냉동및공기조화강의보조자료 응축기와증발기 서강대학교기계공학과 정시영
Ⅴ. 응축기 1. 응축기의개요 응축기의역할은압축기에서고온ㆍ고압이된냉매가스를냉각시켜액체냉매로만드는것이다. 응축기에주입된냉매가스로부터방출되는열량은증발기내에서흡입한냉동능력과압축공정의압축일에상당하는열량의합이며, 응축기는이열을물또는공기와열전달하여외부에방열하게된다. 따라서응축기는열교환기 (heat exchanger) 의일종이며열교환매체에따라크게 3 가지, 즉공기냉각방식, 물냉각방식과증발방식으로나뉜다. 증발방식은공기와물이같이적용되는것으로응축기표면에물을살포하여증발, 기화시키며, 기화된물증기는공기에의해서제거되는것으로이의적용에는증발식응축기가있다. 보통널리쓰이는응축열교환기형태로는셸튜브식열교환기 (shall and tube heat exchanger) 와핀코일열교환기 (fined coil heat exchanger) 가있다.
2. 응축기의이론 (1) 응축기의이론방열량 응축기가자연계에배출하는열량, 즉방열량 Q c 는냉동부하에따라그림 5.1 의증발기에서흡수한열량 Q e 와등엔트로피압축일에해당하는열량 Q cpi 를합한것이다.
그림 5.1 응축기의방열량
여기서 Q cpi 는이론압축일로 또응축기입구의엔탈피를 H c1, 출구의엔탈피를 H c2 라하고냉매순환량을 G[kg/h] 라하면, 응축기를통해냉매가방출하는열량 Q c 는 가된다. 따라서냉매응축에필요한냉각수나공기의유량 G c 는 가된다.
응축기의실제방열량 Q ca 는위의이론적열량외에압축기의등엔트로피압축에서벗어나는비이상화열량 ΔH cpa 만큼이나더늘어나며, 또한증발기에서나온냉매증기가압축기에흡입되기전에대기로부터흡수된열량, 즉과열증기 (superheating) 열량 Q s 도포함된다. 특히응축기의방열량에압축기가미치는영향은제품의종류에따라다르나압축기의압축비, 압축기종류에따라다르게된다. 밀폐형의경우는개방형과는달리구동모터가내장되어있어모터에서발생되는열을냉매가흡수하게되므로응축기방열량은그만큼크게된다.
(2) 응축기에서의열전달 1) 응축기전열상태 응축기에서는금속벽을거쳐서열교환이이루어지는데, 그전열부분은그림 5.2 와같이세부분으로구분된다. 즉, (a) 증기로부터과열제거부분, (b) 응축부분, (c) 과냉각부분으로각부분마다전열작용이다르므로전열계수도다르게된다. 그러나응축기에서제거해야될열량은대부분응축부분의응축열이며, 과열부에서는응축부보다열전달계수는적으나온도차가크고, 과냉각부분에서제거해야될열량은적기때문에서로오차가상쇄되므로전부를응축부로간주하여전열계수를구한다.
그림 5.2 응축기내냉매의전열상태
2) 열전달과압력강하 가 ) 총괄전열계수 (overall heat transfer coefficent) 그림 5.3 응축관의열전달현상 그림 5.3 과같은응축기의관을통한열전달량의계산은열전달일반식에의하여다음과같이표현된다.
여기서, U o 와 U i 는외벽과내벽측을기준한총괄전열계수혹은열관류율로서외측의총열전달량 ( 방열량 ) 과내측의열전달량은동일하므로 U o ㆍ A o = U i ㆍ A i 가된다. 또한총괄열전달계수 U o, U i 는각기냉각수에서관벽으로의전열률과관의전열률그리고관외벽에서전열률을고려한것으로아래와같다.
여기서, q : 열전달량 [W, kcal / h] h i, h o : 관내ㆍ외벽의열전달계수 [W/ m2ㆍk, kcal/ m2ㆍhㆍk] A i, A o : 관내ㆍ외벽면적 [ m2 ] T o : 냉매온도 [ ] T is, T os : 관내ㆍ외벽면온도 [ ] A m : 관원주단면적 [ m2 ] x : 관의두께 [m] k : 관의열전도도 [W/mㆍK, kcal/mㆍhㆍk] 위의식을합하면
이므로 이식에서각각의항은저항의값이며총열전달량은아래의식과같다.
