압축기(Compressor),증기압축식시스템 주설비, 냉동(냉수) 시스템 요소기술

1. 압축기 (Compressor)

 

1) 개요

o 증발기에서 증발한 저온저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기에서 응축액화하기 용이하도록 응축온도에 상당하는 포화압력까지 압력과 온도를 증대시켜주는 기계장치로 냉매에 압을 형성하여 순환력을 주어 밀폐회로를 냉매가 순환할 수 있게 해주는 기계

 

o 압축기는 기체를 압축하여 압력 상승, 비체적 감소를 유발하는 장치를 말한다. 압축기의 작동 원리에 따라 용적형과 터보형으로 분류할 수 있으며 용적형 압축기(Positive Displacement Compressor)는 냉매 증기의 체적의 감소를 통하여 압력을 증가시키는 방 식이며, 터보형 압축기(Turbo Compressor, Dynamic Compressor)는 가스의 운동에너지 를 압력에너지로 변환시켜 압력을 증가시키는 방식이다.

 

o 이와 반대로 작동하는 유체기계는 운동에너지차로부터 동력을 얻어낼 수 있게 되는데, 용적형일 경우는 팽창기(expander)로, 터보형일 경우는 터빈으로 부르기도 한다. 팽창기 는 광의의 의미로 터빈을 포괄하기도 하는데, 원칙적으로 모든 압축기는 팽창기로 사용 할 수 있다.

 

o 압축기는 기체를 대상으로 하는 기계인데, 압축비(PR, pressure ratio)는 전체 압력비를 나타내는 정량적인 값이다. 아래 식은 압축비를 정의한 식인데 각각 압축전 후의 기체의 전압을 나타낸다.

 

o 압축기는 펌프와는 달리 기체를 가압시키는 기계이므로 기체의 특성에 의한 효율저감 사유가 발생하게 된다. 압축기에서는 기체가 빠른 속도로 압축이 이루어지므로 외부 열 출입이 없는 단열 과정에 의한 압축이 발생한다. 또한 기체는 압축 과정에서 보일-샤를 의 법칙에 근사한 특성을 보이게 되는데 이를 정량화한 값을 단열압축효율이라고 정의 한다. 팽창기에서는 이와 반대로 단열팽창효율이라고 정의하는데, 공히 단열효율이라고 부르며 압축기/팽창기의 성능을 나타내는 주요한 지표가 된다.

 

o 압축일은 압축 과정의 효율성과 냉매의 열역학적 성질에 좌우되는데, 단열 과정은 가역 압축 과정으로 등엔트로피 압축일을 나타내며 압축일이 최소로 되게 한다. 실제 압축일은 등엔트로피 압축일보다 항상 크다. 아래 그림에는 단순 증기압축 사이클에서 압력-엔탈피 선도를 나타낸 그래프이다.

 

 

o 상기 그림에서 3-4 과정이 기체가 압축되게 되는데, 실제 압축기에서 배출되는 기체의 엔트로피와 엔탈피(4)는 단열압축 과정에서 압축된 출구 상태(4s) 보다 큰 값을 가지게 된다. 즉 다음 식에 따라 단열압축효율이 결정된다. 단열압축효율은 일반적으로 0.75와 0.85 사이에서 위치하게 된다

 

 

o 통상 압축비를 올리기 위해서는 압축기를 여러 대 직렬로 연결하는 다단 압축의 방법을 사용하기도 한다. 다단 압축을 위해서는 다단 펌프와 마찬가지로 여러 대의 펌프를 직렬 로 연결하게 되는데, 앞에서 언급한 것과 같이 기체의 압축에서는 온도의 상승이 따라오 므로 전단의 토출된 기체를 그대로 압축할 경우 기체 압력이 지나치게 높아지게 되어 효율이 떨어지고 터보압축기에서는 써징(Surging)이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위 하여 중간냉각기(Inter-Cooler)를 많이 사용한다.

 

 

 

 

2) 분 류

 

가. 구조에 의한 분류

 

 

 

 

A. 밀폐형 - 압축기와 전동기가 하나의 용기내에 내장되어 있는 구조

 

o 압축기와 원동기가 용접에 의해 완전히 밀폐된 용기 내에 들어있으며, 냉매의 입출입관 과 전기 단자만이 노출되어있다. 냉매의 누출과 외부증기의 유입을 방지할 수 있지만 용 접이 되어있어 정비가 안 되는 단점이 있다.

 

B. 반밀폐형

 

o 압축기와 전동기가 개방이 가능한 케이스 속에 넣은 압축기로서 실린더 헤드에 체결용 볼트를 제거하면 분해할 수 있다. 실린더 헤드가 볼트 조임으로 되어있어 피스톤과 밸브 의 점검이 용이하다. 축봉장치가 필요 없고, 패키지형 공조기에 많이 사용된다.

