팽창밸브(Expansion valve)
1. 팽창 밸브의 개요
팽창밸브는 응축기로부터 나온 고온. 고압의 액 냉매를 증발하기 쉬운 상태로 감압해 증발기 내부의 최적 유량을 확보와 냉각 부하의 증감에 의해서 변화하는 압축기의 용량에 맞추어 냉매가스의 과열 도를 일정 범위 내로 유지해 이상과열과 액 귀한을 방지하는 기능을 갖춘 부품으로 다양한 역할을 한다.
2. 팽창밸브의 종류와 특징
A. 수동식 팽창 밸브(Manual expansion valve)
특징
a. 후레온 및 암모니아용으로 이용되며 재질은 주철제이다.
b. 냉동부하의 변동에 대응하여 수동에 의해 냉매 소요량을 조절 공급한다.
c. 미세한 유량을 제어하기 위해 니들 밸브(Needle valve)로 되어 있다.
d. 온도식 자동팽창 밸브나 저압 측 플로우트 밸브를 사용하는 곳에 고장시를 대비해 바이패스(By pass)용으로도 이용된다.
B. 모세관(Capillary tube)
특징
a. 주로 소형 냉동기 즉 증발부하가 적은 곳에 사용되며 가정용 냉동기, 창문형 에어컨, 쇼
케이스 등에 이용된다.
b. 조절이 불필요하고 구경이 작은 배관으로 제작되며 재질은 동관을 이용한다.
c. 냉동기 정지시 고-저압이 평형(Balance)이 되므로 기동시 기동부하가 적게 든다.
d. 길이가 같을 때 굵기가 가늘수록, 굵기가 같을 때는 길이가 길수록 압력강화가 크다.
C. 정압식 자동 팽창 밸브(Constant pressure expansion valve)
특징
a. A.E.V(automatic expansion valve)라고도 한다.
b. 벨로우즈와 다이어프램을 사용하는 것이 있으며 작동원리는 동일하다.
c. 증발압력이 높아지면 밸브가 닫히고 낮아지면 밸브가 열려 증발압력을 항상 일정하게 유지하며 on-off된다.
d. 냉동부하의 변동에 관계없이 증발압력에 의해서만 작동되므로 부하 변동이 적은 용량에 적합하며 냉동부하의 변동이 심한 곳에 사용하면 과열압축 및 액 압축이 발생되기 쉽다.
e. 냉동기가 정지하면 증발압력이 상승하여 자동적으로 밸브가 닫힌다.
f. 냉수 또는 브라인의 동결방지용으로도 사용된다.
D. 온도식 자동 팽창 밸브(Thermal expansion valve)
특징
a. 증발기 출구의 흡입 증기 냉매의 과열도를 일정하게 유지하며 on-off된다.
b. 후레온 건식 증발기를 사용하는 곳에 주로 사용된다.
c. 냉동부하의 변동에 따라 on-off가 조절되는 구조로 되어 있다.
(부하가 감소되면 밸브가 닫히고 증가하면 밸브가 열린다.)
d. 본체의 구조에 따라 벨로우즈(bellows)식과 다이어프램(diaphragm)식이 있으며 감온통의 봉입방식에 따라 가스 봉입식, 액 봉입식, 크로스 봉입식으로 구분된다.
e. 온도식 자동 팽창 밸브 on-off에 작용하는 힘
-감온통에 봉입된 가스압력이 다이어프램에 작용하는 힘(P1)
-증발기 내의 냉매의 증발 압력(P2)
-과열도 조절나사의 스프링의 압력(P3)
* P1>P2+P3… 밸브가 on
P1>P2+P3… 밸브가 off
E. 파일로트 온도식 자동팽창 밸브(Pilot thermal expansion valve)
a. 온도식 자동 팽창 밸브의 단독용량에는 한계가 있어 냉동능력 100-270RT의 대용량이 되면 많은 유량이 필요로 하게 되고 액 배관이 굵어지므로 팽창 밸브를 사용
b. 파일로트 T.E.V의 on-off에 비례하여 주 팽창밸브가 열린다.
c. 파일로트 T.E.V전에 전자밸브와 여과기를 설치하여 준다.
