스크류냉동기 고장진단과 대책

스크류냉동기 고장진단과 대책 Ⅰ. 머리말 세계적인 환경 보호와 더불어 에너지 절약에 대한관심과 활동이 고조되고 있다. 특히 인간 환경을 개선하고 자연과의 친화가 더욱 강조되고 있는 시점이다, 동일한 어네지를 가지고 최대의 효과를 얻고자하는 노력은 전 산업 분야에서 이루어지고 있으며 냉동 공조 분야에서도 전동기를 사용하는 모든 기기의 성력화가 그 일환이라고 말할 수 있다. 종전의 전동식 압축기로써는 왕복동식을 주로 사용해 왔으나 효율이 나쁘고 유지 보수를 자주해야 하는 번거로움으로 이제는 고효율, 고성능,고신뢰성을 갖는 스크류압축기로 거의 대부분 바뀌고 있다. 스크류압축기의 기본 작동 원리는 다음과 같다. 치형을 갖고있는 숫로터와 암로터가 맞물려 회전을 하게되면 숫로터와 암로터의 치형 공간의 변화에 따라 흡입,압축,토출행정으로 압축이 되는 것이다 이 스크류 압축기는 최대 치형 공간 체적 만큼 흡입하고 토출구에 다달았을 때 토출이 되는 용적식 압축기로써 그 구조가 간단하고 마모등이 거의 없는 고 신뢰성의 압축기로 장기간 사용후 베어링의 교체 등 외에는 유지 보수가 거의 불필요한 장점을 갖고 있다. 또한, 로터간의 틈새,로터와 케이싱간의 틈새를 압축과정에서 분사되는 윤활유로 밀봉하여 압축과 정중의 누설이 최소화됨으로써 체적효율이 높은 특성이 있어 각광을 받고 있다. 이러한 스크류압축기를 사용하는 냉동기의 고장 진단과 그 처치 방법에 대해 본고에서 대략살펴보고자 한다 명칭 형 식 비고 압축기 반밀폐형 , 개방형압축기 사용냉매 R-22 R-134A 암모니아 응축기 FIN & COIL 증발기 SHELL & TUBE식,이중관식,판형열교환기 팽창변 감온식,전자식 기타 유분리기, 유냉각기,역지변 [표 1] 주요구성기기의 명칭과 형식 Ⅱ. 스크류 냉동기의 구조와 분류 1.구조 스크류 냉동기는 스크류 압축기,증발기,응축기,팽창변,유분리기,역지변,조작반등으로 구성되어있으며 그구조는 공냉식과 수냉식으로 나눌 수 있다. (1)공냉식 스크류 냉동기 응축기에서의 냉매 응축에 필요한 냉각을 대기의 공기와 열교환시키기 위하여 FIN ＆ COIL 형식의 열교환기와 냉각 Fan으로 구성되어 있으며 Shell ＆ Tube 형식 및 판형열교환기(Plate Type Heat exchanger) 형식의 수냉식 증발기,감온식 팽창변등이 스크류압축기와구성된 냉동기이다. (2)수냉식 스크류냉동기 응축기에서의 냉매 응측에 필요한 냉각을 냉각탑을 거쳐 냉각된 냉각수와 열교환시키기 위한 shell ＆ tube식 및 각종 열교환기로 구성되며 기타 주요 기기는 공냉식과 동일하다. 2. 분 류 스크류냉동기는 그 사용 온도 범위에 따라 상온용,중저온용으로 크게 분류할 수 있으며 분류기준에 표준이 있는 것이 아니고 사용 온도 범위에 최적한 스크류 압축기의 설계 용적비로 분류된다. 즉,스크류압축기에는 케이싱상에 위치하는 흡입구와토출구가 성형 가공되므로 설계 제작시,크게 3단계의 압력비에 최적한 크기의 토출구를 갖게 된다. 따라서 그 사용 온도 범위에 적합한 압축비를 갖는 스크류 압축기가 요구되며 이로써 냉동기의분류가 된다고 말할 수 있다. 