가장 빈번한 압축기 고장의 원인들

[그림자]

가장 빈번한 압축기 고장의 원인들

 

1.       고장원인중 대표적인 사례들

1)      액백                                 2) 액백된 상태에서의 기동

3)      장치내가 깨끗하지 않을시      4) 과열

5)      윤활유 부족 등

 

2.       원인 분석

1)          액백(liquid back)은 압축기로 필요이상의 액냉매가 흘러들어오는 것을 말하는데 이경우 압축기는 위험하게 된다. 반밀폐형 압축기는 모타냉각 방식에 따라 크랭크 케이스로 액냉매가 흐르거나 흡입변을 통해 실린더로 흘러 윤활유의 점도를 떨어트리게 된다.

2)          반밀폐형 압축기의 모타냉각방식중 공기냉각 방식은 모타냉각을 공기 순환에 의하는 것인데 흡입 가스는 흡입변을 통해 실린더로 바로 흐르게 되므로 극소량일 경우는 압축열에 의해 증발하게 되나 액립이 크고 양이 많을 시는 실린더 벽의 윤활유를 씻어내리게 되어 실린더 벽이나 피스톤, 피스톤 링등을 마모시키거나 손상시키게 된다.

3)          액냉매는 비압축성이므로 다량의 액냉매가 압축기로 흘러 들어올 시 먼저 흡입변이나 토출변의 파괴되고 발브변판의 가스켓이 파손되며 심한 경우 크랑크 샤후드 파손의 원인이 되기도 한다. 그외 심한 액햄머등에 의해서도 크랑크 샤후드 절손의 원인이 된다.

4)          대부분의 서비스 기사들은 압축기에서 이상음이 들릴경우 이 이상음이 헐거워졌거나 마모된 부품으로부터 나는 소리라고 믿고 있을 것이며 압축기 자체에 문제가 있다고 생각하게 된다. 공기냉각 방식인 K모델의 압축기를 실험실에서 액냉매를 흡입축에 흘러 넣으면서 운전해 본 결과 처음에는 흡입 써비스 발브와 헤드에 적상현상이 나타나고 계속해서 액냉매를 흘러보내니 크랑크 케이스에 윤활유는 포화상태가 되었다. 계속해서 액냉매를 공급한결과 예리한 햄머음이 발생된다. 만일 이런 현상이 크랑크 케이스로부터 발생된다면 그리고 이런 상태에서 압축기가 운전된다면 압축기내 윤활유가 액냉매로 희석되어 점도가 떨어지는 것은 순식간이며 이상음이 발생되게 될것이다. 일부 경험이 부족한 냉동 기사들은 이때의 발생음은 기계의 부품의 헐거움이나 마모로 발생되는 소리로 오인하게 될 것이다. 이런경우는 단시간이라도 압축기 고장의 결과를 초래할 수 있으며 압력은 순간적으로 70kg/cm2까지 상승될 수 있다.

5)          냉매냉각방식의 압축기에서는 냉매는 모타끝에서부터 흘러들어와 모타를 냉각하고 흡입 발브로 들어가게된다. 만일 냉매 가스속에 액분이 없다면 문제는 없겠지만 액냉매가 흘러들어온다면 대부분의 액냉매는 모타를 지나 크랑크 케이스로 흘러들어 크랑크 케이스내의 운활유를 희석시키게 되며 이희석된 유는 오일펌프를 통해 메인 베어링, 롯드 베어링 및 피스톤등 윤활부위로 공급된다.

6)          접도가 떨어진 유는 윤활성능 또한 저하되어 마찰부위에 과열 현상이 발생되어 결국 롯드, 크랑크 샤후드의 손상 및 마모 나아가서는 고착현상을 잃으키게 된다.

7)          만일 센타와 모타 엔드 베어링이 심하게 마모되면 크랑크 샤후드가 내려 앉게 되며 그 결과 모타의 로타가 코아와 접촉하게 되고 이 상태가 계속되면 모타가 소손되는 것은 시간문제이다.

8)          액냉매가 압축기로 오는 것을 알기란 어렵다. 그렇다고 걱정만 하고 있을 수 만도 없는 일이다. 압축기로 액이 오는지를 알 수 있는 유일한 방법은 흡입측 배관의 과열도를 측정하는 것이다. 만일 운전중에 있는 장치에서 과열도가 11도 미만으로 유지되고 있다면 액백이 일어날 확률은 거의 없다고 판단할 수 있는 것이다. 운전중 앱백이 일어날 수 있는 것은 반드시 계속적이라고 보기 어려우며 냉동기사의 장치 점검중에만 일어나는것도 아니며 장치의 운전중 간헐적으로 일어날 수 있는 것이다.