상기와 같이 여러 종류의 팽창 밸브가 사용되고 있다.
여기서 흔히 사용하고 있는 온도식 팽창 밸브에 대해 자세히 알아보고 간단히 선정하는 식을 알아보자.
3. 온도조절식 팽창밸브(Thermostatic Expansion Valve : TEV)
A. TEV는 냉매의 유량과 감압을 비례적으로 제어하는 기능
B. 냉동 장치에서 가장 많이 사용하는 냉매 유량제어 밸브이며 정압식의 기능을 개선한 밸브
C. TEV는 증발기의 온도에 의해서 작동하는 것이 아니라 증발기에서 나오는 냉매가스의 과열도가 일정하도록 냉매유량을 조절
D. 직접 팽창식 증발기에 많이 사용 광범위한 부하변동에 적용
E. TEV에는 감온통(sensing bulb)이 부착 냉동 장치에 사용하는 냉매와 동일 냉매가 충전되고, 증발기 출구 부착하여 출구의 냉매 온도를 감지한다.
F. 벨로우즈 형식과 다이어후램 두 가지 형식이며 여기에는 내부 균압형(압력강하가 있을 때 사용)과 외부 균압형(압력강하가 없을 때 사용)
G. 본체는 증발기 가까운 곳, 냉매 분배기(distributer)의 가까운 곳에 설치
H. 가스 봉입식 팽창밸브는 감온통 설치 위치보다 따뜻한 곳에 설치
I. 증발기에서 압력강하가 0.14kg/cm2 이상일 때 외부 균압형 TEV를 사용, 감온통부분의 냉매 포화온도는 증발기 입구의 포화온도보다 항상 낮다.
J. 팽창밸브 직전에 전자밸브를 설치, 압축기가 정지하였을 때 냉매 액이 증발기 내부로 유입되는 것을 방지한다.
4. 감온통 봉입 방식
봉입 방식은 장치 냉매의 종류, 사용 증발 온도, 제상에 의한 열-영향, 부착부의 주위 온도 등에 의해 최적인 선택이 필요합니다.
A. 가스 봉입식(G)
장치의 사용 냉매와 동 종류의 냉매를 봉입한 것으로, 일정한 온도의 상승으로 봉입가스가 과열가스가 되는 포인트가 있습니다.
이 포인트를 Maximum Operating Pressure(M.O.P.)(이)라고 부르고 있습니다. M.O.P.의 규제의 결과, 시동시의 액 복귀 방지, 압축기 모터의 과부하 방지가 가능
B. 액 봉입식(L)
가스 봉입식과 동등의 압력 특성으로 항상 봉입액이 감온통에 존재하도록 했다는 의미입니다.
*감온통 온도와 본체 주위 온도의 높낮이에 관계없이 올바르게 제어할 수 있다. 단, 내열 온도에 주의가 필요.
C. 특수 봉입식(S), (SA), (SL)
이종 가스를 혼합해 봉입한 것으로 (G), (L) 봉입에 비해 운전 과열도를 작게 할 수 있으며, M.O.P.를 선택할 수도 있습니다. M.O.P.(은)는 S(20℃), SA(18℃), SL(20℃)를 선택할 수 있습니다.
D. 특수 봉입식(C), (CL), (CY)
흡착재와 특수 가스를 봉입한 것입니다. 고온 탈착, 저온 흡착에 의한 압력 변화를 이용, 저온으로 운전 과열도를 작게 할 수 있습니다. 또 감온통 온도와 본체 주위 온도의 높낮이에 관계없이 올바르게 제어할 수 있습니다. M.O.P. 규제는 없습니다만, 과부하 방지 효과를 기대할 수 있습니다.