 

C. 개방형 -압축기와 전동기가 분리되어 있는 구조

 

o 압축기와 원동기가 별개로 되어 있어서 원동기로 부터의 구동은 V밸트 또는 직결 방식 으로 행하며, 크랭크축이 압축기 외벽을 통과하여 V 밸트 휠에 연결되어 있으므로 냉매 의 누출을 방지하기 위하여 축봉장치를 필요로 한다.

 

 

 

나. 압축 방식에 의한 분류

 

A. 왕복동 압축기 - 소용량, 일반형 (용적식)

 

o 왕복동식 압축기는 아래 그림에서와 같이 자동차 엔진과 유사한 구조로 되어 있으며, 흡 기와 배기밸브, 피스톤 등으로 구성되어 있다. 왕복동식 압축기는 소용량에서 중용량까 지 사용되는 압축기로 컴팩트하고 설치면적이 작으며 저렴하다는 장점이 있다. 또한 고 속다기통으로 구성할 경우에도 안정적으로 운전이 가능하며 써징과 같은 문제가 없어 다양한 범위에 적용이 가능하다.

 

o 그러나 수명이 짧고 공조용으로 사용될 때 용량이 100 USRT 이하로 제한되며, 용량가변 성이 가장 떨어지는 문제점이 있다. 또한 체적효율이 나쁘고 진동소음이 크며 초기기동 력이 많이 드는 등 문제가 있지만, 상기의 장점으로 인해 여러 응용분야에 많이 사용되 고 있다. 효율면에서도 부분부하는 좋지 못하지만 소형용량에서는 터보형 압축기보다 우수한 효율을 보이고 있다.

 

o 실린더 안을 왕복 운동하는 피스톤에 의해 냉매를 흡입, 압축, 배출하는 압축기를 왕복 식 압축기라 하며 현재 가장 널리 사용된다.

 

 

 

 

 

o 횡형 : 종래에는 많이 사용되었으나, 최근에는 거의 사용되지 않는다.

 

o 입형 : 회전수가 횡형에 비해 다소 빠른 편이고, 이 형식의 압축기는 냉매로서 CFC계 냉매 등을 사용하기도 하나, 주로 암모니아를 사용하고 있다.

 

o 고속다기통 : 종래의 입형 압축기로 회전수를 높이면, 압축기의 강도나 진동에 한계가 있으므로, 고속다기통 압축기가 개발되었다. 대형에서부터 중형, 소형 분야까지 널리 사 용되고 있는 압축기의 대표적인 형식중의 하나로서, 대량생산이 가능하다.

 

o 밀폐형 : 축봉장치가 필요 없기 때문에 압축기의 기밀성이 높을 뿐만 아니라, 압축기 구 동장치가 없으므로, 소형이며 소음도 적으나, 내장하는 전동기는 냉매가스의 작용으로 인한 전기적인 변화가 일어나지 않아야 한다. CFC계 냉매는 전기적 절연성이 뛰어나므 로 밀폐형 압축기에 적합한 냉매이다. 가정용 냉장고나 소용량의 가정용 공기조화기에 주로 사용

 

 

B. 로터리식 압축기

 

o 로터리 압축기(rotary compressor)는 냉매압축용으로 널리 사용되는 압축기이다. 로터리 압축기는 아래 그림과 같은 구조로 작동하게 되는데, 회전피스톤형과 회전베인형등 다양 한 형태의 압축기가 존재하게 된다. 로터리 압축기는 왕복동식 압축기와는 달리 압축과 정이 왕복운동이 아닌 회전운동에 의해 수행되므로 유동은 원활하고 일정하게 유지되며, 틈새체적(clearance volume)이 작아 재팽창에 의한 손실이 작으므로 체적효율이 높다. 로터리베인형 압축기는 중량과 변위체적의 비가 작아서 소형으로 제작할 수 있다. 대부 분의 로터리 압축기는 밀폐형으로 압축기와 모터가 동일한 케이싱 내부에 위치하도록 제작된다.

 

 

a. 회전 피스톤식 회전 압축기

­ 원통형의 강제 실린더 냉에 원통형의 편심 회전 피스톤이 회전하면서 냉기증기를 압축 한다.

 

b. 베인식 회전 압축기 ­

편심 회전통에 2~4개의 베인이나 격막판이 설치되어 있다. 로터가 회전되면 원심력에 의해 베인이 실린더 벽과 로터의 간격을 막아 차단된 공간 내의 증기를 압축한다.