9)          사전에 적절하게 설계되고 조정된장치라 하더라도 증발기 코일이 지나치게 더러워졌다든지 적상상태가 심하다든지 휀 날개가 파손되거나 모타의 고장등으로 훙량에 급격한 변동이 발생되어 부하경감현상이 발생시 액백의 첫번째 원인이 된다.

10)   지나치게 큰 용량의 팽창변, 잘못된 팽창변 조정, 감은구의 위치 선정의 잘못및 접촉불량, 균압관의 적절한 위치 선정 등 팽창변 선정에서부터 주변 배관 및 과열도 조정 등이 잘못되었을 경우가 두번째 요인이다.

11)  저온 장치에서 적절한 제상주기를 결정하는 것은 매우 중요하다. 지나친 적상상태는 증발기를 통과하는 풍량을 격감시키고 증발기의 부하를 경감시키게 됨에 따라 팽창변의 헌팅현상발생,증발기 및 증발기 주변의 트립등에 유가 고이게되며 냉매의 유속이 저하되게 된다.

12)  잘못된 배관의 설계나 시공, 적절치 못한 액분리기의 선정 등은 냉매의 제어를 어렵게 하여 압축기에 액냉매를 흘러보내게 된다. 특히 공기냉각 방식의 압축기에서는 신중하게 고려되야 한다. 적절히 설계된 배관이나 액분리기의 선정 및 마른 시공은 압축기가 정상가동되도록 유지하는데 필수적인 요건이다.

13)  운전중 흡입 배관과 압축기 측에 적상이 된다는 것은 매우 좋지 않으며 특히 저온 장치에서는 더더욱 경계해야할 현상이다. 이러한 상태를 막을 수 있는 확실한 단 하나의 방법은 압축기 측 흡입 배관으로 오는 냉매가스의 과열도를 측정하여 적정한 수준으로 유지시키는 것이다.

14)  압축기의 크랑크 케이스내에 액냉매가 다량 고여 있다가 기동될 때가 있는데 이는 압축기 고장의 가장 흔한 경우이며 이런 상태는 압축기 휴지기간 중에 압축기로 냉매가 유입된다는 증거이므로 그 원인을 찾아 신속히 고장원인을 제거해야 한다.

15)  냉매와 윤활유가 혼합된 경우의 상태 변화를 일기 위해 2개의 실헙관(유리관)에 똑같이 반정도 윤활유를 채우고 한쪽에만 액냉매를 주입하면 서서히 안정되어 포화되면서 층을 이루는 것을 볼 수 있다. 냉매와 유가 혼합될 경우 유의 온도가 낮을 수록 냉매가스의 압력이 높을수록 유에 흡입되는 냉매량이 많아지며 후레온에서는 냉매가 유보다 비중이 크므로 크랑크 케이스 밑바닥에는 냉매가 고이고 그 위에는 실험한 결과와 겉이 유가 층을 이루어 떠 있게 되어 유면계에서 정확한 유면을 볼 수 없게 된다.

16)  이런상태에서 압축기가 기동을 하게되면 크랑크 케이스가 갑작스런 압력변동으로 액냉매가 증발되면서 다량의 유가 흡입변으로 흡입되어 유햄머가 일어나며 압축기 크랑크 케이스에서는 심한 훠밍 현상을 일으키며 냉매와 유의 혼합물이 거품 상태로써 유펌프에 흡입되어 윤활부위로 흘러가계되는데 이 거품 상태의 냉매유 혼합물은 점도가 극도로 저하되고 가스 증발 현상까지 수반하므로 효과적인 유막을 형성하지 못해 윤활 부위에 마찰열이 발생되게 되므로 피스톤, 롯드, 크랑크 샤후드, 베아링등이 손상 내지는 파손으로 진행되게 된다.

17)  따라서 이렇게 위험한 기동이 일어나지 않도록 장치 설계자는 가능한한 냉매나 오일 충진량을 필요한 최소량이 되도록 하며 크랑크 케이스 히타를 장착해 유의 온도를 적정수준으로 유지하는 등의 보완책이 강구되야 한다. 특히 동절기 기계실(기계 주변)의 온도가 최하 5도 이상으로 유지되도록 하는 등의 대책이 이우어져야 한다. 단 압축기 주변온도가 지나치게 낮을 경우에는 크랑크 케이스 히타만으로는 위험한 상태를 예방할 수 없다.