나 ) 관내측열전달계수관내부를흐르는유체의열전달량을산정하기위해서는대류열전달계수, h 값을구하여야하며이값은실험식으로다음과같다. 여기서, h : 열전달계수 [w/ m2 K] D : 관의안지름 [m] k : 유체의열전도도 [w/mk] u : 유체의유속 [m/s] ρ : 유체의밀도 [kg/ m3 ] μ : 유체의점도 [poise/1000] C p : 유체의비열 [J/kgK]
다 ) 관외측열전달계수 셸튜브식열교환기는통상관내부에냉각수인물이흐르고관외부셸측에는응축될냉매증기가여러다발의관외벽을따라흐르기때문에설계형태에영향을받게된다. 열전달계수는 여기서, μ : 유체의평균온도에서점도 μ w : 관외벽온도에서의유체점도
3) 온도차 (temperature difference) 응축기나증발기, 즉적정열교환기의설계를위하여열교환기양단유체들의온도차를적절히산정하여야한다. 온도차산정방법에는산술평균방법과 LMTD(logarithmic mean temperature difference) 방식이있다. 응축기나증발기의대향류에대한입ㆍ출냉매온도의변화를보면, 응축ㆍ증발의상변화잠열만을브라인 ( 열교환매체 ) 으로부터방출, 흡수하고그림 5.2 의과냉각이나과열과정의교환열량은서로상쇄되므로냉매온도는일정한것으로간주된다. 이냉매온도와열교환매체간의온도차산정방법중산술평균온도는
이고, LMTD 온도산정식은 여기서, ΔT i : 응축기입구측냉각수와냉매의온도차 ΔT o : 응축기출구측냉각수와냉매의온도차 응축기와증발기의온도차산정은산술평균온도보다대수평균온도차가실제온도에근접하다. 응축기와증발기의중간지점의온도는대수평균온도나산술평균온도값에서열교환매체인냉매온도를감한것이된다.
그림 5.4 대향류식열교환기의온도분포
4) 오염계수 (fouling factor, 물때 ) 증발기나응축기의냉각관에는냉매중에포함된기름이나냉각수중의물때가부착하여열전달을방해한다. 기름및물때의열전달량은각각 h oil = 0.1 ~ 0.73 kcal/ m2ㆍ h ㆍ, h s = 0.3 ~ 1.0 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 정도로작은값이고, 부착하는두께는여러조건에따라다르나냉동설비설계에는항상고려하여야한다. 오염에의한열저항률은 R f 로표시하고이를오염계수 (fouling factor) 라한다. 식으로표시하면아래와같고대략표 5.1 의값을적용한다. 여기서, U f : 오염된후총괄전열계수 U c : 오염되기전총괄전열계수
표 5.1 각종유체의오염계수 물또는기름의종류증류수해수공업용수수돗물, 샘물강물토사포함된물연료스팀냉매 오염계수, R f [ m2hk/kcal] 0.0001 0.001 0.0002 0.0002 0.0002~0.0004 0.0004 0.001 0.0001 0.0002
5) 막상응축 (film condensation) 의열전달 응축중증기로부터고체벽으로의전열에는막상응축에의한전열과적상응축에의한전열이있다. 전자는응축증기가고체벽에막상으로되어응축하는것이고, 후자는적상, 즉물방울로되어응결하는것이다. 일반고체벽에서의응결은막상응결이많고표면이깨끗하거나도금한고체벽처럼평활한면에대해서는적상응결이되어막상응결의열전달계수보다훨씬큰값이된다. 증기가막상응결을행할때의전달식은다음과같이표시된다.
가 ) 수직평면및수직관의경우 Nusselt 의일반증기에대한막상응축식 여기서, h v : 응축중의증기와수직벽과의열전달량 [kcal/ m2ㆍ h ㆍ ] γ : 증발잠열 [kcal/kg] λ : 액체의비중 [kg/ m3 ] H : 높이 [m] μ : 액체의점도 [poise/1000] Δt : 응결온도와벽온도의차 [ ]
나 ) 수평관의경우 Nusselt 의연구에의하면, 수직관의열전달계수 h v 와수평관의열전달계수 h h 사이에는다음과같은관계가있다. 여기서, d 는관지름 [m] 이다. 따라서, 일반증기가수평관에서응축할때의열전달계수는
다 ) 수평관이중합된경우 수평관이상하로겹쳐있을경우에는상단의응축액이하단의관에적하해서전열을방해하므로하단의관일수록열전달량이적어진다. Merkel 은상단보다 n 단밑에있는어떤관의열전달량 (h a ) n 은최상단의 h a 에대하여다음관계가있음을제시하고있다. [ 예제 5-1] R-12 횡형응축기에서냉매측의열전달계수는 h i = 3400 kcal/ m2ㆍ h ㆍ, 냉각수측의열전달계수는 h o = 900 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 이며, 냉각수측물때의저항 f 는 0.00001 m2ㆍ h ㆍ /kcal 이다. 냉동기의냉동능력은 10RT, 소요동력은 8kW, 냉매와냉각수의평균온도차 T 는 7.5 일때응축기전열면적을구하시오. ( 풀이 ) 총괄열전달계수산정식은
