냉동 시스템 압축기 흡입 배관 설계 및 시공 시 주의사항 및 액백 방지 배관 구성
냉동 시스템에서 압축기의 흡입 배관은 증발기에서 증발된 저온, 저압의 냉매 증기를 압축기로 이송하는 중요한 역할을 합니다. 흡입 배관의 설계 및 시공이 부적절할 경우 "액백(Liquid back)" 현상이 발생하여 압축기에 심각한 손상을 줄 수 있으므로 각별한 주의가 필요합니다.
냉동 시스템 압축기 흡입 배관 설계 및 시공 시 주의사항
- 배관 사이즈 선정: 흡입 배관의 크기는 냉매의 종류, 냉동 용량, 증발 온도, 배관 길이 및 엘보우 등 부속물의 개수 등을 고려하여 적정 유속(일반적으로 4~12 m/s)이 확보되도록 선정해야 합니다. 유속이 너무 느리면 오일이 배관 바닥에 고여 압축기로 돌아오지 못하고, 너무 빠르면 압력 강하가 커져 압축기 효율이 저하됩니다.
- 배관 기울기: 수평 배관은 압축기 방향으로 1/250 ~ 1/500 정도의 완만한 하향 기울기를 주어 응축수나 미증발된 액체 냉매가 압축기 쪽으로 자연스럽게 흐르도록 해야 합니다.
- 오일 트랩(Oil Trap) 설치: 증발기가 압축기보다 높은 곳에 설치되거나, 수평 배관 길이가 긴 경우, 또는 여러 개의 증발기가 사용되는 시스템에서는 오일이 중력에 의해 압축기로 자연스럽게 돌아오지 못하고 배관 내에 고일 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 수직 상승관 하단이나 긴 수평 배관 중간에 오일 트랩을 설치하여 오일을 일시적으로 모아두고, 일정량 이상 쌓이면 고속의 냉매 증기 흐름에 의해 압축기로 운반되도록 해야 합니다. 오일 트랩의 크기는 최소한으로 하여 오일 고임량을 줄여야 합니다.
- 배관 지지 및 고정: 흡입 배관은 저온으로 인해 결로 및 배관 내 유체의 자중에 의해 처짐이 발생할 수 있으므로 적절한 간격으로 지지 및 고정하여 배관 기울기를 유지하고 처짐으로 인한 액체 고임을 방지해야 합니다.
- 단열 및 방습: 흡입 배관은 증발 온도로 인해 외부 공기와의 온도 차이가 커서 표면에 결로가 발생하기 쉽습니다. 단열재를 꼼꼼하게 시공하고 이음매 부분을 기밀하게 처리하여 결로 발생을 방지해야 합니다. 결로는 배관 부식의 원인이 될 수 있으며, 심할 경우 응축수가 배관 이음매 등을 통해 유입되어 시스템에 문제를 일으킬 수도 있습니다.
- 배관 청결 유지: 배관 시공 시 이물질이 들어가지 않도록 주의하고, 시공 완료 후에는 내부를 깨끗하게 청소해야 합니다. 이물질은 시스템 막힘이나 압축기 손상의 원인이 될 수 있습니다.
- 밸브 및 부속품 고려: 흡입 배관에 설치되는 밸브나 기타 부속품은 압력 강하를 최소화하는 종류를 선택하고, 설치 위치를 신중하게 결정해야 합니다. (본 문제에서는 밸브 등 부속품은 생략하고 배관만 단선으로 표시).
액백 (Liquid back) 방지
액백은 증발기에서 완전히 증발되지 않은 액체 냉매가 압축기 흡입측으로 유입되는 현상입니다. 압축기는 기체 냉매를 압축하는 장치이므로, 액체 냉매가 유입되면 압축기 실린더 내에서 액 해머(Liquid Hammer)가 발생하여 밸브, 피스톤, 커넥팅 로드 등 내부 부품이 파손될 수 있습니다. 액백은 다음과 같은 경우에 발생하기 쉽습니다.
- 증발 부하 변동이 심할 때
- 팽창 밸브의 조절이 부적절할 때 (과도하게 열려 액 냉매가 많이 공급될 때)
- 제상 운전 후 액 냉매가 미처 증발되지 않고 흡입 배관으로 흘러들어갈 때
- 시스템 정지 시 응축기가 증발기보다 높은 곳에 있어 액 냉매가 증발기로 중력 낙하할 때
- 흡입 배관의 오일 회수가 제대로 되지 않아 오일이 액 냉매와 함께 압축기로 돌아올 때
액백을 방지하기 위해서는 앞서 언급된 흡입 배관 설계 및 시공 시 주의사항을 철저히 지키는 것이 중요하며, 추가적으로 다음과 같은 고려가 필요합니다.
- 팽창 밸브의 적절한 선정 및 조절: 증발 부하 변동에 잘 대응하고 적정 과열도를 유지할 수 있는 팽창 밸브를 선정하고 정확하게 조절해야 합니다.
- 액분리기(Accumulator) 설치: 압축기 흡입 배관 직전에 액분리기를 설치하여 미증발 액체 냉매를 일시적으로 저장하고 서서히 증발시켜 압축기로 기체 냉매만 공급되도록 합니다. 이는 액백 방지를 위한 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.
