* 압축기의 작용
압축기의 역할을 간단히 말하면 증발기에서 증발한 냉매증기가 응축되기 쉽도록 냉매증기의 압력을 높이는 것, 즉, 증기를 압축하는 것이라고 할 수 있다. 이러한 압축기의 작용에 의하여 냉매는 응축과 증발과정을 반복하면서 냉동장치 내를 순환하며 열을 차가운 곳에서부터 따뜻한 곳으로 운반하게 되는 것이다. 이것을 인체에 비교하면, 냉매는 혈액에 상당하는 데, 혈액을 순환시키는 것이 심장이므로, 냉동장치에서의 압축기는 바로 냉동장치의 심장이라고 말할 수 있다.
그러므로 이러한 역할만 할 수 있는 기계라면 어떤 형식이라도 압축기로 사용할 수 있으며, 오늘날 여러가지 형태의 압축기(왕복동식, 회전식, 스크류, 원심식 스크롤식 등)가 사용되고 있다. 그러나 옛날부터 가장 보편적으로 사용되고 있는 압축기는 왕복동식 압축기인데, 이것은 실린더 안에서 상하로 움직이는 피스톤에 의하여 증기를 압축하여 압력을 높이는 것이다.
장치 싸이클의 중요부분은 ① 냉동되는 공간이나 물품으로부터 증발하는 냉매로 열을 통과시켜 주는 역할을 하는 증발기, ② 증발기로부터의 저압증기를 압축기의 흡입관까지 옮겨주는 통로인 흡입관, ③ 증발기로부터 증기를 제거시켜 주고 증기의 온도와 압력을 보통의 응축매체로 응축될 수 있는 온도까지 상승시켜 주는 증기 압축기, ④ 압축기 토출관으로부터 나오는 고압, 고온의 증기를 응축기까지 운반하는 통로인 고온가스관 혹은 토출관, ⑤ 고온의 냉매증기로부터 응축매체로 열전달 표면을 통해 열을 통과시키는 역할을 하는 응축기, ⑥ 응축된 액을 보관하여 필요에 따라서 증발기에 필요한 액을 일정하게 공급해주는 역할을 하는 수액기, ⑦ 수액기로부터 냉매유량 조절기까지 액냉매를 운반해 주는 통로인 액관, 그리고 ⑧ 증발기로 들어가는 냉매액의 유량을 조절하고 액관에 있는 고압의 액체냉매를 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 저하시켜 바람직한 저온에서 냉매가 증발하도록 하는 냉매유량 조절장치 등으로 구성되어 있다.
이러한 방식의 냉동기는 효율이 좋기 때문에, 가정용 냉장고, 공조용이나 대형냉장고 등 소형에서 대형에 이르기까지 가장 넓게 사용되고 있고, 사용할 수 있는 온도범위도 넓다.
◆ 다단 압축 사이클
(multi stage compression refrigeration cycle)
지금까지 이야기한 냉동사이클은 증발온도가 비교적 높은 경우에 적용하는 단단압축(1단압축) 냉동사이클에 대한 것이다.
그러나 증발온도가 －30℃ 정도나 그보다 더 낮은 저온으로 되면 증발압력이 대단히 낮아서 한대의 압축기로서 증발압력에서 응축압력까지 냉매를 압축하는 것은 여러 가지로 무리가 따른다. 즉, 앞 절에서 언급한 압축비(증발압력과 응축압력과의 비)가 크게 된다. 이렇게 되면 압축기기의 체적효율은 현저하게 감소하게 되고, 압축기에서 토출되는 가스의 온도도 높게 될 뿐만 아니라 냉동능력도 저하하게 된다. 따라서 이와 같은 경우에서는 증발기에서 증발한 저온의 냉매가스를 2대 혹은 3대의 압축기를 사용하여 단계적으로 가스를 압축하여 응축압력까지 압력을 높이는 것이 효율적이다.
압축비의 증가 및 압축기 토출가스의 온도상승은 냉매의 종류에 따라서 다른데, 비열비가 클수록 크다. 여기서, 몇가지 물질에 대한 비열비의 순서를 보면 공기>암모니아>R-22>R-12와 같다. 따라서 공기를 압축할 경우에는 토출가스의 온도가 대단히 높게 되며, 암모니아는 CFC계 냉매보다 토출가스의 온도가 높다. 암모니아를 냉매로 사용할 경우 증발온도가 －40℃ 정도일 때 건조포화증기를 흡입하여 압축하면 토출가스의 온도가 164℃로 된다. 이 온도는 너무 높아 압축기에 여러 가지 무리를 초래할 수 있으므로, 암모니아 냉동기에서는 증발온도가 －30℃ 이하가 되면 2단압축 방식을 택하는 것이 유리하다. 그러나 CFC계 냉매는 암모니아에 비해 토출가스의 온도가 그다지 높지 않다. 그렇지만 압축비가 증가하면 체적효율이 저하하므로 역시 증발온도가 －40℃ 이하의 저온일 때는 2단압축 방식을 택하는 것이 유리하다.
