2-5. 냉동사이클에서 팽창밸브의 기능, 종류 그리고 내부균압형과 외부균압형에 대하여설명하시오.

onha09 2025. 5. 12. 18:23

냉동사이클에서 팽창밸브의 기능, 종류, 그리고 내부균압형/외부균압형

냉동사이클은 압축, 응축, 팽창, 증발의 네 가지 주요 과정으로 이루어집니다. 이 중 팽창 과정은 냉매가 낮은 온도와 압력 상태로 변하여 증발기에서 열을 효과적으로 흡수할 수 있도록 하는 중요한 단계이며, 이 역할을 담당하는 핵심 부품이 바로 팽창밸브입니다.

1. 팽창밸브의 기능

팽창밸브는 냉동사이클에서 다음과 같은 두 가지 주요 기능을 수행합니다.

감압 (교축 작용): 응축기를 거쳐 고온고압의 액체 상태가 된 냉매를 증발기의 낮은 압력까지 감압시켜 저온저압의 액체 또는 액체-증기 혼합 상태로 만듭니다. 이 과정에서 냉매의 온도가 증발기 압력에 해당하는 포화 온도로 낮아져 증발기에서 주위의 열을 흡수할 수 있게 됩니다.
냉매 유량 조절: 증발기에 공급되는 냉매의 양을 냉동 부하(증발기에서 흡수해야 할 열량)의 변동에 따라 적절하게 조절합니다. 이는 증발기가 항상 효율적으로 작동하면서도 압축기로 액체 냉매가 유입되는 액압축을 방지하는 데 필수적입니다. 증발기에 너무 많은 냉매가 공급되면 액압축의 위험이 있고, 너무 적게 공급되면 증발기 효율이 떨어지고 압축기 과열을 유발할 수 있습니다.

2. 팽창밸브의 종류

팽창밸브는 유량 조절 방식 및 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있습니다. 주요 종류는 다음과 같습니다.

모세관 (Capillary Tube): 가장 간단하고 저렴한 형태의 팽창 장치로, 일정한 내경과 길이를 가진 가는 관입니다. 냉동 부하 변동이 적고 용량이 작은 소형 냉동 장치(가정용 냉장고, 에어컨 등)에 주로 사용됩니다. 유량 조절이 자동적으로 이루어지지 않고 시스템 내 냉매량에 따라 결정되는 특징이 있습니다.
정압식 자동 팽창밸브 (Constant Pressure Expansion Valve): 증발기 압력을 일정하게 유지하도록 설계된 밸브입니다. 증발기 압력이 설정값보다 높아지면 밸브를 닫아 냉매 공급을 줄이고, 낮아지면 밸브를 열어 냉매 공급을 늘립니다. 냉동 부하 변동이 적은 시스템에 사용됩니다.
온도식 자동 팽창밸브 (Thermostatic Expansion Valve, TEV): 증발기 출구에서의 냉매 증기 과열도를 감지하여 냉매 유량을 조절하는 가장 일반적인 형태의 자동 팽창밸브입니다. 감온통, 다이어프램, 스프링 등의 부품으로 구성되며, 부하 변동에 따라 증발기 출구 과열도가 일정하게 유지되도록 작동하여 시스템 효율을 높입니다.
전자식 팽창밸브 (Electronic Expansion Valve, EEV): 전자 제어 시스템을 통해 냉매 유량을 정밀하게 조절하는 밸브입니다. 넓은 범위의 부하 변동에 유연하게 대처할 수 있으며 에너지 효율을 극대화할 수 있어 최신 인버터 시스템 등에 널리 사용됩니다.
플로트식 팽창밸브 (Float Valve): 증발기 또는 수액기 내의 액면 높이를 감지하여 냉매 유량을 조절하는 밸브입니다. 만액식 증발기 시스템에 주로 사용됩니다.

3. 온도식 자동 팽창밸브(TEV)의 내부균압형과 외부균압형

온도식 자동 팽창밸브(TEV)는 증발기 압력을 감지하는 방식에 따라 내부균압형(Internal Equalization Type)과 외부균압형(External Equalization Type)으로 나뉩니다. 이는 밸브의 다이어프램 하부에 작용하는 압력(증발 압력)을 어디에서 가져오느냐에 따른 구분입니다. TEV는 감온통 압력(), 다이어프램 하부 압력(), 조절 스프링 압력() 세 가지 힘의 균형에 의해 밸브 개도가 결정됩니다.

내부균압형 (Internal Equalization Type):
- 밸브 본체 내부에 있는 통로를 통해 **증발기 입구 바로 뒤(밸브 출구)**의 압력을 다이어프램 하부에 작용하는 압력()으로 사용합니다.
- 작동: 감온통 압력()과 스프링 압력()의 합이 증발기 입구 압력()과 균형을 이룹니다. .
- 적용: 증발기 코일 내부에서의 압력 강하가 매우 작은 소형 시스템에 주로 사용됩니다.
- 단점: 증발기 코일 길이가 길거나 복잡하여 냉매가 증발기를 통과하면서 상당한 압력 강하가 발생하는 경우, 밸브가 감지하는 압력(, 증발기 입구 압력)과 증발기 출구 압력 사이에 큰 차이가 발생합니다. 이로 인해 증발기 출구 과열도를 정확하게 제어하기 어렵고, 실제 과열도가 설정값보다 높아져 증발기 효율이 저하될 수 있습니다.
외부균압형 (External Equalization Type):
- 별도의 가는 관인 균압관(Equalizer Line)을 연결하여 증발기 출구의 압력을 다이어프램 하부에 작용하는 압력()으로 사용합니다.
- 작동: 감온통 압력()은 증발기 출구의 온도에 해당하고, 다이어프램 하부에는 증발기 출구 압력()이 작용합니다. . 밸브는 증발기 출구에서의 실제 과열도(에 해당하는 와 에 해당하는 의 차이)를 감지하고 조절합니다.
- 적용: 증발기 코일 내부에서 압력 강하가 크거나 냉동 부하 변동 범위가 넓은 시스템(중대형 냉동/공조 시스템, 압력 강하가 큰 증발기 사용 시스템 등)에 필수적으로 사용됩니다.
- 장점: 증발기 내부 압력 강하에 관계없이 증발기 출구의 실제 과열도를 정확하게 제어할 수 있어 증발기를 최대한 활용하고 액압축을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 시스템의 안정성과 효율을 향상시킵니다.

따라서 증발기에서의 압력 강하가 무시할 수 없을 정도로 큰 시스템에서는 외부균압형 TEV를 사용하여 증발기 출구 상태를 정확하게 반영하고 안정적인 과열도 제어를 통해 시스템 성능을 최적화하는 것이 중요합니다.