18)  크랑크 케이스 히타의 장착만으로는 정지 중 압축기 크랑크 케이스로 냉매액이 흘러들어오는 것을 예방 할 수는 없고, 단지 흘러 들어온 냉매액을 크랑크 케이스가 적당한 온도를 유지하므로써 냉매가 유에 혼합되지 않고 증발되도록 하는 기능만을 할 뿐이다. 따라서 정지중 크랑크 케이스로 냉매액이 흘러들어오지 않도록 예방하기 위해서는 장치가 pump down system으로 운전되도록 하는 것이 바람직한 것이다. 펌프 다운 시스템이란 장치가 운전을 종료하기 시작하면 액관에 설치된 전자변이 먼저 잠기므로 전자변 이후 즉 증발기 입구에서 증발기, 증발기출구에서 압축기에 이르는 흡입 배관즉 저압측에 냉매 가스의 잔류량을 최소로 한 후 압축기가 정지되도록 설계한 것을 말한다.

19)  펌프 다운 시스템이 아닌 전열 제상 장치에서 압축기 정지중 액냉매가 압축기로 흘러들어오는 사례가 빈번히 발생되고 있다. 압축기가 어느 정도 온도를 유지하고 있다 하더라도 전열 제상중 증발기 코일에 가해지는 열로 흡입배관이나 액분리기에 냉매액이 고이게 되고 제상종료 후 압축기 기동시에 압축기로 액이 흘러들어와서 액백현상이 일어나게된다. 만일 압축기 크랑크 케이스내에 다량의 액냉매가 흘러 들어 왔다면 유압 보호 스위치가 작동되게 될 것이다. 그리고 압축기 주변이나 압축기 자체의 온도가 낮다면 전술한 바와 같이 유에 혼입되는 냉매량은 증가되므로 문제는 복잡해지게 된다.

20)  위에 설명한 크랑크 케이스내에 액냉매가 혼입되는 것을 방지하기위해서 냉동기사는 다음 사항을 필히 준수해야 한다.

①    압축기 설치위치의 주변온도가 동절기에는 적어도 5도 이상을 유지할 수 있도록 할 것.

②     PUMP DOWN방식을 채택할 것.

③    압축기의 유면을 적정선으로 유지할 것.

④    크랑크 케이스 히타를 장착할 것.

⑤     장치에 충진되는 냉매량을 최소 적정 수준으로 할 것 등이다.

21)  액 햄머링은 다량의 냉매와 유가 압축기 실린더에 흡입되면서 발생되는 현상이며 공기냉각 방식의 압축기에서는 과도한 액백이 주요인이며 냉매냉각 방식 압축기에서는 장치가 정지중에 압축기로 과대한 액냉매가 흘러들어 시동시에 발생되는 액 및 유 햄머링이 주요인이다.

22)  작동중의 압축기가 액햄머를 일으킨다면 압축기 흡입변이 휘어지게 될 것이며 압축기의 피스톤은 수압기의 피스톤과 같은 힘을 받게 될 것이다. 그러나 냉매 압축기는 가스만을 압축할 수 있도록 제작되므로 실린더에 액냉매가 흡입된다면 기계의 모든 부분이 과도한 힘을 받게 되며 결과적으로 기계 파손에 이르게 된다.

23)  만일 다량의 액냉매가 흡입구를 통해서 흡입된다면 흡입리드변은 휘어지거나 파손되게 될 것이다.

24)  액 압축이 계속된다면 냉매액은 토출변의 리드에도 같은 손상을 주게 될 것이며 심할 경우 고압 리드변의 지지볼트가 파손되여 이탈되는 결과를 초래하게 될 수도 있다.

25)  액 햄머시 발생되는 힘은 엄청나므로 순간적으로 70kg/cm2를 넘는 것으로 측정되었으므로 크랑크 샤후드와 롯드에 과부하가 걸리게 되어 크랑크 샤후드나 롯드가 파손되거나 휘고 변판 가스켓이 파손되는 경우도 허다하다.

26)  액햄머가 계속될 경우 액햄머시 일어날 수 있는 두번째 현상은 피스톤 핀, 롯드홀(피스톤 핀과의 연결구)의 마모이다. 정상부하시의 작동은 윤활만 정상이며 이상 마모는 없다.그러나 토풀변 리드가 휘거나 파손되거나 변판이 파손되었을 시 배출가스가 재팽창이 되고 이 상태가 지속되면 피스톤 핀 저부를 압박하여 이곳의 윤활을 어렵게 하므로써 롯드홀이 이상마모를 초래하게 되며 녹킹음이 발생되게 된다.