이다. 여기서전열관의두께를무시하면총괄전열계수는다음과같다. 응축기의방열량은냉동능력과소요동력의합으로 총방열량은 Q c = U ㆍ A ㆍ ΔT 이므로
[ 예제 5-2] 응축기입구의냉각수온도를 26 로하고, 출구온도를 32 로하면필요한냉각수량은얼마인가? ( 풀이 ) 응축기의방열량이증발기에서흡수한열량의 1.25 배로하면 [ 예제 5-3] 응축기의열부하를냉동부하의 1.3 배로하고, 표준온도로서냉각수량을 1 냉동톤당 12 l/min 으로하면, 냉각수의온도상승은얼마인가? ( 풀이 )
3. 응축기의종류와구조 응축기를냉각에쓰이는유체나전열면의형상에따라대별하면다음과같다. 이중현재냉동공조용, 선박용등으로사용되고있는응축기의대부분은수냉식응축기중횡형셸튜브식 ( 횡형원통다관식 ) 응축기이고때로는증발식, 지수식응축기가사용되고있다. 표 5.2 응축기의분류 구분 종류 이중관식응축기 입형원형다관식응축기 횡형원형다관식응축기 수냉식응축기 7 통로식응축기 대기식응축기 지수식응축기 판형응축기 증발식응축기 공냉식응축기
(1) 횡형셸앤튜브식응축기 (horizontal shell and tube condenser) 그림 5.5 횡형셸튜브식응축기 이응축기는그림 5.5 에나타낸바와같이횡형원통의양단에설치한경판 (tube plate) 에다수의냉각관을장치하고그내부에냉각수를펌프로압송하여관외면에냉매를냉각액화하는것이다.
또한냉각관은양단에서몇조로분해하여냉각수가최초의 1 조를통과한후관의단에서다음조로유입순차각조를통과하도록되어있다. 이조수를통로수또는패스 (pass) 라부른다. 냉각수의속도가늦으면통로수를많게하여유속을높여주도록설계한다. 냉각수의유속은 1.0 ~ 1.5m/sec 정도, 냉각수의출구와입구의온도차는 4 ~ 7 로한다. 또한응축온도와냉각수의평균온도차는 5 ~ 8 로하고응축온도와냉각수출구온도와의차는약 3 로한다. 횡형암모니아압축기의열전달계수, 즉열관류율은냉각수의속도에따라다르나유속 1.0 ~ 1.5m/sec 에대해서는보통 900 ~ 1000 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 이고, 튜브가청정한경우 1700 ~ 2000 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 이다. 이형의응축기는설치장소가적고냉각수량도입형에비교해서소량이며냉각효과도좋으므로현재광범위하게사용되고있다. 그러나냉각관의청소가곤란하고냉각관이부식되기쉬운결점이있으나보수가가능하다. 이형식의응축기는일반적으로수액기가설치되는경우가많으므로냉매입구밸브, 냉매출구밸브, 액면계, 안전밸브또는가용전 ( 可溶栓 ), 오일드레인밸브, 에어벤트밸브등이설치되어있다.
(2) 이중관식응축기 (double tube water-cooled condenser) 그림 5.6 이중관식응축기
이중관식응축기는그림 5.6 과같이 2 중의관으로형성된열교환기로고온의냉매증기는상부에서외부관으로주입되어상변화잠열을빼앗겨액체로변한후, 하부로배출된다. 한편냉각수는내부관으로하부에서주입되어냉매증기의열을흡수하여온도가상승한후상부로배출되는대향류식열교환기이다. 외부배관에흐르는고온의냉매증기는또한외기에의한냉각효과도갖게되어열교환효율이증가된다. 재질은열전달량이좋은구리로제작되며열전달효과를높이기위하여내부관은별형의핀이제작되기도한다. 주로 1 ~ 180kW 규모의프레온계며열냉매와암모니아등열냉동시스템에사용된다. 이중관식응축기의특징을보면다음과같다. 1 대향류열교환기로전열효과가양호하며외기와도냉매가열교환되어효율이높다. 2 소형냉동기에주로사용되고설치면적이적어선박의냉동시스템등공간이협소한시설에설치가가능하다. 3 냉각수량의조절로과냉각냉매액을얻을수있다. 4 나선별형내부핀관의경우는제작이어렵고, 관의보수가불가능한점등을들수가있다.
(3) 셸앤코일식응축기 (shell and coil condenser) 지수식응축기 ( 漬水式, submerged condenser) 라고도하며셸튜브식응축기와비슷하나직관 (straight tube) 대신에코일식핀튜브가셸내부에장착되어있다. 냉각수는코일식튜브를하부에서상부로흐르며냉매증기는셸상부에서주입되어튜브외벽을흘러내리며응축된다. 응축기하부는냉매액에고이는수액기 (receiver) 역할을하므로지수식응축기라하며, 냉매액이과다하게포집되어열전달응축효과가감소하는것을피하여야한다. 주로 2 ~ 50kW 규모의소형상업용냉동기에사용되며제작비도셸앤튜브식보다적게든다. 반면세척에어려움이있으며냉각수관내부는약품으로세척할수있다.
