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냉동 시스템에서 팽창 밸브는 중요한 구성 요소로, 냉매의 상태와 유량을 조절하여 냉동 효과를 얻는 데 핵심적인 역할을 합니다. 팽창 밸브는 응축기를 거친 고온고압의 액체 냉매를 저온저압의 상태로 만들어 증발기로 보내는 역할을 담당합니다.
1) 팽창 밸브의 기능
팽창 밸브의 주요 기능은 다음과 같습니다.
- 감압 (교축 작용): 응축기에서 나온 고온고압의 액체 냉매를 낮은 압력으로 낮추어 증발기에서 쉽게 증발할 수 있도록 합니다. 이 과정에서 냉매의 일부는 증발(Flash gas 발생)하게 됩니다.
- 유량 조절: 냉동 부하의 변동에 따라 증발기로 공급되는 냉매의 양을 적절하게 조절하여 증발기가 효율적으로 작동하도록 합니다. 이를 통해 증발기 출구에서의 냉매 과열도를 일정하게 유지하여 압축기로 액체 냉매가 유입되는 것을 방지하고 냉동 효율을 최적화합니다.
- 증발기 제어: 증발기 내에서 냉매가 완전히 기화될 수 있도록 냉매량을 제어하여 증발기의 열교환 면적을 최대한 활용하게 합니다.
2) 팽창 밸브의 종류
냉동 시스템의 용량, 적용 분야, 제어 방식에 따라 다양한 종류의 팽창 밸브가 사용됩니다. 주요 종류는 다음과 같습니다.
- 수동 팽창 밸브: 밸브의 개방도를 수동으로 조절하여 냉매 유량을 제어하는 방식입니다. 구조가 간단하지만 부하 변동에 대한 대응이 어렵고 숙련된 조작이 필요하여 현재는 주로 보조 밸브나 비상용으로 사용됩니다.
- 모세관 (Capillary Tube): 가느다란 관을 사용하여 냉매의 유량을 제어하는 방식입니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 소형 냉장고나 에어컨 등에 주로 사용됩니다. 하지만 부하 변동에 대한 유량 조절 능력이 떨어집니다.
- 정압식 자동 팽창 밸브 (Constant Pressure Expansion Valve): 증발기 압력을 감지하여 증발기 압력이 일정하게 유지되도록 냉매 유량을 조절하는 밸브입니다. 증발 압력을 일정하게 유지하지만, 부하 변동 시 증발기의 냉매량이 적절하게 조절되지 못할 수 있습니다.
- 온도식 자동 팽창 밸브 (Thermostatic Expansion Valve, TEV): 증발기 출구의 냉매 과열도를 감지하여 냉매 유량을 조절하는 가장 흔하게 사용되는 팽창 밸브입니다. 증발기 출구의 냉매가 일정한 과열도를 갖도록 제어하여 압축기 보호 및 시스템 효율 향상에 기여합니다. 내부 균압형과 외부 균압형으로 나뉩니다.
- 전자식 팽창 밸브 (Electronic Expansion Valve, EEV): 전자 제어를 통해 냉매 유량을 정밀하게 조절하는 밸브입니다. 부하 변동에 대한 응답 속도가 빠르고 제어 범위가 넓어 시스템 효율을 극대화할 수 있습니다. 최근 다양한 냉동 및 공조 시스템에 적용이 확대되고 있습니다.
- 플로트식 밸브 (Float Valve): 증발기 또는 저압 수액기의 액면을 감지하여 냉매 유량을 조절하는 밸브입니다. 만액식 증발기 등에 주로 사용됩니다. 저압측 플로트 밸브와 고압측 플로트 밸브가 있습니다.
3) 내부 균압형과 외부 균압형의 차이점
온도식 자동 팽창 밸브(TEV)는 증발기의 압력을 감지하는 방식에 따라 내부 균압형과 외부 균압형으로 구분됩니다. 이 두 방식의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
| 구분 | 압력 감지 위치 | 특징 | 적용 분야 |
| 내부 균압형 | 팽창 밸브 출구 (증발기 입구) | 팽창 밸브 출구 압력을 감지하여 밸브의 작동에 영향을 미칩니다. 증발기 내부의 압력 강하를 보상하지 못합니다. | 증발기 내부에서의 압력 강하가 크지 않은 소형 시스템 (예: 가정용 에어컨) |
| 외부 균압형 | 증발기 출구 | 증발기 출구의 압력을 감지하여 밸브의 작동에 반영합니다. 증발기 내부의 압력 강하를 보상하여 증발기 전체의 효율적인 사용이 가능합니다. | 증발기 내부에서의 압력 강하가 큰 시스템 (예: 대형 냉동기, 여러 개의 증발기 사용 시스템) |
작동 원리에서의 차이:
- 내부 균압형: 팽창 밸브의 다이어프램 하부에는 팽창 밸브 출구(증발기 입구)의 압력이 작용합니다. 감온통의 압력과 스프링의 장력, 그리고 팽창 밸브 출구 압력의 균형에 의해 밸브 개도가 결정됩니다. 증발기 내에서 압력 강하가 발생하면 증발기 출구의 압력은 팽창 밸브 출구 압력보다 낮아지지만, 내부 균압형은 이 압력 강하를 감지하지 못하므로 실제 증발기 출구 과열도가 높아질 수 있습니다.
- 외부 균압형: 팽창 밸브의 다이어프램 하부에는 별도의 균압관을 통해 연결된 증발기 출구의 압력이 작용합니다. 감온통의 압력과 스프링의 장력, 그리고 증발기 출구 압력의 균형에 의해 밸브 개도가 결정됩니다. 이 방식은 증발기 내부의 압력 강하를 직접적으로 감지하고 보상하여 증발기 출구 과열도를 보다 정확하게 제어할 수 있습니다. 따라서 증발기 길이가 길거나 냉매 분배기를 사용하는 등 증발기 내부 압력 강하가 significant한 시스템에서는 외부 균압형 팽창 밸브를 사용해야 증발기의 성능을 최적화하고 압축기를 보호할 수 있습니다.
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