스크류 압축기에서 설계용적비(Vi)란 흡입 종료시 최대 흡입량을 토출 직적의 체적과의 비로써 아래식과 같이 정의되며 이는 압력비와 관련이 있음을 알 수 있다. 설계용적비(Vi)=흡입종료시 최대 치형간체적( V1 ) / 토출직전의 치형공간 체적(V2) 압력비(Pr)= P2 / p1 = (V1 / v2 )K = ViK (K: polytroph 지수) [표 2]는 분류에 따른 사용온도 범위와 그에 적합한 설계용적비를 나타내며 이를 참고로 용도에 맞는압축기 및 냉동기 선정이 필요하다. 분류 압축형식 사용온도범위(증발) 설계용적비 상온용 1단압축 15∼0℃ Vi=2.4∼2.6 중저온용 1단압축 -5∼35℃ Vi=4.0∼5.0 초저온용 2단압축 -40℃∼-60℃ 1단 Vi=3.0∼3.5 2단 Vi=3.0∼3.2 [표2] 사용온도 범위와 설계용적비 Ⅲ.운전과 점검 냉동장치의 운전 중,점검이 필요한 개소 및 정상적인 운전상태에 대한 운전하고 있는 스크류냉동기의 점검개소를 정하여, 정상상태의 기준과 이상상태의 판정기준을명확히 해두며,또한 운전일지를 만들어 정기적으로 운전상태를 기록 보존하는 것이 운전관리상 매우 중요한 일이라할 수 있고 고장발생시 진단 및 조치하는데 많은 도움을 준다. 1. 스크류냉동기 운전의 중요 포인트 냉동기의 안전된 운전을 위해서 주의하여야 할 사항 중, 장치 각 부의 상태와 현상, 그리고 그 원인은 다음과 같다. 냉동기는 단순히 각 기기가 운전되고 았다고 해서 반드시 소정의 성능이 발휘된다고 할 수는 없다. 즉, 각 기기의 운전상태가 잘 균형 되도록 운전조정이 필요하다. 또, 냉동기 운전 중에 일어나는 각종의 현상은 ,여러 가지의 원인이 중복되어 일어나는 경우가 많다. 따라서 ,운전조정이나 고당진단에는 이들의 인과관계(因果關係)와 파급되어가는 상황을 규명하여, 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다. 다음의 설명은 운전중에 일어나는 현상과 원인에 대한 것이다. (1)흡입가스압력(증발온도) 흡입가스압력은 배관, 흡입여과기 등의 저항으로 증발압력보다도 조금 낮으며, 증발기의 상태 ,팽창밸브의 조정상태 등에 의해 변화한다. 흡입압력의 강하는, 압축비의 증대로 체적효율이 저하하여 냉동능력을 감소시키며, 이 영향은 토출가스압력 상승의 경우보다 크다. 이것은 흡입증기의 비체적이 작아짐으로써 이로 인한 냉매순환량이 적어지기 때문이다. 증발기는 냉동장치의 종류에 따라 그 구조, 피냉각물 온도 등의 조건이 다르며 ,증발압력은 피냉각물의 냉각온도에 의해 결정된다. 냉매의 증발온도와 냉각온도와의 온도차는 ,증발기의 크기에 관계가 있으며 ,이 온도차를 적게 운전하면 증발압력을 높게 운전하는 것이 가능하지만 ,증발기는 크게 되어 설비비의 증대를 초래한다. 그러나 에너지절약의 관점에서 보면, 증발온도(압력)는 높게 유지하는 것이 유리하며 흡입가스압력을 미리 정해진 설계조건보다 저하시키는 원인은 다음과 같다. ① 피냉각물 (냉수 ,Brine)의 온도가 내려갔을 때 (부하의 감소 ② 팽창밸브의 조절이 작게 돼었을 때( 냉매 유량의 감소) ③ 냉매의 부족 (냉매 유량의 감소) ④ 증발기내 윤활유가 다량 고여 있을 때 (열교환 불량) (2)토출가스압력(온도) 압축기의 토출가스압력은 배관 등의 저항에의해 응축압력보다 조금 높으며 ,응축기의 냉각수량(냉각풍량),수온(공기온도)에 의해 변화한다. 