그림 5.7 셸앤코일식응축기 그림 5.7 은이형식의응축기의한예이다. 탱크의정부에는안전벨브를설치해서냉매압이너무높은경우위험을방지함과동시에정부에축적된불응축가스를배제하는데도이용하고있다. 이형식의응축기는냉각수의속도가완만하므로기포의이탈이잘안되고오손 ( 汚損 ) 되더라도청소가곤란하므로전열효과가약간떨어지나장치가간단하고또한고압에견디는이점이있다.
(4) 증발식응축기 (evaporative condenser) 증발식응축기는수냉식응축기와공랭식응축기인냉각탑 (cooling tower) 을하나로조합한응축기로서그림 5.8 은전형적인증발식응축기의구조이다. 그림 5.8 증발식응축기
이응축기의냉각매체로는물과공기가사용되며, 물은하부수조에서펌핑되어냉매의관위로살포되고수조로적하된다. 또한공기는상부의송풍기 (blower) 에의해응축기하부에서유입되어응축기냉매튜브를거쳐상부로배출된다. 물, 즉냉각수는냉매관과접촉하여냉매와냉각수의온도차, 즉현열을냉매로부터흡수하는동시에냉각수중일부가증발하며고온냉매증기로부터증발잠열만큼을흡수하게된다. 한편주입되는공기는이증발된냉각수증기를포집하여외부로배출, 제거하는역할을하며이때포집, 배출하는정도는공기의습구온도 (wet bulb temperature) 에따라다르게된다. 즉, 주입되는공기의습구온도가낮을수록증발식응축기는보다효과적이며습구온도는건구온도보다대략 8 ~ 14 정도낮다. 냉각수분무기상부에는액제거기 (eliminator) 가설치되어있어공기에다량의물이혼입되어나가는것을방지한다. 응축관은일반적으로핀이설치되어있지않을경우증발식응축기의용량은공기순환량에비례하지만유속이너무크게되면액제거기의용량을초과하게되고동력소요가크게된다. 일반적으로액제거기를이용하여냉각수순환량의 0.001 ~ 0.2% 정도의배출손실을감소시킬수있다. 냉각수의감소량은통상 1RT 당공기조화용은 10L/h(0.7m m3 /J) 정도이고, 냉동용은 12L/h(0.9m m3 /J) 정도가소모되므로지속적인보충을필요로한다.
(5) 입형셸앤튜브식응축기 (vertical shell and tube condenser) 그림 5.9 입형셸튜브식암모니아응축기
그림 5.9 의입형셸튜브식응축기는암모니아용수냉식응축기로널리사용되며, 입형의지름 660 ~ 910mm, 길이 4800mm 원통에바깥지름이약 50mm 인다수의냉각관을설치한것으로입형의원통상단에설치된냉각수조에고인냉각수가냉각관내면을고르게흐르도록하기위하여소용돌이를일으키는주철제의물분배기 (cast iron swirl) 를설치한다. 압축기에서오일분리기를거쳐주입된고온의냉매증기는냉각관외면과접촉하여냉각, 응축되어냉각관외면을따라흘러내려액출구를거쳐수액기로간다. 이응축기의특징을보면다음과같다. 1 소형경량으로설치장소가좁아도되며옥외에설치가용이하다. 2 전열이양호하며냉각관청소가가능하다. 3 가격이저렴하고과부하에견딘다. 4 주로대형의암모니아냉동기에사용된다. 5 냉매가스와냉각수가평행류로되어냉각수가많이필요하고과냉각이잘안된다. 6 냉각관이부식되기쉽다.
(6) 대기식응축기 (atmospheric condenser) 그림 5.10 암모니아용대기식응축기
대기식응축기는암모니아용에주로사용되며, 그림 5.10 과같이지름 50mm, 길이 2000 ~ 6000mm 의수평관을상하로 6 ~ 16 단겹쳐그양을리턴밴드 (return bend) 로직렬연결하여그속에냉매증기를흐르게하고, 냉각수를최상단에설치한냉각수통으로부터관전길이에걸쳐균일하게흐르도록한응축기이다. 즉, 냉각수는냉각수조에서처음관표면을흘러내려순차적으로다음관표면으로흐르며, 이때관내부의냉매가냉각응축된다. 냉매증기는응축기의하단으로유입되며응축된냉매액도하단으로모아유출된다.
