냉동과에어콘 초보자와기술자가함께보는기술 www.airproclass.com 정한봉엮음 차례 제 1장냉동의기본원리와기계구성 Page 4 제 2장열역학의원칙과용어들. 압력과진공 Page 30 제 3장냉매와오일 -Page 37 제 4장콘트롤과작동원리 -Page 59 제 5장전기와모터 -Page 77 제 6장전기와콘트롤회로 Page 103 제 7장덕트와시공방법 Page 115 제 8장고장점검요령과대책 100 가지 Page 131 제 9장기술시험문제 250 Page 176 Page 3
제 1 장냉동의기본원리와기계구성 냉동이나에어콘을하는공간은그주변보다온도를낯우려는데목적이있다. 그러나자연적인방법으로는불가능하다. 그러므로기계적인에너지를이용하여물리적으로할수있는방법으로한다. 1. 냉동의법칙 1. 액체가기체로변하면서열을흡수한다. 기체가액체로바뀔때는열을내보낸다. 2. 압력이바뀌지않는한온도는변함없다. 3. 열은높은온도의물질에서낮은온도의물질로전해진다. 2. 압축순환 1. 압축싸이클은증발한냉매를낮은압력에서높은압력으로바꾼다. 2. 압축기 (Compressor) 의개스펌핑은열기를어떤공간안에서바깥으로보내기위하여사 용한다.. 3. Compressor가흡수한열을 evaporator에서 condenser로보낸다. Compressor가작동하면, 냉매의분자를낮은압력에서높은압력쪽으로옮긴다. * 압력은퍼담는분자의합계이고움직이는분자의속도가온도를정한다. Figure 1 냉동싸이클의구성위의그림을보면서냉동싸이클의원리를이해하면보다쉽게알수있다. 냉매라고하는화학물질의개스를 Compressor가압축하여반시계방향으로순환시켜다시돌아오게하는일을계속하여반복한다. 이때압축기 ( Compressor ) 를떠난고압고온냉매개스는응축기 ( Condenser ) 에서식혀저서액체냉매로변한다음팽창변 ( Expansion ) 을지나면서저압으로변한다. 증발기 ( Evaporator ) 에서액체가기체로변하면서주위의열을흡수한다. 그런다음다시차거운기체냉매는압축기로돌아온다. 다음폐지 Figure 2 를보면서다음설명서를읽으면알수있다. Page 4
SUCTION PIPE DISCHARGE PIPE Figure 2 냉동, 냉장과에어콘의냉매순환싸이클 위의그림을보면 Evaporator로부터돌아온차거운낮은압력의개스가 Compressor의압축으로고온과고압의압축개스로변하여 Condenser로들어간다. 공기나물로식혀주면점점액으로변화하여 Receiver로들어간다. 같은열량을갖인낮은온도냉매분자라도압축하여밀집시켜주면압력이올라가고온도도올라간다. 숯불을흩어놓으면주위온도가내려가지만함께모아놓으면주위온도가올라가는이치로생각하면쉽게알수있다. 같은시간에 Condenser에서나가는열량은 Evaporator로들어가는열량보다크다. 압축할때냉매분자들의충돌열량, 피스톤마찰열량과모터작동발열량이추가되기때문이다. Receiver에서나간액냉매는 Expansion valve를거치면서좁은구멍을통과하기때문에압력이낮아지면서 Evaporator에서주위의열을흡수하며차거운개스냉매로변한다. Evaporator 속에서증발한차거운개스는 Compressor로돌아오고 Evaporator가있는내장고안을차거운온도로만든다. 냉방하는에어콘의원리도이와같다. 냉동싸이클에서고압측과저압측을만드는것은 Compressor와 Expansion valve가있기때문이다. Page 5
Figure 3 압축된고온개스냉매가액으로변화 위그림은압축기 ( Compressor) 가냉매를압축하여고온고압개스를압력탱크로보내면어떤변화가일어나는지보여주는그림이다. 그림 A 의용기는압축된분자들이적은숫자로압력이낮으며 70 F 이며바깥온도 60 F보다 10 F가높다. 그리고기체냉매는액화되어밑에고인다. 이와같은변화가 B 에서는더크게변화하며 C 에서는매우크게일어남을볼수있다. C 에서는같은시간에매우많은냉매까스분자가같은크기용기안에들어와서압력을높이고온도를 100 F로높인다. 서로분자의충돌이더크게일어나고같은열량을갖인분자라도밀집되어있으면온도가올라간다. 용기내부는 100 F 이고밖에는 60 F이기때문에더빨리식어서액냉매도더빨리만들어진다. 냉동싸이클에서는 Condenser가이러한일을한다. 3. 기본냉동시스템 1. 모든냉동과에어콘시스템은맹매가순환할수있도록설계되고콘트롤되게되어있다. 2. 액채냉매는증발하면서열을흡수한다. ( 액채가개스로변화하면서 ) 3. 냉매는콘덴서를통하여열을내보낸다. ( 개스가액체로변한다.) 4. 정상적인작동을하고있을때는냉매는파괴되거나소모되거나없어지지않는다. 냉동시스템의구성. REFRIGRATION SYSTEM COMPONENTS COMPRESSOR CONDENSER EXPANSION VALVE EVAPORATOR ( 기본요소 ) OIL SEPERATOR DRYER FILTER SIGHT GLASS ACCUMULATOR SOLENOID VALVE ( 추가구성 ) HOT GAS DISCHARGE LINE SUCTION LINE ( 배관구성 ) LIQUID LINE Page 6