3단 이상은 특수한 경우에 사용하며, 일반적으로 2단압축까지만 사용한다.
2단 이상으로 일반 냉동공업에서 압축하는 방식을 다단압축방식(다단압축 냉동사이클)이라고 하나, 다단압축 사이클은 바로 2단압축 사이클을 말하는 것이라고 생각하여도 된다.
2단압축을 하면 각 압축기에 대한 압축비가 적어지고, 압축기 토출가스 온도도 그다지 높지 않게 된다. 증발온도가 낮을 경우에는 한대의 압축기를 사용할 때보다 2대의 압축기를 사용할 경우, 즉, 2단압축을 하면 어느 정도 동력도 절약할 수 있다.
극저온을 필요로 할 때에는 냉동장치의 저압측이 현저하게 낮아져 1대의 압축기로 저압가스를 응축압력까지 압축하기가 힘이 드는데, 이 때는 보조압축기를 사용하여 그 압력을 저압압력과 응축압력의 중간압력까지 압축하는 방식이다. 다시 말하면, 1단압축 사이클로 작용하고 있는 냉동기의 증발온도, 즉, 증발압력을 내리기 위하여 저단압축기를 추가하고, 증발기에서 나온 냉매를 일단 저단압축기에 흡입해서 이것을 고단압축기의 흡입 압력까지 압축하는 것이다. 따라서 2단압축 1단팽창 사이클과 같이 동력절약을 주목적으로 해서 중간압력 P3를 P3=(P1·P2)1/2로 결정하는 것이 아니고, 고단측 압축기의 흡입압력을 중간압력으로 채용하여 이것보다 낮은 증발압력 P2를 얻기 위하여 보조압축기인 부스터(booster)를 사용할 때의 냉동사이클이다. 따라서 이 사이클은 2단압축 사이클의 방식이므로 각종 냉동량 계산은 2단압축 팽창 사이클과 같다
압축기의 역할을 간단히 말하면 증발기에서 증발한 냉매증기가 응축되기 쉽도록 냉매증기의 압력을 높이는 것, 즉, 증기를 압축하는 것이라고 할 수 있다. 이러한 압축기의 작용에 의하여 냉매는 응축과 증발과정을 반복하면서 냉동장치 내를 순환하며 열을 차가운 곳에서부터 따뜻한 곳으로 운반하게 되는 것이다. 이것을 인체에 비교하면, 냉매는 혈액에 상당하는 데, 혈액을 순환시키는 것이 심장이므로, 냉동장치에서의 압축기는 바로 냉동장치의 심장이라고 말할 수 있다.
그러므로 이러한 역할만 할 수 있는 기계라면 어떤 형식이라도 압축기로 사용할 수 있으며, 오늘날 여러가지 형태의 압축기(왕복동식, 회전식, 스크류, 원심식 스크롤식 등)가 사용되고 있다. 그러나 옛날부터 가장 보편적으로 사용되고 있는 압축기는 왕복동식 압축기인데, 이것은 실린더 안에서 상하로 움직이는 피스톤에 의하여 증기를 압축하여 압력을 높이는 것이다.
장치 싸이클의 중요부분은 ① 냉동되는 공간이나 물품으로부터 증발하는 냉매로 열을 통과시켜 주는 역할을 하는 증발기, ② 증발기로부터의 저압증기를 압축기의 흡입관까지 옮겨주는 통로인 흡입관, ③ 증발기로부터 증기를 제거시켜 주고 증기의 온도와 압력을 보통의 응축매체로 응축될 수 있는 온도까지 상승시켜 주는 증기 압축기, ④ 압축기 토출관으로부터 나오는 고압, 고온의 증기를 응축기까지 운반하는 통로인 고온가스관 혹은 토출관, ⑤ 고온의 냉매증기로부터 응축매체로 열전달 표면을 통해 열을 통과시키는 역할을 하는 응축기, ⑥ 응축된 액을 보관하여 필요에 따라서 증발기에 필요한 액을 일정하게 공급해주는 역할을 하는 수액기, ⑦ 수액기로부터 냉매유량 조절기까지 액냉매를 운반해 주는 통로인 액관, 그리고 ⑧ 증발기로 들어가는 냉매액의 유량을 조절하고 액관에 있는 고압의 액체냉매를 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 저하시켜 바람직한 저온에서 냉매가 증발하도록 하는 냉매유량 조절장치 등으로 구성되어 있다.