즉, 냉각수량의 증가 ,수온의 저하에의해 토출가스압력은 저하되며, 역의 경우는 상승한다. 토출가스의 온도상승은 윤활유의 점도를 낮게하여 체적효율을 감소시킬뿐만 아니라,윤활유를 분해,열화시켜 윤활유수명단축 및 윤활작용불량으로 베어링 축수등의 마모를 초래한다. 특히, 암모니아는 프레온계 냉매에 비해 비열비(Cp/Cv)가 크기 때문에 동일 흡입가스온도, 증발온도 ,응축온도하에서 운전하여도 토출가스온도는 수십도 정도 높게된다. 토출가스온도가 높으면 유(油)가 열화되기 쉬워 토출구부근에 유의 열화에의한 탄화물이 생성되므로 ,토출가스온도는 120℃가 넘지않도록 운전하는 것이 필요하다. (3) 유분리기의 상태 유분리기는 운전중에 유를 분리해서 압축기의 오일챔버나 유분리기하부로 보내지는 구조로 되어있기 때문에 ,유면에 주의하여 반유의 상태를 점검하여야 한다. 유분리기는 운전중에는 온도가 높게 유지되어야 한다. 만약, 유분리기에서 토출가스가 냉각되어 ,여기서 응축하게 되면 액냉매와 함께 많은 량의 윤활유가 토출되게 된다. 또한 다량의 냉매를 함유한 윤활유에 의해 습동부위 마모가 초래될 수 있다 (4)응축기의 상태 적당한 응축압력(토출가스압력)을 확보하기위해 냉각수량, 수온을 점검하여 청결을 유지하는 것이 중요하다. 냉각관의 냉매측 표면은 윤활유가 부착되면 , 전열작용을 방해하므로 유분리기의 점검도 필요하다 응축압력이 적당히 낮은 것은 그만큼 냉동효과가 크게 되지만, 극단적으로 낮으면 팽창밸브에서 충분한 유량을 확보하지 못해 결과적으로 냉동능력이 저하된다. 공냉식응축기를 동절기에 운전하는 경우에는 팬의 회전수를 조절하던지 응축압력조절밸브등을 설치하여 응축압력을 어느정도 높게 유지할 필요가 있으며 수냉식응축기를 동절기에 운전하는 경우 냉각탑을 순환하는 냉각수의 온도관리가 필요하다. (5) 액압축 유 또는 냉매액이 압축기의 실린더에 흡입되면 액압축을 일으키게 된다. 이때, 액체는 비압축성 유체이므로, 큰 압력이 발생하여 급격한 충격음과 진동을 동반하며, 심하면 압축기가 파손되기도 한다.이러한 현상은 다음과 같은 조건일 경우에 일어나기 쉽다. ① 운전정지시, 액밸브를 완전히 잠그지 않으면 저온부의 증발기에 다량의 액냉매가 쌓여 다음 시동시 일시에 압축기에 흡입된다. 이러한 상황이 발생할 우려가 있는 경우에는 시동시에 흡입측 밸브를 잠근 상태에서 시동하여 서서히 개도(開度)를 증가시켜 급격한 흡입을 피한다. 또 자동운전에서는 팽창밸브 앞에 전자밸브를 설치하여 정지 전에 미리 전자밸브를 폐쇄하여 저압부의 냉매를 회수한다.(펌프다운방식) ②흡입관의 도중에 트랩 등 유나 냉매액이 모이기 쉬운 곳이 있으면 여기에 서서히 이들이 쌓여 일시에 압축기에 흡입된다. ③ 급격한 부하변동에 팽창밸브가 대응하지 못할 때 ④팽창밸브 등 냉매제어변의 개도를 급히 크게한 경우, 증발기에서 냉매액이 완전히 증발하지 못하고 액상태로 압축기에 흡입되게 한다. (6)금속편, 먼지 등 이물질의 흡입 냉매계통에 이물질이 혼입되면 이들이 냉매와 함께 장치내를 순환하며,장치에 다음과 