현재는냉매관중간에응축된냉매액을추출할수있는블리더 (bleeder) 를설치한것이사용된다. 블리더형대기식응축기는하단으로냉매증기가유입되어냉각수와반대인윗방향으로흐르며냉매증기가상승함에따라응축되고관중간에설치된여러개의냉매액출구관으로는응축된냉매액만유출되도록한다. 냉매액출구관은냉매관 4 단정도에 1 개씩설치한다. 이응축기의특징은다음과같다. 1 냉각효과가커냉각수량이적어도되며물의증발에의해서도냉각된다. 2 부식에대한내력이커수질이나쁜곳이나해수를사용할수도있다. 3 냉각관의청소가쉽고암모니아냉동기에사용한다. 4 설치장소가너무크고구조가복잡하다.
(7) 7 통로응축기 (seven pass condenser) 7 통로응축기는횡형셸튜브식응축기의일종으로안지름 200mm, 길이가 4800mm 인원통속에바깥지름이 51mm 인냉각관 7 개를설치하는구조로되어있다. 냉각수는아래에있는냉각관으로유입되어순차적으로 7 개의냉각관을흐르며냉매는상부에서유입되어냉각관외부를통과하며응축된다. 1 기당 10RT 로설계되며대용량이필요할때에는그림 5.11 과같이여러조로병렬연결하여사용한다. 그림 5.11 7 통로응축기
이응축기의특징은다음과같다. 1 전열이양호하여냉각수량이입형에비하여적어도된다 2 공간이나벽을이용하여상하로설치할수있어설치면적이적어도된다. 3 암모니아냉동기에사용하며 1 조로는대용량에사용할수없다. 4 구조가복잡하고냉각관의청소가곤란하다.
(8) 공랭식응축기 (air - cooled condenser) 그림 5.12 의공랭식응축기는고온의냉매증기와공기가열교환하는방식으로서공기순환방식에따라자연대류식 (natural convection) 과강제대류식 (forced convection) 으로분류한다. 자연대류식응축기는판형이나핀이설치된튜브형태의전열관내부를흐르는냉매가외부의자연순환공기에의해응축된다. 주로 1/8 마력이하소형가정용냉장고등에사용되며공기의순환이용이하게가설되어야한다. 강제대류식응축기는공기의순환을위하여송풍기 (blower 혹은 fan) 를사용하는방식으로 1/8 마력급이상의냉동기에적용된다. 또한압축기와일체로가설된콘덴싱유닛 (condensing unit) 방식과압축기와이격된방식이있다. 공랭식콘덴싱유닛은압축기ㆍ응축기ㆍ수액기ㆍ모터등이일체로구성된증발기를제외한일련의냉동시스템을말한다. 강제대류식응축기가보일러실과같이실내에설치될때는환기를위한덕트 (duct) 의가설이필요하며실외에는지붕, 벽, 바닥에설치가가능하다. 공랭식응축기는공기를열교환매체로사용하므로전열계수가자연대류는약 5 kcal/ m2ㆍ h ㆍ, 강제대류는 20 ~ 25 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 로적으며상대적으로큰열교환면적을필요로한다.
그림 5.12 공랭식응축기
Ⅵ. 증발기 1. 냉매의증발과정 증발기는냉동장치의목적인물질의냉각작용을위하여냉매가증발하며열을흡수하는부분으로냉각기 (cooler) 라고도한다. 냉매는팽창밸브로부터직접오거나액분리기로부터증발기로유입되며증발기로유입되는냉매액의상태는건조도가낮은습증기이거나포화액이다. 그림 6.1 증발기관에서냉매의증발과정
그림 6.1 은증발기관에서냉매의증발과정을나타낸그림으로유입된냉매액 (A) 은관벽에접해있는냉매가먼저피냉각물로부터관벽을통하여열을흡수하므로핵비등이시작되어기포가형성된다. 이때의흡열량이매우적으므로핵비등으로인한기포의형성이다시붕괴되는현상이발생되지만관벽을통해흡수하는열량이증가할수록기포의붕괴가감소된다. 기포형성이점차증가하여기포와기포가뭉쳐기포덩어리인슬러그가형성된다. 즉기포가발생되어냉매액속에기포유동으로되고슬러그가점차증가하여슬러그유동이되며다시슬러그가뭉쳐증발관내부에냉매증기의기둥이생성 (B) 되기시작한다. 그림에서 A - B 를핵비등열전달영역이라한다. 이후에는관중앙부에생긴냉매의증기기둥이점차증가하므로관벽쪽으로는액체막이형성되며유동이계속될수록액체막은감소하여결국에는없어진다. 이와같이액체막이없어지는점 (C) 을드라이아웃점이라하며이때까지 B - C 를액체막을통한 2 상강제대류열전달영역이라한다. 액체막이없어지는드라이아웃점을경계로증기가주류를이루고아직증발하지못한다수의작은냉매액적이존재하는영역 (C - D) 을분무이상류열전달영역이라하며액적의양이점차적으로감소하여이영역이끝날때 (D) 에는모든액체가증발한다.