 

 

 

 

C. 스크롤식 압축기

 

o 스크롤 압축기(scroll compressor)는 대부분 밀폐형으로 제작된다. 최근의 가공기술 발달 과 함께 활발히 개발되고 있으며, 20 RT 이내 규모의 열펌프 시스템에 사용되고 있다. 스크롤 압축기는 압축효율이 높아 활용성이 다양하다.

 

 

 

 

D. 스크류식 압축기

 

o 스크류 압축기(screw compressor)는 중대형시스템에 적용되는 압축기로 개방형이나 반 밀폐형으로 제작된다. 이는 고장이나 정비 시에 분리하여 수리하기에 용이하도록 함이 다. 스크류 압축기는 수회전자와 암회전자가 있으며 수회전자에 의해 구동된다. 수회전 자의 치수와 암회전자의 치수는 다를 수 있는데 예컨대, 수치수:암치수가 4:6이고, 수회 전자 구동회전수가 3,600rpm일 때 암회전자 회전수는 4/6인 2,400rpm이 된다. 아래 그 림에는 스크류 압축기의 외형과 압축 과정을 나타내었다.

 

 

 

 

 

o 스크류 압축기는 실린더 내에 통상 4개의 돌출부가 있는 암,수 회전축으로 구성되어있 다. 회전축인 수로토가 3600rpm으로 구동되며 암로터가 따라서 회전하면서 냉매증기를 압축기 상부로 흡입한다.

 

o 최근의 냉동용 압축기는 고속다기통 압축기와 스크류식 압축기가 가장 많이 사용되고 있다. 스크류 압축기는 비교적 소형이지만 큰 냉동능력을 발휘하기 때문에 대형냉동공장 에 적합하다.

 

E. 원심식 압축기

 

o 원심압축기(Centrifugal Compressor)는 공기가 압축기 내에서 가속되게 되며 가속과 함 께 압력이 상승하게 된다.

 

o 아래 그림에서 보이는 바와 같이 중심부로 저압기체가 유입되고 임펠러에 의해 가속된 기체가 가장자리로 빠져나가게 된다. 이 과정에서 비체적이 감소하며 연속적으로 압축되 게 되는데 일정한 위치에서 압력이 상승하는 피스톤 엔진과 차이가 나게 된다. 원심압축 기는 통상 터보압축기라고도 불리는데 로터에서의 운동량 공급이 압력상승의 동력이 된 다. 특히 용적형 압축기에 비해 월등히 높은 체적용량으로 대형시스템용으로 사용된다. 원심압축기는 고회전, 저진동, 고내구성의 장점이 있으나 구동 조건에 따른 작동 범위가 제한적이다.

 

 

 

 

o 이외에 축류 압축기(Axial Compressor)는 대형의 체적 유량이 요구되는 곳에 사용되는 압축기로 냉매압축기로 적용된 사례는 극히 드물다. 에어포일 모양의 동익(Rotor)으로 공기에 운동에너지 전달하고 가속시킨다. 이후 디퓨저 역할의 정익(Stator)을 통해 감속 시키고 이에 따라 압력이 상승하게 된다. 축류압축기는 1단이 낮은 압력비(1.2~1.6)를 가 지기 때문에 주로 5-6단 이상의 다단으로 구성된다. 그러나 원심압축기보다 훨씬 간단한 구조이면서 유량이 많아 유리하며 주로 비행기 엔진이나 가스터빈 등의 공기 압축에 주 로 사용된다.

 

o 대용량 저압축비형 비용적식으로 원심식 압축기로 고속회전(4,000~10,000rpm)하는 임펠 러의 원심력에 의해 속도에너지를 압력에너지로 변화하여 압축하는 형식임

 

o 냉동 용량에 의한 분류 ­

소형 : 30~100RT ­

중형 : 100~1,000RT ­

대형 : 1,000~3,500RT

 

o 특징 ­

- 왕복 부문 없고 회전뿐이므로 동적 밸런스가 용이, 진동이 적음 ­

- 흡입, 토출 밸브, 피스톤, 실린더, 크랭크축 등의 마찰 부문이 없어 고장이 적고, 마모에 의한 손상이나 성능의 저하가 없음. 따라서 보수가 용이하고 기계적 수명이 길다. ­

- 저압 냉매가 사용되므로 취급이 용이 고압가스안전관리법 적용에서 제외, 법규상 냉동 기계기능사 없어도 가능

- 부분 부하 특성이 좋아 냉동용량 제어가 용이함 ­

- 소용량의 냉동기에 사용하는 것은 한계가 있음 가격이 상승함

- 냉매의 밀도가 작아 원거리 (장배관) 이송에 불리함

 

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