Figure 4 냉동냉장의기계싸이클 위의그림은 Compressor가냉장고안에든지에어콘을작동시키는실내든지어떻게온도를떨어트리는지보여주는그림이다. 냉매개스가냉동싸이클을순환하면서 Evaporator로부터실내의열을흡수하여윗쪽의 Condenser를통하여열을바깥쪽으로내보낸다. 4. COMPRESSOR 1. 냉동콤푸렛서는모터에의하여움직이는장치이다. 2. 콤푸렛서는증발기를통하여열을갖인증발냉매를운반한다. 냉매를압축하여높은온도로만든다. 3. 높은온도와압력이높은냉매는콘덴서로운반된다. HERMETIC COMPRESSOR SEMI-HERMETIC COMPRESSOR EXTERNAL DRIVE ( OPEN ) COMPRESSOR 콤푸렛서의종류 ( Brand ) Copelametic Tecumse Bristol Aspera Page 7
Rotary Type 콤푸렛서로가운데회전자가한쪽편심축으로회전하기때문에계속개스를흡입하고압축한다. 그림의왼쪽에있는 Blade는고압과저압을구분하고 Rotor Shaft가편심으로회전하는데따라좌우로움직인다. 보통가정용내장고, 소형상업용냉장고, 창문형에어콘과분리형벽걸이에어콘에많이사용한다. Spring Figure 7 로터리콤푸렛서단면도 Figure 8 완전밀폐와반밀폐콤푸렛서 위그림의 ABC는실제많이사용하는 Compressor들이다. A 와 B는완전밀폐형콤푸렛서 ( Hermetic Compressor ) 이고 C는반밀폐형콤푸렛서 ( Semi Hermetic Compressor ) 이다. A,B와 C가다른점은안쪽이고장났을때수리하여사용할수있는지없는지가다른것이다. A,B는 Compressor 와 Motor를함께조립한후바깥용기로둘러싸고용접하였기때문에내부수리가불가능하다. 그러나 C는 Bolt들로조립하였기때문에작업현장에서수리가가능한부분이있고전문수리공장 ( Rebuilt Company ) 에보내어야만수리할수있는부분이있다. A그림의 Compressor는 Scroll Type 압축기가위에있고모터가아래에있다. 몸체의모양이 B 와비교하여몸통의직경이작고높이가높다. B 그림의 Compressor는 Reciprocating type 인데압축기가아래쪽에있고모터는위에있다. C는왼쪽에모터가있고오른쪽에 Reciprocating Type 의압축기가있다. 같은용량의마력 ( HP ) 이라도 C 콤푸렛서가 AB그림의콤푸렛서보다비싸고무겁다. 큰용량의콤푸렛서는제작문제때문에 C 그림과같은반밀폐형콤푸렛서들이다. 그러나작은용량 ( 3/4HP 이상 ) 이라도냉동 ( Freezer ) 에서상업용에반밀폐형을사용하고있다. Page 8
Figure 9-1 Figure 9-1을보면왕복동식콤푸레서 ( Reciprocating Compressor ) 의피스톤과압축링과오일링을보여주고있다. 피스톤은알미늄재질로되어있고아래그림 Figure 9-2의 Connecting Rod와연결되어있다. Figure 9-3을 Crank Shaft라고부르는데이회전축의회전에의하여피스톤이상하로움직이면서흡입한냉매개스를압축하게된다. 증발기 (Evaporator ) 의문제, 콘트롤의고장이나온도조절의잘못등으로액냉매가콤푸렛서로들어오면액냉매압축이발생하므로콤푸렛서의파손또는콤푸레서모터가타서고장나는일들이발생한다. 콤푸렛서를교체하는일은비용이많이필요하므로액냉매가콤푸렛서로들어오는것을발견하면서둘러이런일이일어나지않도록대책을세워야한다. 액냉매는콤프렛서에있는오일을묽께하고윤활 ( Lubricating ) 을나쁘게하여콤푸렛서수명을짧게한다. 그리고기계의효율도떨어트린다. Connecting Rod 크랭크축연결 Figure 9-2 피스톤구성 Figure 9-3 Crank Shaft Figure 9-4 Discharge Valve Valve Plate 오른쪽 Figure 10은 Screw Compressor의압축부분을나타낸다. 2개의축이서로반대로회전하면서접근하는표면에서압축하는방식이고중형이상의반밀폐형 Compressor로되어있다. 같은용량이라도왕복동식콤푸렛서에비하여작고무게도가벼워냉동과에어콤푸렛서로사용하는장점이있다. 냉매흡입 냉매토출 Figure 10 스크류콤푸렛서 Page 9