5. 관련용어의 설명
A. 응축 온도(CT)
냉동사이클 안에서 제일 높은 냉매 액 상태 부분의 온도입니다.(팽창밸브 입구 냉매 포화 액체의 온도)
B. 증발 온도(ET)
물 ․ 공기부하 등을 냉각하기 위한 냉매 액-가스의 혼합 부분의 온도입니다.(팽창밸브 출구 냉매 포화 증기 온도)
C. 과냉각도(SC)
냉매 액체의 온도 상당 압력에 대해서, 압력은 변화하지 않고 온도만 저하한 정도.(팽창밸브입구 온도와 압력 상당 온도와의 차이)
D. 과열도(SH)
냉매 가스 온도 상당 압력에 대해서 압력은 변화하지 않고, 온도만 상승한 정도(팽창밸브 감온부 온도와 균압부 압력 상당 온도와의 온도 차)
E. 응축 압력(PC)
A의 온도 상당 압력
F. 증발 압력(PE)
B의 온도 상당 압력
G. 냉동 능력 SI 단위의 표시로서 냉각 열량을 kW로 나타내고 있다.
H. 압력손실
배관내의 마찰 저항이 주된 압력손실의 원인입니다. 고압 측에서의 발생은 과냉각도의 감소 또는 플래시 가스의 발생이 되어, 저압측에서의 발생은 증발기내에서의 온도 불균형, 능력 감소 원인이 됩니다. 내부 균압형 팽창밸브에서는 운전 과열도의 증가로 연결됩니다.
I. 최고 사용 압력(bar)
통상의 사용 조건하에서 팽창밸브가 지장 없게 기능하는 최고 압력(설계압력)
J. 기밀 시험 압력(bar)
팽창밸브의 외부에의 누락을 검사할 때의 압력으로 설계 압력 이상입니다.
K. 내압 시험 압력(bar)
팽창밸브의 내압 성능을 검사할 때의 압력으로 설계 압력의 1.5배입니다.
6. 팽창밸브의 능력 선정
A. 증발기와 수액기와의 고저 차가 크거나 거리가 긴 경우 또한 압력 강하가 큰 증발기에 사용하는 경우
우선 능력을 선정하기 위해서 다음의 항목의 검토가 필요하다.
▣사용 냉매
▣증발기 용량
▣증발 온도
▣과냉각도
▣밸브 전후의 압력 강하
〔밸브 전후의 압력 강하=응축압력-증발압력-배관 내와 분배기의 압력손실〕
다음 조건에 필요한 팽창밸브의 능력은
▣사용냉매 : R22
▣증발기 용량 : Qe=7,700kcal/h
▣KW로 변환 : 7,700÷860=8.95kW
▣증발 온도 : -10℃
증발기는 6섹션형이고 액 배관은 1/2 길이는 25m. 증발기는 수액기에서 6m높이에 설치하고 증발기에는 냉매 분배기를 사용하고 있다.
팽창밸브 전후의 압력 강하△P의 결정 방법
압력 강하△P는 응축 압력PC에서 증발 압력PE를 뺀 값이다. PC와 PE의 값은 TC 및 TE의 값에서 구해진다. 상기값은 냉매표를 사용한다.
PC-PE=13.9bar-3.6bar=10.3bar---0)
팽창밸브 전후의 실제 압력 강하를 얻기 위해서 (pc-pe)에서 다른 압력손실 값을 뺀다.
① 액 배관에서의 압력 강하 △P1 △P1=25X0.0066≒0.2bar---1)
② 필터 드라이어, 사이트 글래스, 볼-밸브, 배관 압력손실 등의 압력강하
△P2=0.2bar---2)
③ 증발기와 수액기 사이의 수직 배관의 압력강하△P3
|
냉매 |
압력강하△P3〔증발기와 수액기 고.저 차h〕 | ||||
|
6m |
12m |
18m |
24m |
30m | |
|
R22 |
0.7 |
1.4 |
2.1 |
2.8 |
3.5 |
|
R134a |
0.7 |
1.4 |
2.1 |
2.8 |
3.6 |
|
R407 |
0.6 |
1.3 |
1.9 |
2.5 |
3.2 |
|
R507 |
0.6 |
1.3 |
1.9 |
2.5 |
3.2 |
상기 표에서의 6m의 값 △P3=0.7---3)
④ 냉매 분배기의 압력강하△P4 △P4≒0.5---4)
⑤ 냉매 분배기의 압력강하△P5 △P5≒0.5---5)
즉 팽창밸브 전후의 압력강하△P
△P=(pc-pe)-(△P1+△P2+△P3+△P4+△P5)
=10.3-(0.2+0.2+0.7+0.5+0.5)=8.2bar
여기서 균압방식이란? : 증발기의 압력 손실과 압력 변동폭의 큰 장치에는 외부균압식, 압력손실의 작은 장치에는 내부균압식을 선택한다.
