
- 대형 냉동 시스템 (터보 냉동기) 에 주로 사용됩니다.
- 대풍량, 저압축비 운전에 유리하며, 효율이 매우 높습니다.
- 진동 및 소음이 적고, 대용량 시스템에 적합합니다.
- 대표적인 냉매: R134a, R1233zd(E), R1234ze(E) 등
나) 사용 냉매 종류:
냉매는 냉동 시스템의 핵심 작동 유체로서, 냉매 종류에 따라 냉동 시스템의 성능, 효율, 안전성, 환경 영향 등이 크게 달라집니다. 냉동기에 사용되는 주요 냉매 종류는 다음과 같습니다. (최근에는 환경 규제 강화로 인해 자연 냉매 및 저GWP 냉매 적용이 확대되는 추세입니다.)
- HCFC 냉매 (Hydrochlorofluorocarbons): R22 (단종 예정), R123 등 (오존층 파괴 지수 (ODP) 높음, 지구 온난화 지수 (GWP) 중간)
- HFC 냉매 (Hydrofluorocarbons): R134a, R404A, R407C, R410A 등 (ODP = 0, GWP 높음 ~ 매우 높음)
- HFO 냉매 (Hydrofluoroolefins): R1234yf, R1234ze(E), R1233zd(E) 등 (ODP = 0, GWP 매우 낮음)
- HC 냉매 (Hydrocarbons): R290 (프로판), R600a (이소부탄) 등 (ODP = 0, GWP 매우 낮음, 가연성)
- 자연 냉매: CO2 (R744), 암모니아 (R717), 물 (R718), 공기 (R729) 등 (ODP = 0, GWP 매우 낮음 ~ 0, CO2, 암모니아 독성/가연성, 물, 공기 안전)
다) 냉동기 선정 기준:
냉동기 선정 시에는 다음과 같은 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.
- 냉동 용량: 필요한 냉방 부하 또는 제빙 부하를 충족하는 용량의 냉동기를 선정해야 합니다. 부하 계산 결과, 냉방 면적, 냉방 대상, 운전 조건 등을 고려하여 적절한 용량을 결정해야 합니다.
- 냉매 종류: 시스템의 운전 조건 (증발 온도, 응축 온도), 안전성, 환경 규제, 에너지 효율, 비용 등을 고려하여 최적의 냉매를 선정해야 합니다. 최근에는 환경 규제를 고려하여 저GWP 냉매 또는 자연 냉매 적용을 우선적으로 검토하는 추세입니다.
- 압축기 종류: 냉동 용량, 운전 조건, 에너지 효율, 소음, 진동, 유지 보수 편의성, 초기 투자비 등을 고려하여 압축기 종류를 선정해야 합니다. 소형 시스템에는 왕복동 또는 회전식, 중대형 시스템에는 스크류 또는 원심 압축기가 주로 사용됩니다.
- 에너지 효율: 에너지 절감 및 운전비 절감을 위해 고효율 냉동기 (높은 COP/EER) 를 선정해야 합니다. 부분 부하 효율, 인버터 제어, 폐열 회수 기능 등을 고려하여 시스템 전체 에너지 효율을 최적화해야 합니다.
- 소음 및 진동: 소음 기준 및 진동 허용 기준을 만족하는 저소음, 저진동 냉동기를 선정해야 합니다. 특히 쾌적한 환경이 요구되는 병원, 사무실, 주거 시설 등에서는 소음 및 진동 특성을 중요하게 고려해야 합니다.
- 안전성: 가연성, 독성 냉매를 사용하는 경우 안전 설비 및 안전 관리 대책을 충분히 확보하고, 안전 관련 법규 및 기준을 준수해야 합니다.
- 유지 보수 편의성: 유지 보수 점검 용이성, 부품 수급 용이성, 내구성, 신뢰성 등을 고려하여 유지 보수가 용이한 냉동기를 선정해야 합니다. 유지 보수 비용 및 수명 주기 비용 (LCC) 을 절감할 수 있습니다.
- 초기 투자비 및 운전 비용: 초기 투자비, 에너지 비용, 유지 보수 비용 등을 종합적으로 고려하여 경제성을 평가하고, 투자 회수 기간 (Payback Period) 등을 분석하여 합리적인 가격의 냉동기를 선정해야 합니다.
- 설치 공간 및 조건: 냉동기 설치 공간 제약, 설치 환경 (옥내/옥외, 기후 조건 등), 건물 구조 등을 고려하여 적합한 크기, 형태, 설치 방식의 냉동기를 선정해야 합니다.
- 제어 기능 및 편의성: 자동 제어 기능, 원격 감시 제어 기능, 운전 데이터 관리 기능 등 제어 시스템 기능 및 사용자 편의성을 고려하여 운전 관리 효율성을 높일 수 있는 냉동기를 선정해야 합니다.
- 제조사 신뢰도 및 기술 지원: 제조사의 기술력, 품질 보증, A/S 서비스, 부품 공급 안정성, 기술 지원 능력 등을 종합적으로 평가하여 신뢰할 수 있는 제조사의 제품을 선정해야 합니다.
요약:
- 냉매 압축기 종류: 왕복동, 회전식 (스크롤, 로터리), 스크류, 원심 압축기
- 사용 냉매 종류: HCFC, HFC, HFO, HC, 자연 냉매 (환경 규제 및 저GWP 냉매 추세)
- 냉동기 선정 기준: 냉동 용량, 냉매 종류, 압축기 종류, 에너지 효율, 소음/진동, 안전성, 유지 보수, 경제성, 설치 공간, 제어 기능, 제조사 신뢰도 등
결론적으로, 냉동기에 적용되는 압축가스는 고압가스 안전관리법의 적용을 받으며, 안전 관리에 유의해야 합니다. 냉동 시스템 설계 및 선정 시에는 냉동 용량, 효율, 안전성, 환경 영향, 경제성 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 최적의 시스템을 구축하는 것이 중요합니다. 습공기 선도, 몰리에르 선도 등 열역학 선도를 활용하여 냉동 사이클 분석 및 성능 예측을 수행하고, 적절한 냉동톤 단위 및 기준 냉동사이클 개념을 이해하는 것은 효율적인 냉동 시스템 설계 및 운영에 필수적인 요소입니다.