같은 악영향을 미친다 ①팽창밸브 등 좁은 냉매통로에 쌓여 ,안정된 운전을 할 수없다. ②개방형압축기에서는 샤프트 실(shaft seal)에 오염된 윤활유가 공급되어 씰(seal)면을 손상하여 냉매가스의 누설의 원인이된다. ③밀폐형압축기를 사용하는 경우에는 냉매중에 이물질이 흡입되어 전기절연 성능을 나쁘게하여 전동기를 소손(燒損)시키는 경우가 있다. (7)수분의 영향 냉동계통내에 수분이 들어오면, 암모니아 냉동장치에서보다 프레온계 냉동장치에서 특히 그 영향은 크다. 암모니아는 수분의 용해도가 크지만, 프레온은 용해도가 작아 ,용해량이 한도를 초과하면 수분은 냉매와 분리되어 존재하며, 다음과 같은 장애를 일으킨다. ① 팽창밸브에서 수분이 동결하여 운전불능 상채를 초래한다. ②윤활유를 일부를 유화(油化)시켜, 윤활성을 저해한다. ③냉매계통중에 염산, 불화수소산을 생성시켜 이들 산(酸)이 금속부,특히 베어링,샤프트-실등의 주요부를 손상시킨다. ④냉매중에 혼입하여. 밀폐형압축기의 전동기 소손사고를 일으킨다. 이와 같은 악영향을 막기 위해,냉동장치 중에 수분이 침투하지 않도록 하는 것이 중요하며, 수분의 침입경로와 방지책은 [표 3]과 같다. 수분의 침입경로 방지대책 기밀시험 매체로 공기를 사용한 경우 공기와 함께 수분이 계통내에 침입 충분히 건조한 불활성가스(질소가스 등)를 사용. 공기를 사용할 때는 충분한 용량의 드라이어를 통한 공기를 공급하며 ,진공건조를 충분히 시킨다. 또 공기는 주위온도가 5℃이상일때만 사용 냉매계통의 개방(수리등) 흡입가스압력이 진공인 경우 공기와 함께 침입(누설개소를 통해) 개방한 계통을 복구할 때, 공기 퍼지를 확실히 실시(진공펌프 사용) 누설개소를 수리하여,가능한 한 진공운전을 피한다. [표 3] 수분침입경로와 대책 Ⅳ.스크류냉동기고장 사례와 그 대책 1.토출측 역지변(Check valve)의 누설 스크류냉동기의 냉동배관상에서 스크류압축기의 토출배관에 부착죄는 역지변은 운전중 냉동기의 정지시, 고압측 냉매가 저압측으로 균압을 이루기위해 역으로 흐르는 것을 차단시켜 스크류 압축기내의 스크류 로터가 역회전하는 것을 최소화 또는 방지하기 위한 것이다. 만일 장시간동안 반복적으로 역회전된다면 로터 치형의 마모와 베어링의 수명단축 등이 야기되어 장시간운전이 불가능한 경우가 발생된다. 정지후 장시간동안 로터의 역회전이 된다면 역지변의 누설로 판단하여 역지변을 분해점검하여야 한다. 역지변의 내부는 여러형태로 되어 있으나 일반적으로 실린더, 피스턴과 스프링등으로 구성되어 있다. 주요한 요인으로써는 이물질로 인한 피스톤 실의 마모, 가이드 실린더와 피스톤의 원활치 못한 슬라이딩 움직임,스프링의 탄성손실등이며,분해 점검후 교체 가능한 부품으로 재조립하여 누설이 없는지 피스톤의 움직임은 원활한지 확인되어야 한다. 2.스크류압축기의 진동과 소음 발생 일반적으로 장시간 사용할 때 ,보통운전시간으로 20,000~30,000시간 경과후 베어링의 일부 마모로 인하여 로터간의 중심거리가 로터의 실링 라인을 정상적으로 형성하기 어려운 상태가 되면 로터간 비정상적인 맞물림에 의해 이상 소음과 진동이 야기되게 된다. 