2. 증발기의개요 증발기는내부에흐르는저온의냉매가주위의열을흡수하면서증발하여냉동작용을하는장치이다. 따라서증발기는전열작용이양호하여소형화가가능하고간단하며, 냉매량이적어도충분한냉매효과를얻을수있는것이필요하다. 용도로볼때액체냉각용과공기냉각용으로구분할수있다. 이두가지의경우증발기의전달작용에서보면현저하게차이가있다. 공기냉각기에서는냉각관벽과공기와의사이에전열저항이크므로, 냉각관에핀 (fin) 을붙여공기측의전열면적을크게하고있다. 또한공기측에서는공기중의습기가응축하기때문에, 대류작용에의한전열을저해하는저항으로작용하여전열량이적게된다. 냉매측의전열은공기측과비교하면훨씬양호하여큰문제가되지않는다. 그러나액을냉각하는경우에는브라인 (brine) 과냉매관벽의전달저항은공기의경우보다훨씬적으나냉매와냉매관벽의전열저항이문제가된다. 그림 6.2 는평활관과미세가공전열관의성능차를나타낸다.
그림 6.2 미세가공전열관의성능
3. 증발기에서의열전달 증발기에서도응축기와마찬가지로금속벽을거쳐서열교환이이루어진다. 그러나열이흐르는방향은반대이다. 전술한바와같이열교환중에공기중의수분이응축되므로냉각된공기와냉각관벽간의전열량은냉각공기의엔탈피와냉각관벽과같은온도에있는포화공기의엔탈피의차에비례하게된다. 또한자연대류인경우의전열량은대략온도차의 5/4 제곱에비례하나편의상온도차에비례하다고간주하며, 총괄열전달계수 U 는온도차의증가에따라증가한다. 증발기에필요한전열면적 A w ( 피냉각물측 ) 도응축기의경우와마찬가지로계산된다. 즉 Q e 를냉동능력이라하면,
여기서, U : 총괄열전달계수, T m : 피냉각물과냉매증발온도의대수평균온도차 단, t a 는최대온도차, t e 는최소온도차이며 0.5 일때에는산술온도차인 도가능하다. 열전달계수 h 의값은각종증발기에대해서실험값이구해져있으므로이들을사용하고, 적당한시험값이구해져있지않을때는다음식들을이용하여계산한다.
(1) 총괄열전달계수 (U, 총괄열관류율 ) 의계산법 냉각되는물질측을기준으로했을때의총괄전열계수를 U [kcal/ m2ㆍ h ㆍ ] 라하면, 여기서,h W : 피냉각물질측의열전달량 [kcal/ m2ㆍ h ㆍ ] h R : 증발하는냉매의열전달량 [kcal/ m2ㆍ h ㆍ ] k : 관벽재료의열전도도 [kcal/m ㆍ h ㆍ ] x : 관벽재료의두께 [m] k : 유막의열전도도 [kcal/m ㆍ h ㆍ ] k : 물때혹은서리 ( 상 ) 의열전도도 [kcal/m ㆍ h ㆍ ] x : 물때혹은서리 ( 상 ) 의두께 [m] A W : 피냉각물질측의냉각면적 [ m2 ]
A R : 냉매측의냉각면적 [ m2 ] A O : 서리 ( 상 ) 등이부착했을때의외표면 [ m2 ] h R 은냉매의유량및냉동부하에따라변화하는데부하가증가하면 h R 은커지며, 개략적값은다음과같다. 액체냉매중에냉매가스가혼합되면 h R 은감소한다. NH₃: 3,000 kcal/m 2 ㆍ h ㆍ R-12 : 1,700 ~ 1,200 kcal/ m2ㆍ h ㆍ R-22 : 3,000 kcal/ m2ㆍ h ㆍ
(2) 증발하는냉매의열전달량 증발하는냉매의열전달계수 h R 은단위면적당냉동부하 q 가증가하면증가하고일반적으로다음과같이표시된다. 여기서, Δt 는증발냉매와냉각되는물체와의온도차이다. 수평관내에서증발하는 R-22 의열전달계수는 또한수평관외주에서증발하는냉매에대해서는다음과같은식이있다.