- 핫 가스 바이패스: 부하가 낮은 조건에서 압축기 토출 가스의 일부를 증발기 출구 또는 흡입 라인으로 보내 흡입 증기의 과열도를 높여 액백을 방지하는 방법을 사용할 수 있습니다.
- 제상 주기 및 방법 최적화: 제상 시 발생하는 액 냉매가 완전히 증발될 수 있도록 충분한 시간 간격을 두거나 적절한 제상 방법을 사용합니다.
액백 방지를 위한 배관 구성 (그림 a, b, c, d, e, f)
첨부된 그림은 증발기와 압축기의 다양한 상대적 위치에 따른 흡입 배관 구성을 단선으로 개략적으로 보여줍니다. 각 그림에 대한 배관 구성 및 액백 방지 고려 사항은 다음과 같습니다. (밸브 등 부속품은 생략된 것으로 가정합니다.)
a. 증발기가 상하로 겹쳐 있고 압축기가 밑에 있을 때:
- 배관 구성: 아래쪽 증발기 흡입관은 압축기로 바로 연결됩니다. 위쪽 증발기 흡입관은 아래쪽으로 내려와 아래쪽 증발기 흡입관과 합쳐져 압축기로 연결됩니다.
- 액백 방지 고려: 위쪽 증발기에서 내려오는 수직 배관 하단에 오일 트랩을 설치해야 합니다. 이는 위쪽 증발기에서 내려오는 오일과 미증발 액 냉매가 압축기로 직접 떨어지는 것을 방지하고, 시스템 정지 시 냉매가 중력에 의해 압축기로 흐르는 것을 막습니다. 각 증발기 출구 직후 수평 배관에 하향 기울기를 주어야 합니다.
b. 증발기가 상하로 떨어져 있고 압축기가 밑에 있을 때:
- 배관 구성: a와 유사하나 증발기 사이의 수직 거리가 더 깁니다.
- 액백 방지 고려: 위쪽 증발기에서 내려오는 긴 수직 배관에는 여러 개의 오일 트랩을 일정 간격으로 설치하여 오일 회수를 돕고 액 냉매의 낙하를 방지해야 합니다. 수직 배관의 길이가 길수록 오일 트랩의 중요성이 커집니다.
c. 증발기가 상하로 겹쳐 있고 압축기가 위에 있을 때:
- 배관 구성: 아래쪽 및 위쪽 증발기 흡입관 모두 위로 올라가 압축기로 연결됩니다.
- 액백 방지 고려: 아래쪽 증발기 흡입관이 위로 상승하는 부분의 하단에 오일 트랩을 설치해야 합니다. 이는 아래쪽 증발기에서 오는 오일 회수를 돕고, 시스템 정지 시 압축기에서 액 냉매가 증발기로 역류하는 것을 방지합니다. 위쪽 증발기 흡입관도 상승하므로 오일 트랩이 필요할 수 있습니다. 각 증발기 출구 직후 수평 배관에 하향 기울기를 주어야 합니다.
d. 증발기가 상하로 떨어져 있고 압축기가 위에 있을 때:
- 배관 구성: c와 유사하나 증발기 사이의 수직 거리가 더 깁니다.
- 액백 방지 고려: 아래쪽 증발기에서 압축기까지의 긴 수직 상승 배관에는 여러 개의 오일 트랩을 일정 간격으로 설치해야 합니다. 이는 오일 회수를 효율적으로 하고 액 냉매의 역류를 방지하는 데 필수적입니다.
e. 증발기가 병렬이고 압축기가 밑에 있을 때:
- 배관 구성: 두 증발기 흡입관이 합쳐져 압축기로 연결됩니다. 증발기는 동일 높이에 위치합니다.
- 액백 방지 고려: 각 증발기 출구 직후의 수평 배관에 하향 기울기를 주어 응축수나 미증발 액이 고이지 않고 합쳐지는 지점으로 흐르도록 해야 합니다. 두 흡입관이 합쳐지는 지점 이후 배관도 압축기 쪽으로 하향 기울기를 주어야 합니다. 각 증발기의 부하 불균형 시 한쪽으로 액백이 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
f. 증발기가 병렬이고 압축기가 위에 있을 때:
- 배관 구성: 두 증발기 흡입관이 합쳐져 위로 상승하여 압축기로 연결됩니다.
- 액백 방지 고려: 두 증발기 흡입관이 합쳐지는 지점의 하단에 오일 트랩을 설치해야 합니다. 이는 두 증발기에서 오는 오일 회수를 돕고, 시스템 정지 시 액 냉매 역류를 방지합니다. 합쳐진 후 압축기까지의 수직 상승관에도 필요시 추가 오일 트랩을 설치할 수 있습니다. 각 증발기 출구 직후 수평 배관에 하향 기울기를 주어 합쳐지는 지점으로 흐르도록 해야 합니다. 병렬 증발기의 부하 불균형에 대한 고려가 필요합니다.
모든 경우에 압축기 흡입 배관의 최소 유속을 확보하여 오일이 원활하게 회수되도록 하는 것이 중요하며, 압축기 직전에 액분리기를 설치하는 것은 액백 방지를 위한 추가적인 안전 조치가 될 수 있습니다. 적절한 흡입 배관 설계 및 시공은 냉동 시스템의 성능 유지 및 압축기 수명 연장에 필수적입니다.