냉동 시스템에서 냉매의 과열 (Super heating) 과 과냉 (Sub Cooling)

냉동 시스템에서 냉매의 과열 (Super heating) 과 과냉 (Sub Cooling)

과열 (Super heating) 이란
냉동싸이클의 증발과정에서 증발기 내부에는 액 냉매와 기체 냉매가 혼합된 저압의 포화액냉매로 되어있습니다. 팽창변 통과 직후의 냉매는 90% 이상이 액 냉매인데, 증발기를 통과하면서 외부로부터 열을 흡수하여 증발하면서, 기체 냉매로 변한다. 즉 응축기에서 증발기까지 이송되면서 관로상의 저항과 외부로부터 전열 등에 의해 액냉매 일부는 증발한다. 이론 대로 한다면 증발기 출구 즉, 압축기 입구에서의 냉매 상태는 완전히 기체화 되어 압축기는 기체인 가스만 압축해야 한다..

그러나 급격한 실내 부하변동이 있을 경우 증발기에서 포오밍 또는 트로틀링 등이 불환전한 증발현상이 발생하여 증발기를 통과한 냉매에도 약간의 액체가 있을 수 있는데, 이 액체 상태의 냉매가 압축기로 들어가면 압축기에서 액압축에 의한 액햄머링이 발생하여 압축기를 망가뜨릴 위험이 있습니다.

이를 방지하기 위하여 증발기를 통과한 냉매가 압축기로 가는 과정에서 약 5도 정도 온도가 상승하게 하여, 액체 냉매가 압축기 흡입관로상에 존재하지 않도록 하는 것이 냉매의 과열입니다. 증발기 내에서의 포화 온도가 0도라면, 압축기에 들어가는 과열 냉매온도를 5도 정도로 해야 하는데, 이 온도 차이 5도가 과열도 입니다.
이 과열도는 냉매가 증발기에서 압축기로 가는 과정 (압축기 흡입관)에서 일어나도록 하여야 합니다.

냉방기 설계에서 이 5도의 과열도를 유지할 때 설계용량(냉동톤)이 나오도록 해야 합니다.

과열도가 설계치 보다 높으면:
냉매를 너무 적게 주입하면 증발기의 마지막 부분까지 포화냉매로 가득 차지 못하고, 증발기 내부에서부터 냉매가 과열하게 되어, 증발기 후반 부분은 과열 냉매가 차 있게 되는데, 이 부분은 증발기의 역할을 못하게 되므로, 이 냉방기의 냉동 능력은 당연히 설계용량 보다 크게 모자라게 됩니다.

또, 가령 과열도가 10도 라면, 5도 때 보다, 기체냉매의 부피(압축기의 체적효율 저하)가 늘어나므로, 압축기가 순환시키는 냉매의 량이 상대적으로 줄어들어, 전체 냉동능력은 더 저하됩니다. 압축기가 더 높은 온도에서 운전을 하게 되어, 압축기 모타의 효율도 떨어지게 됩니다.

과냉 (Sub Cooling)이란
응축기에서 냉매가스가 응축되어 액화될 때의 온도를 포화 응축온도라 하는데, 이 때 포화 응축온도가 가령35도라면, 이 응축된 액체 냉매의 온도가 35도 보다 낮아지는 것을 과냉이라합니다.
그러나 응축기에서 과냉된 부분은 이미 액체 냉매로 되어있어, 액체 상태의 냉매가 차지하고 있는 응축기 부분은응축 역할을 못하기 때문에, 이 부분 만큼 응축기의 크기를 늘려서 제작하여야 합니다.

과냉도가 5도 보다 낮아지면:
과냉된 액체냉매의 온도가 30도라면 과냉도가 5도 (35-30)가 되는 것입니다. P-H diagram 상으로는 냉동효율이 올라가나, 응축기의 응축부하가 높아지므로 5도 정도의 과냉도를 유지하면서 결과적으로 냉방기의 용량이 5톤 이 나오도록 하는 것이 설계의 포인트입니다. 과냉도가 꼭 5도로 하란 법은 없습니다. 시스템 전체의 바란스가 맞으면서 규정대로의 냉방능력만 나오면 과냉도가 다소 높거나 낮아도 상관없습니다.

과냉이 전혀 안된다면:
과냉이 되지 않은, 포화 냉매를 그대로 팽창변으로 보내면 배관의 저항으로 액체냉매의 일부가 증발하면서 기체 상태로 되는데 (flash gas ), 기체 상태의 냉매가 섞인 냉매가 팽창변으로 가게됩니다. 이는 팽창변의 정상적인 작동을 방해하고, 냉동 능력을 급감시키므로 반드시 액체 상태로 팽창변까지 보내야 합니다.
그래서 flash gas의 발생을 방지하기 위하여 5도 정도의 과냉도를 유지하도록 시스템 설계를 하는 것이 좋은 것입니다.

적절한 과열도와 과냉도 유지
적절한 과냉과 과열의 유지는 냉방기가 설계된 대로의 용량이 나오도록 하는데, 매우 중요한 역할을 합니다.
아무리 큰 증발기와 응축기를 쓰고, 성능 좋은 압축기와 송풍기를 쓰더라도, 시스템의 과열과 과냉을 적절히 유지 하지 않으면, 설계된 냉동효과 만큼 효율을 낼 수 없고(냉각능력은 떨어지고). 또한 응축기에서 에너지 과소비 경향(응축부하의 상승)을 보일 수 있으므로 운용관리상 세심한 주의가 필요한 부분임니다.

항온항습기 또는 일반 냉방기의 경우, 과냉 방지는 설계한 대로의 적적한 량의 냉매를 주입하면 어느 정도 방지되나, 과열 방지는 조금 문제가 다릅니다.

아무리 적절한 량의 냉매를 주입하였다 하더라도, 증발기에 있는 냉매는 실내 온도와 외기 변화에 따라 상태가 달라집니다. 주위 상태에 따라, 증발기에 들어있는 포화 액체 냉매의 량이 많아 질 수도 있고, 적어 질 수도 있습니다.

TXV를 쓰면, 주위의 온도 변화에 상관없이, 항상 일정한 과열도을 유지시켜 줍니다.
또, 증발기에 공급되는 냉매의 량을 항상 일정하게 해주므로, 응축기에 남아 있는 냉매의 량도 일정해 질 수밖에 없습니다.

모세관팽창변을 쓰면 주위 온도의 변화에 따라, 과열도도 달라집니다. 증발기에 있는 냉매의 량이 수시로 변합니다. 따라서 응축기에 남아 있는 냉매의 량도 달라집니다.
모세관팽창변은 큰 냉방기에 쓸 수 없는 것입니다