27)  액햄머는 장치나 압축기에 치명적인 악영향을 주므로 사전에 예방해야 한다. 우선 장치의 설계에서 현장 설비 완료까지, 그리고 시운전 과정에서의 적절한 제어장치 및 각 조절 발브의 적정한 조절등을 통해 정상적인 운전이 유지되도록 해야 하며 운전중에는 적정한 유지관리 및 보수가 이루어지므로써 운전중이거나 정지중에 다량의 냉매액이 압축기에 흘러드는 것을 방지하는 것이 가장중요한 일이다.

28)  치명적인 액햄머를 막기위한 방지책으로는

①             압축기 설치 주위 온도를 적적하게 유지할 수 있도록 할 것. (동절기 기계주변온도 5도이상 유지)

②             크랑크 케이스 히타를 장착할 것.

③             펌프다운 제어를 할 것.

④             적당한 제상주기와 제상방법.

⑤             저압 차단 스위치의 설정치를 장치특성에 맞게 할 것.

⑥             적정한 팽창변의 선정 및 조정.

⑦             증발기의 공기 흐름을 좋게 할 것.

⑧             액분리기는 적정한 규격을 선정할 것.

⑨             저압측의 트립 및 배관을 정확히 시공할 것 등이다.

29)  압축기 가동시에 예상되는 모타손실열(동손,철손)과 마찰부위에서 발생되는 마찰열,압축일이 열로 변하는 것등은 압축기 설계당시에 고려되므로 큰 문제는 없으나 비정상적인 운전 상태하에서 장치내의 윤활유 및 냉매등과의 화학적인 변화등이 압축기 조기 고장의 원인이 되고 있다.

30)   지속적인 과열은 압축기 뿐만 아니라 장치전체에도 악영향을 미치게 된다. 유와 냉매가스는 적정온도, 깨끗하고 정상적인 장치에서는 화학적으로 안정되어 있으나 과열이 발생시에는 걷잡을 수 없는 파급 호과를 가져올 수가 있다.

31)   과열에 의해 발생되는 가장 명백한 현상은 고압변 리드나 변판고압 부위에 카본이 형성되게 되고 이 현상은 다시 오일 탄화를 불러 급기야는 배출변리드가 약화되거나 누설이 발생되고 계속될 경우 파손이 된다.

32)   그리고 다음에는 콘넥팅 롯드와 피스톤 핀 HOLE의 마모가 발생된다. 이는 위 액 햄머를 설명한 경우에 말한 바 있다.

33)   카본의 생성과 유의 탄화는 드라이어의 막힘에 의해서도 발생될 수 있다.

34)   그리고 만일 압축기 내부에 오일 스럿시(유 침전물)와 카본등이 형성되어 있으면 압축기 내부및 유 통로가 좁아져서 궁극적으로 압축기 고장이 발생되는 원인이 된다.

35)   따라서 압축기에서의 가장 중요한 점은 토출구에서의 열 발생이 실린더 벽까지 전도되어 흐입입가스가 냉각할 수 있는 수준을 초과할 경우 피스톤 핀, 피스톤 링과 실린더 벽의 이상마모를 초래하게 되며 이러한 이상마모는 상기 25,26항의 이상 상태와 더불어 압축기 수명을 급속히 단축하게 되거나 기계 파손의 직접적인 원인이 된다.

36)   압기내에 작은 쇠조각 찌꺼기 등의 이물질이 있다면 이는 오일 펌프의 여과기 등에 모여 장애를 일으키게 되고 윤활유의 통과량을 적게 하므로써 윤활유의 냉각 효과와 윤활 작용을 급격히 저하시켜 고장의 원인이 된다.

37)   첨부해서 이들 쇠붙이 조각등의 이물질은 모타 코일 및 코아등에 모이게 되어 모타권선을 손상시켜 모타소손의 원인이 되기도 한다.

38)   다음으로 이상마모된 피스톤 링과 피스톤의 영향으로 냉매냉각방식의 압축기에서는 헐거워진 피스톤을 통과해서 흡입 압력이 크랑크 케이스의 압력을 상승시키고 이것이 지나쳐서 ventilation valve의 능력을 초과하게 될 경우 크랑크 케이스 벽과 모타실 사이에 있는 오일역지변이 닫히게되어 모타실에 있는 유가 크랑크 케이스로 흘러 들어오는 것을 막게 되므로, 크랑크 케이스의 유면이 저하되게 되고 압축기는 윤활이 불충분한 상태에서 운전되게 되므로 압축기 고장의 원인이 되며 이런 경우에 기계가 정지되면 갑자기 압축기의 유면이 운전시보다 상승되게 된다.

