1. 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 냉동장치내를 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 여러 가지 형태의 압축기가 사용되고 있다. 그러나 옛날부터 가장 보편적으로 사용되고 있는 압축기는 왕복동식 압축기인 데, 이것은 실린더 안에서 상하로 움직이는 피스톤에 의하여 증기를 압축하여 압력을 높이는 것이다.
2. 압축기의 성능
(1) 압축기의 피스톤 압출량(piston displacement)
왕복동식 압축기의 경우
n : 회전속도(rpm)
z : 압축기 실린더수
Vc : 실린더 1개의 체적(m3)
D : 실린더 직경(m)
N : 실린더 행정(m)
회전식 압축기의 경우
(m3/h)
D : 기통경(m)
n : 기통수
d : 회전 피스톤의 외경(m)
N : 압축기의 매분 회전수
t : 기통의 두께(m)
(2) 압축기의 체적효율(volumetric efficiency)
실제로 압축기에 흡입되는 냉매증기의 체적(V1)과 피스톤이 배출한 체적(V2)과의 비(압축기 흡입구의 압력으로 계산한 값)를 말한다.
이때 격간체적비(격간체적/행정체적)를 c, 냉매증기의 단열압축지수를 k라고 하면, 이들과 체적 효율과의 관계는 다음과 같다.
이 식으로부터 체적효율 ηvc는 격간비율 c가 클수록, 또 압축비 P2/P1가 클수록 그리고 k의 값이 적을수록 작은값이 된다. 그러나 냉동기의 압축기에서는 격간의 비율 c가 대단히 적어 보통 ηvc의의 값이 1에 접근하므로, 압축비가 달라진다 하더라도 그 변화비율은 대단히 적다.
(3) 체적효율에 영향을 미치는 요소들
① 흡입증기 밀도의 영향
흡입증기의 밀도가 클수록 흡입밸브에 대한 저항이 크므로 체적효율은 감소한다.
②흡입 및 토출밸브의 영향
압축기의 흡입 및 토출밸브에서는 흐름에 대한 저항이 있다. 이에 대한 압력 강하로 비체적이 증가, ηvc는 감소하게 된다.
③실린더의 크기, 회전수에 의한 영향
소형 실린더에서는 그 구조상 흡입밸브에 의한 저항이 비교적 크고, 밸브의 작동상태도 대형에 비하여 나쁘므로 체적효율은 대형 실린더보다도 적다. 또 같은 압축기에서도 그 회전수에 따라 체적효율이 다른데, 고속으로 회전하는 압축기에서는 밸브의 개폐빈도가 많기 때문에 체적효율은 중속의 압축기보다 적게 된다. 그러나 실린더가 너무 느리게 되면 피스톤과 실린더벽 사이로 누설되는 증기량이 압축 증기량에 비하여 많게되므로 체적효율은 감소한다. 따라서 높은 체적효율을 얻으려면 최적 회전수를 구하여야 한다.
④실린더 벽의 온도에 의한 영향
실린더내로 차가운 냉매증기가 흡입되면 따뜻한 실린더벽에 의해 냉매증기의 온도가 상 승하여 체적이 증가하므로 체적효율은 감소한다.
(4) 압축기의 소요동력
기계효율 (ηm) =
단열지시효율 (ηc) =
압축기의 실제 소요동력 =
= =
(5) 압축기의 크기 및 소요동력의 계산
1시간당 압축기 흡입증기의 체적(m3/kg)
=
1시간당 압축기의 피스톤 압출량(m3/h)
=
=
소요 kW수
=
(6) 압축기 토출가스의 온도
압축기 실린더에 흡입된 냉매증기를 압축하면 차츰 온도가 상승한다. 이때의 온도상승 정도는 단열압축이라고 가정할 때 다음 식으로 계산할 수 있다.
여기서 T1 : 압축기 흡입증기의 절대온도, K
T2 : 압축 후 토출증기의 절대온도, K
P1 : 압축 직전 증기의 절대압력 kg/cm2abs
P2 : 압축 후 토출증기의 절대압력, kg/cm2abs
k : 비열비(Cp/Cv)
(7) 온도조건과 압축기의 성능
압축기의 냉동능력은 R=G×r의 관계이므로 온도조건에 따른 R의 변화는 주로 냉매 순환량 G의 변화에 의한 것임을 알 수 있다. 즉, 냉동효과는 증발온도에 의한 변화비율이 대단히 적으나, 냉매순환량 G는 증발온도가 저하할수록 현저하게 줄어들게 되므로, R=G×r의 관계에서 냉동능력이 감소하게 된다. 또 팽창밸브 직전의 냉매온도에 의히서는 냉매순환량 G가 변하지 않으나, 냉동량 r(증발기 출구의 냉매 엔탈피값 - 팽창밸브 직전의 냉매 엔탈피값)은 팽창밸브 직전의 냉매온도가 낮을수록 팽창밸브 직전에서의 냉매 엔탈피값이 적어지므로 냉동효과가 커지게 되고 냉동능력 R도 커지게 된다.
3. 압축기의 분류
(1) 냉동법의 원리에 의한 분류
기계식 냉동법 : 체적식 압축기 - 왕복동식 압축기, 회전식 압축기(스크류, 로터리압축기)
원심식 압축기 - 터보압축기
화학식 냉동법 : 암모니아 - 물 흡수식 냉동기, 물-리튬브로마이드 흡수식 냉동기
흡착식 냉동법 : 흡착식 냉동기
전자식 냉동법 : 전자식 냉동기
(2) 압축기의 형상에 의한 분류
입형 압축기
횡형 압축기
다기통형 압축기(V형, W형, VV형 등)
(3) 회전속도에 의한 분류
저속 압축기
고속 압축기
(4) 냉매가스에 의한 분류
암모니아 압축기
CFC계 냉매 압축기
탄산가스 압축기
(5) 압축 방식에 의한 분류
(6) 밀폐 구조에 의한 분류
개방형 압축기
반밀폐형 압축기
밀폐형 압축기
현재 대부분의 냉동시설에 사용하고 잇는 것은 가스 압축식인 기계식 냉동법이다. 기계식은 앞에서와 같이 체적식과 원심식으로 대별할 수 있다. 체적식은 흡입된 가스의 체적을 줄임으로서 가스압력을 상승시키는 방식이고, 원심식은 회전하는 임펠러에 의해서 가스에 빠른 속도를 주어 압력을 상승시켜 임펠러 출구에서 가스가 갖고 있는 운동에너지를 디퓨저(diffuser)내에서 압력으로 바꾸는 방식이다.