여기서, c 1 : 상수 q : 단위전열면에대한부하 [kcal/ m2ㆍh] p : 증발압력 [kg/cm2ㆍabs] n : 지수 (0.7) m : 지수 ( 냉매에따라변하며 NH₃: 0.13, R-12 : 0.19, R-22 : 0.16) R p : 관표면의다듬질정도를나타내는수 (DIN4763)
(3) 냉각된유체측의전열계수 증발기에서는브라인을냉각하는경우관속에흐르는브라인의열전달량은물이관내에흐르는경우의값에다음계수를곱해주면된다. 브라인의종류 계수 CaCl₂ NaCl MaCl₂ 1-1.5(γ-1) 1-1.2(γ-1) 1-2.4(γ-1) 여기서 γ 는브라인의비중이다. 또한공기를냉각할때공기는전열작용이불량하므로핀 (fin) 을붙인다. 공기를냉각하는경우에는대개공기중의습기가냉각핀에응축한다. 이와같은경우, 전열작용은엔탈피의차에비례하는데보통계산을용이하게하기위하여온도차를기준으로해서전열계수를산출한다. 냉각면온도가 0 이하일때는공기중의습기가냉각면에서리로끼여전열작용을저해하게된다. 그런데판상핀등에극히적은서리가끼었을때는전열면이거칠게되어전열작용이오히려촉진되는경향이있다. 그러나서리가두껍게끼게되면전열작용은저해된다. ( 그림 6.3)
그림 6.3 수평냉각관에부착된서리층에의한열전달계수의감소
[ 예제 6-1] 100 냉동톤의증발기에흐르는브라인의입구온도는 -5, 출구온도는 -12, 냉매증발온도는 -18, 증발기의총괄열전달계수는 380 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 일때전열면적을구하시오. ( 풀이 ) 총전열량식은대수평균온도차를적용하면, 전열면적은
4. 증발기종류및특징 (1) 증발기내냉각의상태에의한분류및특성 증발기내의냉매의상태에의해다음과같이분류할수있다. 1) 건식혹은반만액식증발기 (dry expansion type evaporator) 그림 6.4 와같이팽창밸브로부터증발기로유입된냉매된액과가스로분리되지않고혼합상태로주입되어입구부에서의액화냉매는주위의열을흡수하여출구에서전부냉매된스로배출되는방식이다. 하부로부터냉매를공급하는것을반만액식, 상부로부터액을공급하는것을건식이라구분하기도한다. 액체냉매와열교환하는방식과비교하여전열효과는다른방식보다낮다. 그러나증발관내의순환냉매량이적어도되며, 윤활유가증발기중에고일염려가없다. 이때문에프레온과같이기름을용해하거나가격이비싼냉매에는이방식이많이사용된다.
그림 6.4 건식증발기
2) 만액식증발기 (flooded type evaporator) 그림 6.5 만액식증발기
증발기를흐르는냉매가대부분액체인구조의증발기로그림 6.5 와같다. 증발기중의냉매는대부분액이므로전열작용은양호하다. 그러나증발기내의냉매량이많게되고윤활유가증발기중에고이는경향이있다. 기름을용해하는냉매, 즉프레온냉매는기름을압축기에되돌려보내는장치가필요하다. 프레온냉매에서는기름이냉매에용해하는것이많고이때문에증발온도가상승하여냉동능력이감소된다. 그러므로액체냉매중기름의농도는 10% 이상이되지않도록하는것이좋다.
3) 냉매순환식증발기 (liquid recirculating type evaporator) 냉매관내의액체냉매를냉매펌프에의해강제적으로순환시키는것으로그림 6.6 에보여준다. 증발관중에액체냉매펌프를장치하여증발량의 4 ~ 6 배의액체냉매를순환시키는방법으로서증발관이전부액체냉매로젖어있고유속이빠르므로관벽과냉매간의전달은아주좋다. 이방법은각증발기마다팽창밸브를설치하고있는데, 이것은브라인식냉각법과같으며브라인대신액체냉매를흐르도록한방법이다. 그림 6.6 냉매순환식증발기 또한기름이증발기중에고일염려가적고, 냉매액이압축기에되돌아갈염려도없다. 그러나흡입압력이급격히저하하면냉각관중의액체냉매가급격히저압수액기에되돌아가, 저압수액기가액으로서충만될염려가있다.
그림 6.6 냉매순환식증발기
(2) 증발기의구조 1) 공기냉각용증발기 가 ) 관코일식증발기 그림 6.7 관코일식증발기
냉장공간의유지온도가 0 이하인경우의냉각기는자연대류의나관 (bare tube) 식코일이흔히쓰인다. 그림 6.7 은이한예인데머리핀 (hair pin) 상으로 5/8 ~ 2 의나관 ( 裸管 ) 을굽혀만든것을냉장공간의천장혹은주벽에장치하는것이보통이다. 특징으로는나관을사용함으로써표면에서리가끼더라도전열효율이저하하는정도가적고, 제상 (defrost) 도비교적간단하게할수있으나표면적이적으므로관이길어지는결점이있다. 표 6.1 공기속도에따른열전달계수 공기속도 [m/s] 2 2.5 3 3.5 4 열전달계수 [kcal/ m2ㆍ h ㆍ ] 20 24 28 34 38 표 6.1 은관코일증발기에강제통풍을행한경우의열전달계수, 즉열관류율을나타낸것인데열전달계수가작은이유는공기와관벽과의전열저항이큰때문이며, 만액식과건식혹은냉매의종류등에따라관벽과냉매와의열전달량이다르게된다.