이런 경우 베어링의 등급과 규격을 정확히 확인하여 조합형식에 맞도록 신품으로 교체하여야 한다. 베어링의 등급이란 구름 베어링에서 외륜과 내륜 사이에 있는 롤러나 볼간의 내부틈새를 말하며 스크류의 경우 정밀급을 많이 사용한다. 조합형이란 Tandem, Back to Back, Foce to Face로 볼베어링의 수명과 조립성에 큰 영향을 주므로 반드시 조립된 상태로 유지되어야 한다. 3.주전원의 연결 상태불량으로 인한 역회전으로 로터 고착 3상인 R,S,T상의 주전원과 압축기의 전동기와 연결시 정회전이 아닌 역회전으로 회전하는 연결이 된채 기동한후 고압,저압을 확인하지않고 그대로 짧은시간(약 5초이상)동안 운전을 지속시켰을 경우 로터간 억지 회전과 토출측으로 로터가 강하게 밀리게 되어 로터 및 토출측 케이싱과 접촉하게 되고 이로 인한 마찰용접 상태가 되어 고착되는 현상이 발생한다. 따라서 설치후 초기 기동시 반드시 운전개시 즉시 고압,저압게이지를 보고 정상적인 냉동사이클이 이루어 지는 지를 확인하여야만 이와 같은 사고를 예방할 수 있는 것이다 4.다량의 윤활유가 열교환기 등 냉동사이클에 잔유되어 윤활유 부족으로 인한 압축기 고장 압축기에 부착된 오일 히터의 고장,불안정한 상태의 재기동,유분리기의 불량등으로 열교환기 특히 증발기내에 다량의 윤활유가 압축기내로 회수되지 못하고 , 체류될 경우 다량의 윤활유는 부족하게 되고 이로 인해 압축시 발생되는 열에 의해 로터 등의 선팽창으로 케이싱의 마모가 유발되며 동시에 베어링으로의 윤활유 공급부족으로 마모가 초래되어 치명적인 고장이 일어나게 된다. 이를 방지하기 위해서는 기동후 30분내에 압축기에 부착되어 있는 사이트 그라스의 유면이 정상적인 수준에서 유지되지 확인하여야 하며 이후에도 오일레벨이 낮을 경우 윤활유를 일부 보충하여 한다. 오일히터가 단선되어 기동시 오일포밍이 발생되게되면 유분리기가 미처 이루어지지 못한 상태로 토출되므로 가끔 기동하기 전에 압축기 하부가 약간 뜨거운 표면온도를 유지하는지 케이싱을만져확인할 필요가 있으며 테스터를 이용하여 오일 히터의 단선유무를 확인해야 한다. 5.증발기내의 전열관 및 응축기내의 전열관과 관판의 확관 부위 누설과 동파 장기간 사용할 때 전열관 양단의 확관부의 틈새가 발생되어 냉수 및 냉각수가 냉동사이클로 유입된채 운전되는 경우와 동절기 휴지 기간동안 잔류된 냉수,냉각수에의 빙결에 의해 전열관의 일부가 파손되어 유입된 채 운전되는 경우, 반밀폐형스크류압축기의 전동기 코일 등의 절연 파괴,내부 녹발생으로 인한 사고가 야기되며 운전이 되더라도 팽창변의 노즐과 액관필터드라이어등에서 얼음이 만들어져 소량의 액냉매만 흐르게 되어 저압이 급격히 저하하는 등의 사고가 발생된다. 우선적으로 이를 방지하기 위해서는 정기적인 누설부위 확인이 필요하며 특히 동절기를 접어들기 전에 반드시 냉동기의 대부분의 냉매를 응축기나 리시버탱크등에 펌프다운 시키고 열교환기내의 냉수 또는 냉각수를 완전히 드레인시켜야 하며 압축공기나 질소등으로 관내 잔여물을 제거시켜야 안전하다.확관부위의 누설이 확인된 경우 관내경을 측정하여 그에 맞는 확관기등을 이용하여 재작업후 기밀시험을 실시하여 누설이 제거되었는지 확인 조치한다. 