냉매순환량(공급량)의 과부족에서 기인하는 냉동사이클의 변화

[그림자]

냉매순환량(공급량)의 과부족에서 기인하는 냉동사이클의 변화

  각종 냉동공조장치는 팽창밸브(또는 캐필러리 튜브)에 액냉매가 최적으로 공급되는 것을 전제로 설계되어 있다. 만일, 액냉매의 유량이 일정한 범위를 넘어 증감할 경우에는, 성능의 저하를 비롯하여 압축기나 모터의 손상이라는 중대한 사고로 발전하게 된다. 최근에 중규모 이하의 공조설비가 주류인 빌딩용 멀티(공냉식 히트펌프)의 사례를 그림을 통하여 P-h 선도상에서의 변화를 참조하면서 살펴보기로 한다.

  1. 표준적인 사이클 (건조 포화압력)

  적정한 냉매 충전량과 팽창밸브(또는 캐필러리 튜브)가 정상적으로 기능을 발휘하고 있을 때, 냉매액은 증발기(실내기용 핀 코일) 출구 부근에서 증발을 막 끝마치고서 건조포화증기 상태로서 압축기에 흡입된다. 흡입압력상당 포화온도(포화증기표에 따른다)와 흡입가스 온도(압축기 흡입구에 가까운 흡입관 표면온도, 표면온도계 사용)와의 차는 5～10도가 되며, 토출온도는 대략 60～80℃에서 운전된다.

  그림 (B)의 건조 포화압축 상태에 해당한다. 효율이 좋고, 기기의 열화도 적으며, 장기간 안정된 운전이 가능하게 된다.

  2. 과열운전

  캐필러리 튜브의 막힘 등으로 냉매 유량이 감소된 경우, 증발기 출구 바로 앞에서 이미 증발이 끝나버리며, 증발기 끝부분에서는 더욱 많은 열을 흡수하여 압력상태는 변화하지 않고(압력 일정) 온도만 상승하여 과열증기 상태로 압축기에 흡입됨에 따라 토출가스 온도는 100℃를 초과하게 된다. 이 경우는 그림 (A)의 과열압축 상태에 해당한다. 현장에서 이러한 문제가 빈번히 발생하는데, 다음에 그 원인을 살펴보자.

  ⑴ 원인

  ⒜ 가스 누설

  소량의 가스가 누설됨에 따라 서서히 액냉매의 공급량이 감소하여 토출온도  상승, 능력부족, 압축기 전체의 온도상승으로 윤활유의 열화, 압축기 구속, 전동기 소손으로 발전한다.

  ⒝ 캐필러리 튜브 막힘

  냉매는 규정량 충전되어 있는데, 캐필러리 튜브(팽창밸브)가 막힘으로써, 액냉매의 공급량이 감소하여 ⒜와 같은 상황이 되기도 한다.

  ⑵ 불합리한 현상 예

  ⒜ 압축기 구속 (늘어붙음)

  1) 과열운전으로 오일의 점도가 낮아진다(엷어진다).

  2) 냉매 순환량이 감소하므로 압축기로 유입되는 오일 회수가 적어 유면이 낮아진다. 그리고 유량이 감소하여 점도가 저하됨에 따라 윤활부족이 원인이 되어 늘어붙는다.

  ⒝ 모터 소손

  1) 흡입가스가 과열됨에 따라 고정자 코일의 온도상승으로 절연재가 열화하여 소손된다(상간단락, 지락).

  2) 구속된 압축기가 발정을 반복하는 경우.

     ⒜의 가스누설과 ⒝와 같은 모터 소손은 역순으로 또는 순차적으로 발생하는 경우가 있는데, 모터 소손의 경우에는 신중하게 확인해야 한다. 왜냐하면, 소손으로 탄화된 절연재가 계내에서 확산되는 경우가 많아, 복구 작업시에 이러한 사항들을 확실하게 제거하기 위한 계내의 세정 또는 탈산 드라이어를 부설할 필요가 있으며, 압축기가 구속되었을 뿐인 경우와는 조치 절차가 다르다.

  3. 습압축(습증기 흡입)

  부하가 감소하거나 냉매 유량이 증가하면 증발기 출구에서 냉매는 미처 다 증발하지 못한 채 액이 남아있는 상태로 압축기에 흡입된다. 압축기는 눈사람 상태로 착상하며, 토출관은 30℃이하로 떨어지는 경우가 있다. 그림 상의 (C)와 같은 습압축 상태를 “습증기 흡입(wet vapor suction)"이라고 불리고 있다.

  최근에 빌딩 멀티형에서 필터와 실내기 코일의 오염 등이 원인이 되어 습증기 흡입으로 압축기 파손에 이르는 사례가 빈번히 발생한다고 생각한다. 오염에 의해 풍량이 감소하고 열교환을 방해하는 결과, 극단적인 부하의 감소와 같은 상태로 미처 증발되지 않은 액냉매가 압축기로 흡입되며, 냉매의 일부는 오일에 혼입용해되어 오일의 점도저하 → 기포발생(foaming) → 오일의 체적 증가 → 이상 오일 손실, 유면 저하 → 윤활불량으로 늘어붙는 현상(siezure)이 발생하게 된다.

  이상과 같은 현상은 과열 또는 습증기 흡입 운전이 일정시간 계속된 후에 야기되는 운전장해의 사례중의 하나인데, 이밖에도 예를 들어 보면, 윤활불량으로 늘어붙는 과정에서 마모된 알루미늄이나 철분이 계내를 떠돌게 된다. 또 고온 열화된 오일도 미량의 수분이나 산과 반응하여 슬러지(sludge)가 되어, 마찬가지로 캐필러리 튜브를 막히게 하거나 어큐뮬레이터의 오일 구멍을 막히게 하는 등, 후유증으로서 다른 보조기기의 수명을 단축하는 결과를 낳는다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 시공시에는 냉매배관의 기본인 건조(dry), 세정(clean), 기밀(tight)을 확실하게 실시해야 한다. 서비스면에서는 고객을 충분히 이해시켜 정기적으로 점검과 정비를 실시하는 것이 중요하다.