냉동 시스템에서 압축기는 어떤 역할을 합니까?

압축기는 모든 냉동 시스템의 핵심입니다. 그 주요 임무는 저압의 냉매 증기를 고압, 고온의 증기로 압축 , 이는 다음으로 흐릅니다. 응축 장치 열이 주변 환경으로 방출되는 곳입니다. 압축기가 작동하지 않으면 전체 냉동 사이클이 정지됩니다. 즉, 냉각도, 열 전달도, 온도 제어도 불가능합니다.

실제로 압축기는 시스템 전체에 냉매를 계속 순환시키는 펌프 역할을 합니다. 증발기에서 되돌아오는 저압 증기를 흡입하여 압력과 온도를 크게 높이고 이를 응축 장치 내부의 응축기 코일 쪽으로 밀어냅니다. 이 압력 차이는 냉매 이동을 촉진하고 전체 열역학적 사이클이 지속적으로 기능할 수 있게 해줍니다.

압축기가 전체 냉동 사이클에 적합한 방식

냉동은 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기의 네 가지 주요 구성 요소를 포함하는 증기 압축 사이클에서 작동합니다. 각각은 서로 다른 역할을 하지만 압축기는 다른 모든 것이 의존하는 압력차를 생성하여 사이클을 시작하고 유지합니다.

사이클이 단계별로 어떻게 진행되는지는 다음과 같습니다.

1. 냉매는 저압 액체 상태로 증발기로 들어가고 냉장 공간의 열을 흡수하여 증기로 증발합니다.
2. 이 저압 증기는 압축기로 이동하여 압축되어 압력과 온도가 모두 극적으로 상승합니다.
3. 고압의 뜨거운 증기가 응축 장치로 들어가고 응축기 코일과 팬이 외부 공기로 열을 거부하여 냉매가 다시 액체로 응축됩니다.
4. 고압의 액체는 팽창밸브를 통과하면서 압력과 온도가 낮아지고 다시 증발기로 들어갑니다.

압축기는 이 루프에서 냉매에 에너지를 추가하는 유일한 구성 요소입니다. 다른 모든 단계에서는 열을 수동적으로 전달하거나 압력 역학을 사용합니다. 이것이 바로 압축기 효율이 전체 시스템의 전체 에너지 소비를 직접적으로 결정하는 이유입니다.

압축기가 실제로 냉매에 미치는 영향

냉매 증기가 흡입 압력으로 압축기에 유입될 때 - 일반적으로 10PSI 및 70PSI 냉매 유형 및 용도에 따라 압축기는 해당 증기의 양을 기계적으로 줄입니다. 기체 법칙에 따르면 질량을 일정하게 유지하면서 부피를 줄이면 압력이 높아집니다. 압축기는 토출 압력을 100PSI ~ 400PSI 이상 고온 응용 분야에서.

압력과 함께 온도가 급격히 상승합니다. 약 20°F(-7°C)에서 압축기로 유입되는 냉매 증기는 150°F(65°C) 이상의 토출 온도에서 빠져나올 수 있습니다. 이 뜨겁고 가압된 증기는 응축 장치가 효과적으로 열을 주변 공기로 방출하는 데 필요한 것입니다.

이것이 압축기와 응축 장치의 관계가 분리될 수 없는 이유입니다. 압축기, 응축기 코일, 응축기 팬 및 관련 제어 장치가 들어 있는 응축 장치는 압축기에 의존하여 응축이 효율적으로 발생하도록 적절한 압력과 온도에서 냉매를 전달합니다.

냉동 시스템에 사용되는 압축기 유형

모든 압축기가 동일한 방식으로 작동하는 것은 아닙니다. 응축 장치에 사용되는 유형은 성능, 소음 수준, 유지 관리 요구 사항 및 응용 분야 적합성에 큰 영향을 미칩니다.

왕복동 압축기

이는 냉매를 압축하기 위해 크랭크샤프트에 의해 구동되는 피스톤을 사용합니다. 이 제품은 다양한 압력과 냉매를 처리할 수 있어 매우 다재다능합니다. 상업용 냉동 응축 장치에서 일반적으로 사용되는 1HP ~ 15HP , 왕복동식 압축기는 내구성이 있지만 소음이 있을 수 있으며 정기적인 밸브 유지 관리가 필요합니다.

