팽창기(Expander),증기압축식시스템 주설비, 냉동(냉수) 시스템 요소기술

2. 팽창기 (Expander)

 

1) 개요

 

o 팽창장치는 액냉매의 압력을 떨어뜨려 냉매가 증발기로 이동할 수 있게 하는 기구로서 냉매량 조절의 기능을 수행한다. 설계에 있어서는 초킹(Choking) 현상이 발생하지 않도 록 주의해야 한다. 팽창 장치로는 모세관, 온도조절 팽창밸브, 전자식 팽창밸브, 플로트 형 팽창밸브 등이 있다.

 

 

 

 

o 팽창밸브(expansion valve)는 냉동사이클에서 가장 기본적인 제어기기로서, 증발기에서 냉매액의 증발에 의한 열 흡수작용이 용이하게 일어나도록 냉매의 압력과 온도를 강하 시키며(압력 강하 → 압력 손실에 의함. 온도 강하 → 플래쉬 가스에 의함) 냉동부하의 변동에 대응할 수 있도록 냉매 유량을 조절하는 역할을 한다.

 

o 풀어서 요약하면, 팽창밸브의 목적은 응축기에서의 고온고압의 액냉매를 교축작용에 의 하여 저온저압의 액체-기체 2상 상태로 팽창시켜 증발기로 보내며 동시에 증발기의 열 부하에 대응하여 증발기 출구 냉매의 과열도가 일정하도록 적정한 냉매의 유량 공급을 조절하는 기구이다. 응축기에서 상온의 물이나 공기에 의하여 응축된 고온고압의 냉매액 을 증발기에서 증발하기 쉽도록 압력과 온도를 내려 주고 또한 부하 변동에 따라 적절 한 냉매량을 증발기에 공급한다.

 

 

 

2) 원 리

o 유체가 노즐이나 오리피스와 같이 유로(流路)가 좁은 곳을 통과하게 되면 외부와 열량이 나 일량의 교환 없이도 압력이 감소하는데 이와 같은 현상을 교축(Throttling)이라 한다.

 

o 유체가 유동 중에 교축되면 유체의 마찰과 와류의 증가로 압력손실이 발생하여 압력이 감소한다.

 

o 액체의 경우는 교축되어 압력이 내려가 액체의 포화압력보다 낮아지면 액체의 일부가 증발하며 플래쉬 가스 발생하고, 증발에 필요한 열을 액체 자신으로부터 흡수하므로 액 체의 온도는 감소하게 되며, 교축 전후의 엔탈피는 변화가 없다.

 

o 등엔트로피 과정으로 진행되는 가역(Reversible)-단열(Adiabatic) 팽창 과정은 열역학적 원 리상 가장 이상적인 저온 생성 방법이다. 열역학적으로 등엔트로피 과정은 가역 과정이지 만, 등엔탈피 과정은 비가역 과정으로 비가역성에 의한 손실이 발생한다. 또한 교축 과정 중 등엔탈피 과정이 아니라 실제 과정은 엔탈피가 증가하여 건도가 증가하는 과정 임

 

o 고압의 압축성 기체를 팽창기를 통하여 외부에 일을 추출하면서 단열팽창시킬 경우 기 체의 온도와 압력은 급격히 낮아짐. 실제의 과정은 완전한 등엔트로피 과정이 되지 못하 고 어느 정도 비가역적으로 진행되며, 아울러서, 등엔탈피 과정도 아님.

 

o 단열팽창에 의한 효과는 J-T(Joule Thomson) 효과에 의한 온도 강하보다 크며 단열팽창 이 일어나는 경우에는 아래와 같다.

 

 

3) 종 류

o 유량조절용 팽창밸브는 1)수동식과 2)자동식이 있다.

 

가. 수동식 팽창밸브

 

o 과거 암모니아 냉동기에 사용되어 온 것으로, 냉매의 유량을 고도의 숙련에 의해 수동으 로 밸브의 핸들을 돌려 조절하는 방식으로, 최근에는 냉동장치의 운전 자동화로 사용되는 경우가 적다.

 

o 니들밸브(needle valve)로 되어 있으며, 다른 팽창밸브의 by-pass용으로 사용된다. 유량 조절에 숙달을 요한다.

 

 

나. 자동 팽창밸브

 

A. 정압식 자동팽창밸브 (AEV)

 

o 증발기내에서의 증발압력을 일정하게 유지시켜 증발온도를 일정하게 유지하는 방식으로 증발기내 압력으로 밸브가 작동됨. (밸브의 벨로우즈 상부 가압)

 

o 운전 개시 시에는 증발기내 압력이 밸브의 조정압력보다 높다. → 밸브 닫히고,

 

o 압축기 운전이 개시되어 증발기내 압력이 조정압력보다 낮아지면 → 밸브 열림

 

o 운전 중 부하의 변동에 따라 ­

- 증발기내 압력이 상승하면 → 밸브가 약간 닫혀 → 유량 감소 ­

- 증발기내 압력이 저하하면 → 밸브가 열려 → 유량 증가

 

o 부하 변동에 따른 유량 제어가 불가능하므로 부하 변동이 적은 프레온 소형장치에 사용 한다.