동파가 된 경우 전열관이 삽입되는 관판 구멍보다 0.5mm작은 드릴로 확관부위의 동관을 제거한 후 신품으로 교체하거나 동 등의 전열관을 구하기 힘든 경우 임시적으로 열교환기내의 전열관 수량이 많아 성능상 큰 지장이 없을 경우 양단에 끝이 막힌 동관등으로 막아 냉동사이클로 물이 혼입되지 않도록 한다. 6.액압축 압축기 흡입측으로 다량의 액이 유입되는 경우 스크류압축기라도 액압측으로 인한 베어링 파손 및 구동 전동기의 과부하가 초래되므로 소량이상의 액압축을 피하는 것이 바람직하며 이런 경우 실제 냉동사이클상 필요한 냉동부하와 냉동기부하가 적절히 조화 있게 부하 ꁹ 부분부하운전이 이루어지는지 확인해야 한다.이러한 부하변동에 대한 적절한 냉동기 운전이 되질 않을 경우 1차로 팽창변의 조정나사로써 압축기로 유입되는 냉매의 과열도를 조정하고 이로써도 만족되지 못할 경우 2차로 스크류압축기의 용량조절시스템을 조정하는 계통을 점검하여 불필요한 액압축이 되지 않도록 조치한다. 7.높은 토출가스온도 거의 대부분의 스크류냉동기에 쓰이는 스크류압축기는 압축과정중에 다량의 윤활유를 로터들과 케이싱 사이에 분사하는 급유식 압축기이며 윤활유를 분사시키는 목적으로는 틈새를 밀봉하여 체적효율을 높이고 압축시 발생되는 열을 흡수하는 냉각작용과 실링선 등의 윤활작용을 하고 있다. 오일 여과기의 눈막힘이 발생되어 너무 부족한 다량의 이물질로 인한 윤활유분사시 기계적 효율저하가 초래되며 토출가스온도도 증대되어 토출가스온도감지센서에 의해 지나친 팽창변 조정으로 높은 과열도를 갖는 경우 등으로 토출가스온도가 올라가는 것을 제외하고는 위에서 설명한 윤활유의 계통상 문제로 야기된다고 말할 수 있다. 이런 경우 압축기로 흡입되는 냉매온도와 증발온도 등을 측정하여 팽창변을 조정하고 압축기의 오일레벨이 정상적인지를 확인한 후에도 토출가스가 높은 경우 펌프다운을 실시하고 압축기의 오일계통중 오일여과기 등을 점검 보수하여야 한다. 어떤 경우 지나치게 높은 고압을 유지한 채 운전하는 경우에도 토출가스온도는 규정이상으로 상승하게 된다.지나치게 높은 토출가스 온도를 유지한채,( 대략 120℃~130℃이상)연속 운전하는 경우 윤활유가 서서히 탄화되어 수명 단축 ,윤활 특성이 상실되어 습동부위 마모가 초래되므로 주의를 요한다. 이 외에도 수많은 문제점이 발생될 수 있으므로 운전요령을 숙지하고 주기적인 점검과 이상 유무를 확인하여 조치하여야 냉동기를 오래 양호한 상태로 사용할 수 있다고 생각한다. Ⅴ.맺음말 일반적으로 압축기의 특성과 구조상 차이점이 많으나 압축기의 올바른 이해와 그와 관련된 냉돌기의 전체 시스템을 명확히 이해한다면 고장 발생시 용이하게 대처할 수 있다고 생각한다. 특히, 스크류냉동기의 경우 윤활류의 역할이 매우 중요하므로 윤활유 관리에 각별한 관심이 요구되며 상태 유지에 만전을 기한다면 스크류냉동기의 장점을 최대한 활용할 수 있고 기계수명을 연장할 수 있는 최서의 방법이라 사료되며 본문에 일부 소개한 사례와 대책이 관련 기술자들에게 도움이 되기를 바란다. 상기 글은 사단법인 한국설비기술협회 (구)냉동공조기술협회 에서 발간된 협회지1997년 7월호에 남 임 우 (주)센추리 기술연구소 부장(기술사)께서 기고한 글을 옮겨 기재한 것입니다