스크롤 압축기

스크롤 압축기는 두 개의 서로 맞물린 나선형 스크롤을 사용하여 냉매를 압축합니다. 두루마리 하나는 정지 상태로 유지되고 다른 두루마리는 궤도를 돌면서 가스 양을 점진적으로 줄입니다. 왕복형보다 조용하고 효율적이며 움직이는 부품이 적습니다. 대부분의 현대 주거용 및 경상업용 응축 장치는 스크롤 압축기를 사용합니다. 스크롤 기반 시스템의 효율성 등급(EER)은 종종 10~15% 더 높음 동등한 왕복 모델보다.

회전식 압축기

회전식 압축기는 실린더 내부의 롤링 피스톤을 사용하여 냉매를 압축합니다. 이 제품은 작고 가벼우며 소형 냉장 장치 및 창문형 에어컨에서 흔히 볼 수 있습니다. 단순한 설계로 진동이 적고 작동이 조용하지만, 다음과 같은 소규모 용량의 응용 분야에 가장 적합합니다. 2마력 .

스크류 압축기

스크류 압축기는 냉매를 연속적으로 압축하기 위해 트윈 헬리컬 로터를 사용합니다. 이 제품은 일반적으로 다음과 같은 대규모 상업용 및 산업용 냉동 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 20HP~수백HP . 냉장 창고, 식품 가공 공장 및 산업용 냉각기에 사용되는 대형 응축 장치에 사용되는 스크류 압축기는 일관된 성능을 제공하고 용량을 쉽게 조절할 수 있습니다.

원심 압축기

대규모 냉각기 시스템에 사용되는 원심 압축기는 고속 회전 임펠러를 사용하여 냉매 증기를 가속하고 속도를 압력으로 변환합니다. 이는 높은 부하에서 가장 효율적이며 일반적으로 다음을 초과하는 시스템에 사용됩니다. 냉각 용량 200톤 .

응축 장치 내부의 압축기의 역할

응축 장치는 일반적으로 압축기, 응축기 코일, 응축기 팬 모터, 팬 블레이드, 냉매 라인, 전기 제어 장치 및 보호 캐비닛을 포함하는 독립형 어셈블리입니다. 압축기는 이 장치 내부(일반적으로 베이스)에 장착되며 가장 많은 전기 에너지를 소비하는 구성 요소입니다.

표준 공냉식 응축 장치에서 압축기는 냉매를 가압하여 이를 응축기 코일로 직접 보냅니다. 응축기 팬은 응축기 팬이 주변 공기를 끌어당기거나 밀 수 있도록 배치됩니다. 응축기 코일의 열 제거 효율은 올바른 토출 압력으로 냉매를 전달하는 압축기에 직접적으로 좌우됩니다.

밸브 플레이트 마모, 냉매 누출 또는 전기적 결함으로 인해 압축기 성능이 저하되면 응축 장치 전체가 열을 적절하게 거부하는 능력을 상실합니다. 이로 인해 시스템의 포화 응축 온도가 상승하여 헤드 압력이 증가하고 효율성이 감소하며 결국 고압 안전 제어에 대한 시스템 잠금이 발생합니다.

압축기는 응축 장치가 소비하는 전체 전기 에너지의 약 70~90%를 차지합니다. 정상 작동 중. 이로 인해 유지 관리 및 보호가 가장 중요한 단일 구성 요소가 됩니다.

압축기 성능이 시스템 효율성에 미치는 영향

압축기 효율은 성능계수(COP)와 에너지 효율비(EER)로 측정됩니다. COP가 높을수록 소비되는 전기 에너지 단위당 냉각 출력이 높아진다는 의미입니다. 상업용 응축 장치에 사용되는 최신 고효율 스크롤 압축기는 다음과 같은 COP를 달성할 수 있습니다. 3.5~5.0 이는 1단위의 전기 에너지 입력마다 3.5~5단위의 냉각 에너지를 제공한다는 의미입니다.

압축기가 작업을 얼마나 효율적으로 수행하는지에 영향을 미치는 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.