나 ) 핀을붙인관코일식증발기 그림 6.8 핀이설치된관코일식증발기
이것은냉각관표면에원형또는 4 각형의핀을붙여그표면적을크게하여전열량을증가시킨것으로서나관에비하여냉각효과가좋으므로관코일의길이를짧게하는이점이있다. 그러나냉각관의외면에낀서리를제거하는작업이곤란하므로 0 이상의공기냉각에많이사용된다. 핀의간격은통상관길이 25mm 당 1 ~ 14 개가설치되나, 증발기온도가낮아서리생성의우려가있는경우는 25mm 당 2 ~ 4 개설치하여핀간격을크게하고, 공기조화용등의서리생성이되지않는경우는 14 개까지설치가가능하다. 핀관증발기도자연대류식, 강제대류식양쪽다채용할수있다. 자연대류식증발기에서핀의수는관의길이 25mm 당 1 ~ 3 장이채용되며주로건식증발기로서사용되고열관류율은 5 ~ 10 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 정도이다.
강제대류식증발기로는핀을붙인관코일식에송풍기를설치한소위블로어코일 (blower coil) 또는유닛쿨러 (unit cooler) 라호칭하는것이사용되며, 근년급격히보급되고있다. 그림 6.8 과같이일반적으로 3/8 ~ 3/4 ( 바깥지름은보통 5/8 ) 의관에, 관의길이 25mm 당 3 ~ 8 장의핀을붙이고냉각관의뒤쪽에서송풍기로풍속 2 ~ 3m/sec 의공기를보내도록되어있다. 그림 6.9 는냉장공간의천장에현수된이증발기의한예이다. 그림 6.9 천장에가설된핀코일증발기
2) 액냉각용증발기 가 ) 원통다관형증발기 (shell and tube evaporator) 이증발기에는건식과만액식이있다. 1 만액식 (flooded type) : 이것은횡형원통다관식응축기와거의같은구조이다. 원통내에다수의관을설치하여, 냉각해야할브라인혹은물이관내를유속 0.5 ~ 1.5 m/sec 로수차례회류하는동안에원통내에있는액상냉매가증발함에따라냉각된다. 공기조화장치에서사용되는공기를냉각시키는물을냉각하는경우와냉장고를냉각시키는브라인을냉각하는경우등에널리사용된다. 그림 6.10 은 R-12 를사용한이식의브라인냉각기의한예이다. 이런종류의증발기의열관류율은양호하나냉각관중에서냉각되는액이동결되면파손되는수가있고또한냉매를다량필요로한다. 그리고프레온계냉매에대해사용하는경우는기름을압축기에되돌려보내는일이곤란하기때문에기름을되돌려보내기위한장치를필요로한다.
그림 6.10 원통다관식증발기 ( 만액식 )
2 건식 (dry expansion type) : 그림 6.11 은같은원통다관식증발기로냉매와냉각되는물체가그림 6.10 의반대위치로된것으로서 U 자형으로만들어진관내에냉매가흐르고, 관의외측에냉수가흐르도록되어있다. 그림 6.11 원통다관식증발기 ( 건식 )
냉수측에는적당한간극으로배플플레이트 (baffle plate) 를설치하여액의흐름이관에직각이되도록함과동시에적당한속도를유지하도록하고있다. 이형식의증발기는프레온용의중간규모용량에그사용도가점증되고있으며그특징으로서는다음과같다. 1 냉수회로의저항손실이적다. 2 냉매의조절은감온팽창밸브에의해이루어지므로간단하다. 3 냉매의양이적어도된다. 4 관내를흐르는냉매의속도가크므로기름을압축기에되돌려보내기쉽다. 이것은건식공통의특징이다. 5 피냉각액이일부동결되더라도관외에있기때문에만액식의경우와같이냉매관을파열시킬염려는없다. 그림에나타낸건식증발기의대표적열전달계수는 400 ~ 500 kcal/ m2ㆍ h ㆍ 이다.
나 ) 원통코일식증발기 (shell and coil evaporator) 그림 6.12 원통코일식증발기
그림 6.12 는이한예이다. 일종또는이종코일관내에냉매를통하고, 관의외측에접촉하는물또는브라인을냉각하는것으로서보통건식에사용된다. 냉수의속도가느리므로열전달계수가낮으나, 가격이싸므로소용량의음료수나공기조화용수의냉각에사용된다.
www.kteng.com TEL: 031-749-5373 FAX: 031-749-5376 e-mail: kteng@kteng.com