이러한 방식의 냉동기는 효율이 좋기 때문에, 가정용 냉장고, 공조용이나 대형냉장고 등 소형에서 대형에 이르기까지 가장 넓게 사용되고 있고, 사용할 수 있는 온도범위도 넓다.
◆ 다단 압축 사이클
(multi stage compression refrigeration cycle)
지금까지 이야기한 냉동사이클은 증발온도가 비교적 높은 경우에 적용하는 단단압축(1단압축) 냉동사이클에 대한 것이다.
그러나 증발온도가 －30℃ 정도나 그보다 더 낮은 저온으로 되면 증발압력이 대단히 낮아서 한대의 압축기로서 증발압력에서 응축압력까지 냉매를 압축하는 것은 여러 가지로 무리가 따른다. 즉, 앞 절에서 언급한 압축비(증발압력과 응축압력과의 비)가 크게 된다. 이렇게 되면 압축기기의 체적효율은 현저하게 감소하게 되고, 압축기에서 토출되는 가스의 온도도 높게 될 뿐만 아니라 냉동능력도 저하하게 된다. 따라서 이와 같은 경우에서는 증발기에서 증발한 저온의 냉매가스를 2대 혹은 3대의 압축기를 사용하여 단계적으로 가스를 압축하여 응축압력까지 압력을 높이는 것이 효율적이다.
압축비의 증가 및 압축기 토출가스의 온도상승은 냉매의 종류에 따라서 다른데, 비열비가 클수록 크다. 여기서, 몇가지 물질에 대한 비열비의 순서를 보면 공기>암모니아>R-22>R-12와 같다. 따라서 공기를 압축할 경우에는 토출가스의 온도가 대단히 높게 되며, 암모니아는 CFC계 냉매보다 토출가스의 온도가 높다. 암모니아를 냉매로 사용할 경우 증발온도가 －40℃ 정도일 때 건조포화증기를 흡입하여 압축하면 토출가스의 온도가 164℃로 된다. 이 온도는 너무 높아 압축기에 여러 가지 무리를 초래할 수 있으므로, 암모니아 냉동기에서는 증발온도가 －30℃ 이하가 되면 2단압축 방식을 택하는 것이 유리하다. 그러나 CFC계 냉매는 암모니아에 비해 토출가스의 온도가 그다지 높지 않다. 그렇지만 압축비가 증가하면 체적효율이 저하하므로 역시 증발온도가 －40℃ 이하의 저온일 때는 2단압축 방식을 택하는 것이 유리하다.
3단 이상은 특수한 경우에 사용하며, 일반적으로 2단압축까지만 사용한다.
2단 이상으로 일반 냉동공업에서 압축하는 방식을 다단압축방식(다단압축 냉동사이클)이라고 하나, 다단압축 사이클은 바로 2단압축 사이클을 말하는 것이라고 생각하여도 된다.
2단압축을 하면 각 압축기에 대한 압축비가 적어지고, 압축기 토출가스 온도도 그다지 높지 않게 된다. 증발온도가 낮을 경우에는 한대의 압축기를 사용할 때보다 2대의 압축기를 사용할 경우, 즉, 2단압축을 하면 어느 정도 동력도 절약할 수 있다.
극저온을 필요로 할 때에는 냉동장치의 저압측이 현저하게 낮아져 1대의 압축기로 저압가스를 응축압력까지 압축하기가 힘이 드는데, 이 때는 보조압축기를 사용하여 그 압력을 저압압력과 응축압력의 중간압력까지 압축하는 방식이다. 다시 말하면, 1단압축 사이클로 작용하고 있는 냉동기의 증발온도, 즉, 증발압력을 내리기 위하여 저단압축기를 추가하고, 증발기에서 나온 냉매를 일단 저단압축기에 흡입해서 이것을 고단압축기의 흡입 압력까지 압축하는 것이다. 따라서 2단압축 1단팽창 사이클과 같이 동력절약을 주목적으로 해서 중간압력 P3를 P3=(P1·P2)1/2로 결정하는 것이 아니고, 고단측 압축기의 흡입압력을 중간압력으로 채용하여 이것보다 낮은 증발압력 P2를 얻기 위하여 보조압축기인 부스터(booster)를 사용할 때의 냉동사이클이다. 따라서 이 사이클은 2단압축 사이클의 방식이므로 각종 냉동량 계산은 2단압축 팽창 사이클과 같다
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