 

 

 

 

B. 내부균압관식 온도식 자동팽창밸브 (TEV)

 

o 온도식 자동팽창밸브는 증발기내 포화압력과 증발기 출구 냉매의 과열증기 온도에 따라 결정되는 감온통 내의 봉입된 냉매와의 압력차, 즉 증발기 출구 냉매과열도 신호에 따라 밸브를 개폐하고, 증발기 유입 냉매를 되먹임 제어하고 있다.

 

o 이와 같이 냉매유량 제어 특성에 따라 증발기의 열부하가 변하더라도 증발기 출구 냉매 과열도를 설정값에 유지할 수 있으며, 증발기를 효율적으로 운전할 수 있어 오늘날 중소 형 냉동장치에서 냉매팽창기기의 주류를 이루고 있다.

 

o 그러나 이방식은 증발기내 입구에서 출구까지의 냉매 수송지연과 증발기 각부의 온도 응답성의 지연등의 문제가 있으며 증발기에 대한 열부하나 유입 냉매량의 변화에 따라 과도적인 출구 냉매 과열도의 응답지연을 발생시킨다. 또한 감온통에 의한 증발기 출구 냉매온도의 검출 지연이 추가된다.

 

o 냉매유량의 되먹임 제어계에서 유량제어가 적절하지 못할 경우 증발기내의 냉매 상태량 이 주기적으로 진동하는 소위 헌팅현상이 발생한다. 이 헌팅현상의 발생 방지를 위해서 는 팽창밸브의 밸브 구경을 증발기의 용량에 적합하도록 선정하여야한다.

 

o 따라서, 압축기의 회전수를 가변시키는 장치에서는 장치의 용량이 크게 변화하고 팽창밸 브의 유량제어 범위를 크게 할 필요가 있는 장치에서는 밸브의 용량 과부족 현상이 발 생하므로 온도식 자동 팽창밸브의 사용은 주의를 요한다.

 

o 아울러서, 저온용 냉동장치에서는 온도식 팽창밸브의 감온통 봉입 냉매의 압력과 다이어 프램의 변형 한계로 인해 증발기 출구 냉매 과열도가 작게 유지되므로 냉매유량을 적절 하게 제어 할 수 없는 단점을 지니고 있다.

 

o 그리고, 최근 멀티형 공조시스템 등 증발기 입출구의 배관이 상대적으로 긴 시스템에서 는 비교적 높은 증발압력의 진동현상이 발생하는 등 문제가 보고되고 있다.

 

o 소형 냉동공조장치의 냉매유량제어에 가장 일반적으로 사용되는 방식

 

o 냉매의 온도와 압력을 검출하여, 이들로부터 과열도를 산정, 과열도가 일정하도록 냉매 유량을 제어한다.

 

o 과열도 증가시 → 밸브 열림, 과열도 감소시 → 밸브 닫힘

 

o 이 방식에는 내부균압관식과 외부균압관식이 있다. ­

- 내부균압관식 : 증발기 입구압력이 다이아프램의 배압으로 작용 ­

- 외부균압관식 : 증발기 출구압력이 다이아프램의 배압으로 작용 (증발기의 압력 손실이 많을 때 사용)

 

o 감온통은 가스충전방식에 따라 몇 가지 방식이 있다.

- 가스충진식 : 사용 냉매가스 봉입 ­

- 액충전식 : 사용 냉매액 봉입 ­

- 크로스(cross) 충전식 : 사용냉매와 다른 액 또는 가스 봉입

 

o 밸브의 열림은 그림에서와 같이 3가지 힘의 크기에 의해 조절된다.

 

o P1 = P2 + P3 일 때, 개도 평형 유지

 

o P1 > P2 + P3 일 때, 개도가 줄어듬

 

o P1 < P2 + P3 일 때, 개도가 늘어남 ­

- P1 : 감온통 내의 가스압력이 다이아프램 상부에 작용하는 힘 ­

- P2 : 증발기에서의 냉매의 증발 압력

- P3 : 스프링의 힘

 

o 부하의 변동, 냉각수의 상태 등에 의하여 항상 변화한다.

 

o 내부균압형 TEV와 외부균압형 TEV의 두 종류가 있다.

 

 

 

C. 전자식 팽창밸브 (electronic expansion valve, EEV)

 

o 전자팽창밸브는 증발기 출구 조건을 측정하고 이를 제어 변수로 하여 과열도를 제어하 는 시스템에 사용되며, 최근의 복잡하고 다양한 기능이 요구되고 있기에 그 적용 범위가 점차 확대되고 있다.