39)   윤활유의 부족은 과열의 원인이며 가열은 유의 점도를 떨어뜨리고 낮은 점도는 베아링등 마찰 부위에 열이 발생되는 등 악순환이 지속되므로 베아링, 피스톤 롯드,링, 피스톤 등의 급격한 마모를 초래하게 된다.

40)  압축기 자체의 과열 발생의 주 요인은 크게 다음 세가지로 요약할 수있다.
1) 높은 압축비
2) 높은 리턴 가스 온도
3) 부적절한 압축기 냉각

41)  그중 첫번째인 높은 압축비는 작동중 저압을 너무 낮게 유지하든지 과도하게 응축 압력이 높다든지 혹은 위 두가지가 겹치든지의 경우이다. 압축기를 장기간 안전하게 유지하기 위해서는 가능한 낮은 압축비로 운전하는 것이며, 특히 저온장치에서 과열은 압축기 고장의 첫번째 요인으로 꼽히고 있다.

42)  냉동기사사 장치를 조정하여 흡입압력이 정상으로돌아왔다면 팽창변으로 들어가는 냉매액의 흐름이 일정하게 유지되도록하라. 그리고 팽창변의 과열도를 공장에서 제작시에 설정한 최소한의 값으로 유지되도록 하는 것이 좋다.

43)  높은 토출 압력은 장치에서 많은 문제를 발생체하는 원인이며 경우에 따라서 응축 불량의 문제도 발생된다. 첨가해서 말하면 압축기에서 과도한 열이 발생되고 고압이 과도하게 높으면 실린더내에서 재팽창이 일어나므로 압축기의 능력이 현저히 감소되게 된다.

44)   낮은 흡입 압력은 작은 증발기나 과도하게 큰 압축기나 흡입 배관의 규격이 현저히 적다든지 하는 부품이나 장치중의 연결기기(응축기,EXP,V)의 부조화나 설비 잘못에 기인된다.

45)   지나친 흡입 압력 저하는 가스의 밀도가 낮아지고 압축기의 냉각을 불만족스럽게 하며 압축기의 능력의 현저한 감소를 초래하게 된다. 예를 들면, -37도의 증발온도에서 0.17kg/m2의 흡입 압력 강하는 약 18%의 압축기 능력 강하를 야기시킨다.

46)   또한가지는 흡입 배관이 보온이 안되었거나 뜨거운 장소를 거쳐가게 하는 것도 흡입 가스 온도 상승의 요인이 된다

47)   압축기 과열의 여러 요인에 부가해서 모든 공기 냉각 방식의 압축기에는 압축기를 냉각할 공기의 양이 주요관건이 되며 흡입 가스 온도가 32도이거나 그 이하의 흡입 가스 냉각 방식의 압축기에는 압축기 몸체나 헤드 냉각을 위하여 적어도 33m3/M의 공기냉각 속도가 요구된다. 만일 공냉식 응축기 휀이 이런 조건들(충분한 풍량이나 필요한 최소한의 풍속)을 충족시키지 못한다면 이를 대체할 보조 냉각 휀이 반드시 있어야 한다.

48)   압축기를 안전하게 장기적으로 사용하기 위해서는 적정한 윤활이 생명이며 이를 위해서 윤활유 안전 사용 온도가 허용치 이하로 유지되도록 하는 것이 필수 요건이다. 참고로 윤활유 특성을 몇가지 들면,

1)          냉동기용 윤활유는 177도 이상에서는 그 성분이 변해버리며,

2)           155도에서 160도에서는 증기화되거나 유의 점도가 저하되어 피스톤 링이나 실린더 벽의 마모의 원인이 된다.

49)  그러나 우리는 압축기 내부에서는 온도를 측정할 수가 없다. 압축기의 토출번 직후의 냉매 가스 온도는 전도와 대류현상으로 톨출측 서비스 발브에서 약 15cm 떨어진 곳에서 온도를 측정할 경우 토출변 직후의 온도보다 28도에서 42도 낮게 측정되는 바 이는 과열이라는 측면에서는 오히려 온도를 낮게 하는 요소가 된다.

jaesouk