Figure 12 스크롤콤푸렛서구조 Figure 11 왕복동콤푸렛서단면 Figure 11 의그림은피스톤왕복동압축식 ( Reciprocating type ) 의부분을자른그림이다. Figure 12 의그림은 Scroll Compressor의압축부분을나타낸다. 7. 콘덴서 CONDENSER 1. 콘덴서는열교환기다. 2. 콘덴서는열을내보내도록하는장치이다. 3. 공기나물은과열된증기냉매로부터열을제거하한다. 4. 증발된내매는압축하여콘덴서에와서액체로되돌아간다. 5. 콘덴서의제일앞부분은증기상태의냉매이다. 6. 콘덴서의마지막부분은액냉매이다. * 공기를강제로순환시키는알미늄또는동의 Fin 으로구성된콘덴서. * 물로냉각하는 Condenser는파이프와파프의이중관의모양과파이프와탱크형이있다. A. 공냉식콘덴서 Figure 13 Air Cooling Condenser Figure 13은공기로냉각하는콘덴서다. 여러개의동파이프에알미늄판 ( Fin ) 이여러개겹처있는구조로되어있다. 모터를사용하여휀 (Fan) 을회전시켜바람을불어주면냉매개스를액냉매로만드는능력이커진다. 오른쪽의표는콘덴서나증발기의 Fin의수와파이프간격이다. B A Figure 13-1 Page 10
B. Shell and Tube 수냉식콘덴서 Figure 14는수냉식콘덴서로물로여러개의파이프를통과시켜콘덴서 ( Shell ) 속의고압고온냉매개스를식혀서액냉로만들고큰용량의기계에사용한다 C. 이중관 ( Tube with in tube) 수냉식콘덴서 Figure 14 Shell and tube condenser 오른쪽에보는이중관콘덴서는큰파이프안에작은파이프가들어가있는구조로되어있는데큰파이프속에는콤푸렛서로부터나온뜨거운증기냉매 ( Hot vapor gas) 가지나가고작은파이프속은물이지나가도록되어있다. 물은아래로들어가위로나오고뜨거운증기냉매는위로들어가식혀저서액체냉매로되어아래로나온다. 이러한콘덴서는작은용량부터 10HP 정도이하의냉동기와에어콘에사용한다. 이콘덴서를지나간물은더워지므로건물밖에있는 Cooling Tower를사용하여식혀서펌푸로순환하여다시사용한다. 냉매와물이서로반대로지나가게하여열교환을좋게한다. Vapor gas in Water out Liquid gas out Water in Figure 15 Tube with in a tube condenser 이러한콘덴서는공냉식 ( Air cooling condenser ) 콘덴서보다크기가작고무게도가볍다. 에어콘에서많이사용하며실내에여러대의에어콘기계가있어야할경우하나의큰 Water cooling tower를사용하여콘데서에서나오는열을건물밖으로내보낸다. 1냉동톤당 ( R/T = 12,000BTU/HR ) 3Gallon ( 8.4lb/Gallon ) 의물순환량으로계산하면쿨링타워의순환펌푸용량이결정된다. 이숫자는약산으로하는경우이고콘덴서의입출구물의온도차를얼마로할것인가에따라달라진다. 이러한계산은설계하는엔지니어의몫이며현장써비스기술자는점검과문제점을찾는데도움이된다. Water cooling tower는 Open type과 Closed type 의두종류가있으며수질관리는 Closed type이좋다. 정기적인수질관리 ( Chemical control과청소 ) 를잘못하면쿨링타워뿐만아니라그에따른수많은에어콘도사용하지못하고버리는경우가있으므로경제적손실도크며사용전기요금도증가다. Page 11
D. 수냉증발식쿨링타워 Figure 16 Evaporative Cooling Tower Warm Air Blower Vapor Refrigerant In Liquid Refrigerant out Circulation Pump Water In Water Drain 위의그림은증발식쿨링타워를이용한콘덴서를나타낸그림이다. 오른쪽위의파이프로증기냉매가들어가서물과바람으로식어지면액냉매로변하여 Receiver Tank로가게된다. 공냉식응축기보다크기가작고성능도보다좋다. 큰마켓내동장비는 Evaporative Cooling Tower를많이사용한다. 물순환이계속되고또증발되므로계속급수를하지만무기질특히스케일등이농축되어기계의효율을낯우고부식등이심하게일어나므로화학처리장치를하고적은량의물을넘치게하여배수시켜야한다. 지역에따라수질과이끼곰팡이박테리어등각각다른문제가있으므로크리닝하는케미컬의성분도달리한다. F. 수냉식쿨링타워 Figure 16-1 Closed Type Cooling Tower Warm Air Water Out Pump Water In Supply Water Water Drain 위의그림은밀폐형응축수순환쿨링타워를나타낸다. 콘덴서를지나온더운물이이쿨링타워의아래순환파이프로들어가서위로나간다. 개방형응축수순환쿨링타워보다에어콘의콘덴서수질관리가보다좋다. 쿠링타워에있는물의관리는 Figure 16 와같이하여야한다. Page 12