 

o 최근들어 냉동, 공조시스템의 고효율화, 인버터형 공조기, 멀티형 공조기등의 출현으로 광범위한 용량 변화와 운전 조건의 요구 등에 따라 팽창밸브의 냉매 유량 제어 특성과 유량 제어 범위의 확대 등을 목적으로 전기적으로 유로 저항을 가변할 수 있는 각종의 전자식 팽창밸브가 개발 실용화되어지고 있다.

 

o 전자식 팽창밸브는 증발기 입구냉각관 벽과 증발기 출구냉각관 벽에 온도센서를 설치하여 이들 양쪽 센서의 검출 온도차에 의해 증발기 출구 냉매가스의 과열도를 산정하여 이 신호에 따라 밸브를 개폐하며 증발기에 유입하는 냉매유량을 피드백 제어한다. 

 

o 팽창밸브의 목적은 응축기에서의 고온고압의 액냉매를 교축 작용에 의하여 저온저압의 액체-기체 2상 상태로 팽창시켜 증발기로 보내며 동시에 증발기의 열부하에 대응하여 증발기 출구 냉매의 과열도가 일정하도록 적정한 냉매의 유량 공급을 조절한다.

 

o 전자식 팽창밸브의 경우도 그 목적은 동일하고, 증발기 출구 냉매의 과열도 신호에 따라 전자식 팽창밸브의 열림이 결정되며 밸브의 열림이 결정되면 열림 면적 및 밸브 입구의 냉매 상태량과 밸브 출입구의 압력차(응축압력-증발압력)에 따라 전자식 냉매 유량이 결 정된다. 즉 비례 제어로 간단히 구성할 수 있으며 밸브 개폐 신호의 입력에 대해 온도식 자동팽창밸브에 나타난 냉매 유량의 응답 지연이 발생치 않는 구조의 팽창밸브이다.

 

o 멀티형 공조시스템에서 단독운전시 발생치 않는 액백 현상이 동시부하 운전시 액백이 발생한다. 이와 같은 액백 현상은 전자식 팽창밸브로 제어하여 막을 수 있음.

 

o 따라서, 제어면에서 온도식 자동팽창밸브에 비하여 냉매액을 정확하게 공급할 수 있는 장점이 있어 최근 보급이 확대되고 있다.

 

D. 플로트식

 

o 액면의 위치에 따라 플로트(float)가 상하로 움직이는 것을 이용하여 밸브를 개폐시키는 형식으로, 고압부인 수액기의 액면에 플로트를 설치한 것을 고압측 플로트 팽창밸브, 저 압부인 증발기 내 액면에 설치한 것을 저압측 플로트 팽창밸브라 한다.

 

 

다. 모세관 팽창밸브

 

o 모세관(capillary tube)은 마찰과 운동량 변화에 의한 압력 강하를 동시에 이용하여 팽창 을 시키는 것으로, 최적 운전 조건이 제한적이나 대체로 만족할 만한 수준의 성능을 보 여준다. 열교환기의 기능도 동시에 수행할 수 있고 저가이며 작동부가 없어 내구성이 좋 다. 일반적으로 공장 출하 제품용으로 광범위하게 적용되고 있다

 

o 모세관은 일정 면적식 팽창기구로 사용역사와 신뢰성이 높은 기구로 관내의 흐름저항에 의해 냉매를 교축 팽창시키는 것이다. 따라서, 어느 특정치수(직경과 길이)의 모세관은 모세관 입구에서 냉매의 압력과 과냉각도에 따라 유량이 결정되고, 모세관 출구 이전에 서 냉매의 흐름이 임계상태에 도달할 경우에 유량은 증발압력의 영향을 거의 받지 않게 된다. 그러므로 모세관을 이용한 냉매유량장치에서는 유량제어가 응축기 출구 냉매의 상 태에 따라 이루어지고, 증발기의 출구 냉매 과열도를 제어할 수 없다. 따라서 압축기에 서의 액백 현상이 발생되기 싶고 과도한 냉매 과열이 발생하기 쉬운 단점을 지니다.

 

o 가는 관(모세관)에 의한 압력손실로 인해 플래쉬 가스가 발생하여 냉매의 증발온도까지 냉매온도가 떨어진다. (액냉매 온도)

 

구조적으로 간단하여 고장이 적다.

 

o 압축기가 정지했을 때 고·저압 균압이 이루어져 다음 시동이 쉽다.

 

o 1HP 이하의 소형용이다. Ÿ 부하변동에 따른 유량조절이 불가능하다.

 

o 고압측에 수액기를 설치할 수 없다.

 

o 수분이나 이물질에 의해 동결, 폐쇄의 우려가 있다.

 

o 가정용 냉장고, 룸 에어컨, 쇼케이스 등 프레온 냉매의 소형 냉동장치에 사용된다.

 

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