예를 들면 저압측에 0.088MPa의 압력 손실이 있는 경우, 내부 균압식의 팽창밸브에서는 운전 과열도가 약 5℃증가한다.
냉매 R22의 경우
A점 0.588MPa abs(5℃) B점 0.5MPa abs(0℃) 스프링압력 P3 0.088MPa
감온통 내부의 압력(P1) 감온통 내부의 압력(P1)
=0.5+0.088 =0.588+0.088
=0.588MPa abs의 포화 온도 =0.676MPa abs의 포화 온도
운전 과열도는 5℃-0℃=5℃rk 된다. 운전 과열도는 10℃-0℃=10℃rk 된다.
내부 균압인가? 외부 균압인가?를 선택한다.
냉매 분배기를 사용하는 증발기이므로 반드시 외부 균압형을 사용한다.
따라서 온도식 자동팽창 밸브〔TEX〕을 선정한다.
|
형식 |
번호 |
증발 온도 -10℃ | ||||||
|
△P bar 밸브 전후의 압력강하 | ||||||||
|
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
||
|
TX2/TEX2-0.3 |
00 |
0.79 |
0.96 |
1.1 |
1.2 |
1.2 |
1.3 |
1.3 |
|
TX2/TEX2-0.7 |
01 |
1.6 |
2.0 |
2.3 |
2.5 |
2.6 |
2.7 |
2.8 |
|
TX2/TEX2-1.0 |
02 |
2.2 |
2.9 |
3.3 |
3.6 |
3.8 |
4.0 |
4.1 |
|
TX2/TEX2-1.5 |
03 |
3.9 |
5.1 |
5.9 |
6.4 |
6.8 |
7.1 |
7.3 |
|
TX2/TEX2-2.3 |
04 |
5.8 |
7.6 |
8.7 |
9.5 |
10.1 |
10.5 |
10.9 |
|
TX2/TEX2-3.0 |
05 |
7.4 |
9.6 |
11.0 |
12.0 |
12.8 |
13.3 |
13.8 |
|
TX2/TEX2-4.5 |
06 |
9.1 |
11.8 |
13.5 |
14.7 |
15.6 |
16.2 |
16.8 |
R22 용량 표(상기표)에서 증발온도-10 △P=8.2bar의 경우 다음과 같이 구한다.
8.2-s
9.5+———(10.1-9.5)=9.6kW
10-8
즉 압력강하의 중진 값을 산출하여 선정한다.
일반적으로 밸브의 최대 용량은 표의 값보다 20%크므로 참고한다.
9.6X1.2=11.52이므로 TEX2-2.3 orifice 04번을 선정하면 된다.
B. 일반적인 냉동장치에 사용하는 경우
선정에 필요한 조건
사용냉매→증발온도→액온도→증발기 용량→응축온도
밸브 전후의 압력강하△P
△P〔bar〕=응축압력-증발압력-장치 내 압력손실
장치 내 압력 손실 값 : 냉매 분배기 사용 : 2bar
냉매 분배기 없음 : ０.５bar
사용냉매 : R22/증발기 용량 : 15,000kcal/h/kw로 변환 : 15,000÷860=17.44
증발온도 : -30℃〔절대압력 1.65bar〕
응축온도 : +40℃〔절대압력 15.6bar〕
액 온도 : ＋３５℃
냉매 분배기 사용 : ２bar
밸브 전후의 압력강하 △P
△P bar=15.6-1.65-2=11.95bar
증발온도범위 -40℃~+10℃의 N-렌지를 사용할 수 있으므로 사용 R-22 용량표에서
증발온도범위 -30℃의 12bar의 란에서 17.04kw의 용량인 TEX5-4.5인 orifice 02번을 선정하면 된다.
