3-3. 냉동 사이클(Cycle)에서의 플래시 가스(Flash Gas)에 대하여 설명하시오. 1) 발생원인 2) 영향 3) 방지대책

냉동 사이클에서 플래시 가스(Flash Gas)는 응축기에서 나온 액체 냉매가 팽창 밸브를 통과하기 전 또는 통과하는 과정에서 증발기에서 열을 흡수하여 냉각 효과를 내기 전에 미리 증발하여 기체 상태가 된 냉매를 의미합니다. 이는 특히 액관이나 팽창 밸브 내부에서 발생하며, 시스템 효율을 저하시키는 주요 원인 중 하나입니다.

 

1) 발생 원인

플래시 가스가 발생하는 주된 원인은 다음과 같습니다.

• 압력 강하 (Pressure Drop): 액체 냉매가 팽창 밸브를 통과하면서 압력이 응축 압력에서 증발 압력으로 급격히 떨어집니다. 이때 액체 냉매가 이미 증발 온도보다 약간 높은 온도를 가지고 있거나, 압력 강하로 인해 해당 압력에서의 포화 온도 이하로 떨어지면, 액체 냉매의 일부가 스스로 증발하면서 남은 액체의 온도를 낮추게 됩니다. 이 과정에서 발생하는 증기가 플래시 가스입니다. (가장 기본적인 발생 원인)
• 액관에서의 열 취득 (Heat Gain in Liquid Line): 응축기에서 나온 과냉각된 액체 냉매가 팽창 밸브까지 이동하는 액관 경로에서 주변의 뜨거운 공기나 열원(예: 고온의 토출 가스 배관)으로부터 열을 흡수하여 온도가 상승할 때 발생합니다. 액체 냉매의 온도가 해당 액관 압력에서의 포화 온도 이상으로 올라가면 플래싱(Flashing)이 시작됩니다. 액관 단열 불량이 주요 원인입니다.
• 액관에서의 과도한 압력 손실: 액관 구경이 너무 작거나, 배관의 굴곡이 심하거나, 필터 드라이어 등이 막혀 유량 흐름 저항이 커지면 액관 내부에서 상당한 압력 강하가 발생합니다. 이 압력 강하가 크면 냉매의 포화 온도가 낮아져 플래시 가스가 생성될 수 있습니다.
• 액관의 수직 상승: 액관이 수직으로 상승하는 구간에서는 높이에 따른 정압 손실이 발생합니다. 이 압력 손실이 크면 냉매의 포화 온도가 낮아져 플래시 가스를 유발할 수 있습니다.
• 불충분한 과냉각: 응축기에서 냉매가 충분히 과냉각(Subcooling)되지 못하고 포화액 상태 또는 과냉각도가 낮은 상태로 나올 때, 액관에서의 약간의 열 취득이나 압력 강하에도 쉽게 플래싱이 발생합니다.

2) 영향

플래시 가스는 냉동 사이클의 성능과 효율에 다음과 같은 부정적인 영향을 미칩니다.

• 냉동 용량 감소: 플래시 가스는 이미 기체 상태이므로 증발기에서 액체에서 기체로 상변화하며 잠열을 흡수하는 냉각 효과를 내지 못합니다. 증발기 용량은 액체 냉매가 증발하는 양에 비례하는데, 플래시 가스가 증발기 공간을 차지함으로써 실제로 증발하는 액체 냉매의 양이 줄어들어 냉동 용량이 감소합니다.
• 시스템 효율 저하: 동일한 냉방 부하를 처리하기 위해 압축기가 더 많은 일을 해야 하거나, 더 오랫동안 운전해야 하므로 시스템의 성능 계수(COP)가 낮아져 에너지 소비가 증가합니다.
• 증발기 효율 저하: 증발기는 액체 냉매가 효율적으로 증발하도록 설계되어 있습니다. 플래시 가스의 유입은 증발기 내에서의 액체/기체 혼합 상태를 불안정하게 만들고 유량 분포를 불균일하게 하여 증발기의 열교환 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.
• 팽창 밸브 운전 불안정: 특히 감온식 팽창 밸브(TEV)는 증발기 출구에서의 과열도를 기준으로 냉매 유량을 조절합니다. 플래시 가스가 많으면 증발기 내부 상태가 불안정해져 팽창 밸브가 정확한 과열도를 제어하는 데 어려움을 겪고 오작동하거나 맥동할 수 있습니다.
• 흡입관 압력 손실 증가: 플래시 가스는 액체보다 훨씬 큰 부피를 차지하므로, 동일한 질량의 냉매가 이동하더라도 체적 유량이 증가합니다. 이는 증발기 및 흡입관에서의 압력 손실을 증가시킬 수 있습니다.

3) 방지 대책

플래시 가스를 방지하기 위해서는 액체 냉매가 팽창 밸브에 도달하기 전까지 액체 상태를 유지하도록 하거나, 액관에서의 압력 손실을 최소화해야 합니다.

• 충분한 과냉각 확보 (Ensuring Sufficient Subcooling):
  • 응축기 성능 향상: 응축기의 용량이 충분하고 냉각 매체(공기 또는 물)의 흐름이 원활하며 표면이 깨끗한지 확인하여 냉매가 응축기를 나온 후 충분히 과냉각되도록 합니다.
  • 과냉각기(Subcooler) 설치: 액관과 흡입관 사이에 열교환기를 설치하여 차가운 흡입 증기의 냉열을 이용하여 액관의 냉매를 추가적으로 냉각시켜 과냉각도를 높입니다.
• 액관의 열 취득 최소화:
  • 액관 단열: 특히 고온 환경을 통과하거나 배관 길이가 긴 경우 액관을 충분히 단열하여 외부로부터의 열 유입을 막습니다.
  • 배관 경로 선정: 뜨거운 배관(예: 토출 가스관) 근처나 고온의 공간을 통과하는 것을 피하여 배관 경로를 선정합니다.
• 액관에서의 압력 손실 최소화:
  • 적절한 액관 관경 선정: 시스템 용량에 맞는 적절한 크기의 액관을 사용하여 유속에 의한 압력 손실을 최소화합니다.
  • 배관 구성 단순화: 엘보, 티, 밸브 등 압력 손실을 유발하는 배관 부품의 사용을 최소화하고, 급격한 방향 전환보다는 완만한 곡관을 사용합니다.
  • 필터 드라이어 관리: 필터 드라이어가 막히지 않도록 정기적으로 점검하고 필요시 교체합니다.
• 적정 냉매량 충진: 시스템에 과도한 냉매를 충진하지 않고 제조사가 권장하는 적정량을 충진합니다. 과도한 냉매는 응축기 효율 저하 및 과냉각 불충분으로 이어질 수 있습니다.
• 팽창 밸브의 적정 운전: 팽창 밸브(특히 TEV)의 과열도 설정이 적절한지 확인하고, 밸브가 정상적으로 작동하는지 점검합니다. 전자식 팽창 밸브(EEV)의 제어 로직도 확인합니다.

플래시 가스는 냉동 시스템의 냉각 능력을 직접적으로 감소시키고 에너지 효율을 떨어뜨리는 명백한 손실 요인입니다. 따라서 위의 방지 대책들을 종합적으로 적용하여 액체 냉매가 증발기 입구까지 액체 상태를 유지하도록 관리하는 것이 중요합니다.