C. 액과 냉각도가 큰 경우(2단 압축기 사용 등)
사용 냉매 : R22/증발기 용량 : 15,000kcal/h/KW로 변환 : 15,000÷860=17.44
증발 온도 : ー４０℃〔절대압력 1.07bar〕
응축 온도 : +40℃〔절대압력 15.6 bar〕
액 온도 : +5
냉매분배기 사용 : 2bar
밸브 전후의 압력강하 △P
△P bar=15.6-1.07-2=12.5bar
액과 냉각도=응축온도(+40)-액 온도(+5)=35
과 냉각표에 의한 보정계수 : 1.30
용량보정Q: 17.44÷1.30=13.42
R-22 용량 표의 B-렌지 증발온도 -40 △P 12bar의 란에서 13.30 용량인 TEX5-4.5인 orifice 02번을 선정하면 된다.
보정계수
|
액 과냉각도 |
4℃ |
10℃ |
15℃ |
20℃ |
25℃ |
30℃ |
35℃ |
40℃ |
45℃ |
50℃ |
|
R22 |
1.00 |
1.06 |
1.11 |
1.15 |
1.20 |
1.25 |
1.30 |
1.35 |
1.39 |
1.44 |
|
R134A |
1.00 |
1.08 |
1.13 |
1.19 |
1.25 |
1.31 |
1.37 |
1.42 |
1.48 |
1.54 |
|
R404A/R507 |
1.00 |
1.10 |
1.20 |
1.29 |
1.37 |
1.46 |
1.54 |
1.63 |
1.70 |
1.78 |
|
R407C |
1.00 |
1.08 |
1.14 |
1.21 |
1.27 |
1.33 |
1.39 |
1.45 |
1.51 |
1.57 |
|
R410A |
1.00 |
1.08 |
1.15 |
1.21 |
1.27 |
1.33 |
1.39 |
1.45 |
1.50 |
1.56 |
과 냉각이 4℃에서 일탈하면 사용되는 증발기 용량은 수정되어야 한다.
보정용량은 보정 계수표에서 구하고 증발기 용량을 보정계수로 나눈 후 밸브를 선택한다.
Note과 냉각이 너무 낮으면 Flash 가스가 발생된다.
!!꼭 알고가기!!
능력에 영향을 주는 보정 요소
1) 저압측 배관의 압력 손실 보정 계수 : 분배기나 증발기 내부의 압력 손실은 온도의 불균형이나 능력저하의 원인이 되어 또 내부균압식 팽창변에서는 정지 과열도의 증가에 연결됩니다. 응축온도+38℃일정에 있어서 분배기 및 증발기 중에서 압력 손실이 변화했을 경우의 보정계수이다.
2) 과냉각기에 의한 보정계수 : 통상2단 압축 장치의 저단측 고압 액냉매나, 열교환기 부속
장치 등으로 생각할 수 있는 과냉각의 정도에 의한 능력변화를 나타낸 것이다. 큰 과냉각도가 있는 장치에 대해서는 능력표내의 값의 계수를 나눈 값이 팽창밸브의 능력이다(어느 제작사는 곱한 값으로 한다.)
3) 고압측 배관의 압력 손실 : 고압측의 압력 손실은 냉동 능력의 저하가 된다. 응축기로부터 팽창밸브까지발생하는 압력손실은 Flash 가스의 발생으로 연결되어, 팽창밸브의 능력이 저하가 되기 때문에 1~3℃정도의 과냉각을 고려할 필요가 있다.
상기와 같이 간단하게 팽창밸브의 종류, 역할과 능력선정 방법을 정리해 보았다. 보다 자세한 내용은 각 제조사 홈페이지에서 관련된 프로그램을 다운로드하면 많은 참고가 될 것이다.
(출처 : 냉동공조산업저널 랙즈 2009.2)