• 압축 비율: 토출 압력과 흡입 압력의 비율입니다. 비율이 높을수록 압축기가 더 열심히 작동하여 더 많은 에너지를 소비한다는 의미입니다. 응축 온도를 낮게 유지하면(응축기 코일을 깨끗하게 유지하여) 압축 비율이 감소하고 효율성이 향상됩니다.
• 흡입 과열도: 압축기에 유입되는 냉매는 밸브 부품을 파손시킬 수 있는 액체 슬러깅을 방지하기 위해 약간 과열되어야 합니다(포화 증기 온도보다 5~10°F / 3~6°C 높음).
• 주변 온도: 실외 온도가 상승하면 응축 장치는 더 높은 주변 온도에 맞춰 작동해야 하므로 헤드 압력이 증가하고 압축기 효율이 감소합니다. 주변 온도 35°C(95°F)에서 일반적인 응축 장치는 15~25% 더 많은 에너지 21°C(70°F)보다 높습니다.
• 냉매 충전량: 시스템이 과충전되거나 과충전되면 압축기가 설계된 압력 범위를 벗어나 작동하게 되어 효율성이 떨어지고 기계적 손상이 발생할 위험이 있습니다.
• 모터 효율: 가변 속도(인버터 구동) 압축기는 용량을 20%에서 100%까지 조절할 수 있어 실제 부하 수요를 일치시키고 켜기/끄기 사이클링으로 인한 에너지 낭비를 피할 수 있습니다.

일반적인 압축기 문제와 시스템에 대한 의미

압축기에 문제가 발생하면 압축기 자체뿐만 아니라 냉동 시스템 전체에 증상이 나타나는 경우가 많습니다. 이러한 고장 모드를 이해하면 응축 장치에서 가장 비용이 많이 드는 수리 중 하나인 압축기 소진이 발생하기 전에 문제를 진단하는 데 도움이 됩니다.

밸브 고장

왕복동식 압축기의 흡입 및 토출 밸브는 액체 슬러깅이나 노화로 인해 균열이 생기거나 휘어질 수 있습니다. 밸브에 결함이 있으면 압축기의 차압 유지 능력이 감소하여 다음과 같은 결과가 발생합니다. 토출압력이 낮고 냉각능력이 좋지 않음 압축기가 작동 중임에도 불구하고. 전류 소모량은 일반적으로 명판 등급 아래로 떨어집니다.

전기 단선

권선 고장은 과열, 전압 불균형 또는 습기 오염으로 인해 모터 절연이 파손될 때 발생합니다. 소진된 압축기는 냉매 회로로 산을 방출하며, 교체품을 설치하기 전에 흡입 라인 필터 드라이어를 사용하여 제거해야 합니다. 전기 소손은 압축기 고장의 상당 부분을 차지합니다. 업계 데이터에 따르면 압축기 고장의 최대 30~40% 전기적 기원을 가지고 있습니다.

액체 슬러깅

액체 냉매나 오일이 압축기의 압축실에 들어가면 압축될 수 없으며(액체는 비압축) 그에 따른 유압 충격으로 인해 피스톤이 갈라지거나 커넥팅 로드가 구부러지거나 스크롤 랩이 손상될 수 있습니다. 이는 시스템이 과충전되거나, 팽창 밸브가 열리지 않거나, 증발기가 너무 차가워져 정지 사이클 중에 냉매가 압축기로 다시 이동하는 경우에 발생합니다.

과열

압축기는 모터 권선에서 열을 제거하기 위해 복귀하는 냉매 증기에 의존합니다. 흡입 라인 과열도가 너무 높은 경우 - 예를 들어 36°C(65°F) 압축기 입구에서 - 냉매의 밀도가 모터를 효과적으로 냉각할 만큼 충분히 높지 않아 과열 및 결과적으로 권선 고장이 발생합니다. 이는 종종 작은 흡입 라인, 과도한 시스템 부하 또는 낮은 냉매 충전으로 인해 발생합니다.

베어링 마모

오일 윤활 압축기는 베어링 윤활을 유지하기 위해 적절한 오일 순환에 의존합니다. 낮은 냉매 충전량, 오일을 희석시키는 냉매 이동 또는 잘못된 오일 점도로 인해 베어링 마모가 가속화될 수 있습니다. 그 결과 기계적 소음(응축 장치에서 두드리는 소리 또는 갈리는 소리)이 증가하고 결과적으로 기계적 고착이 발생합니다.

압축기 보호: 중요한 유지보수 관행

압축기는 응축 장치에서 가장 중요하고 일반적으로 가장 비싼 구성 요소이기 때문에 적절한 유지 관리와 시스템 관리를 통해 압축기를 보호하는 것이 필수적입니다. 다음 사례는 압축기 서비스 수명을 직접적으로 연장합니다.

• 콘덴서 코일을 깨끗하게 유지하십시오: 응축 장치의 더러운 코일은 헤드 압력을 높여 압축기가 더 열심히 작동하게 만듭니다. 코일은 상업용 용도로 최소 1년에 두 번 청소해야 하며, 먼지가 많거나 잔해물이 많은 환경에서는 더 자주 청소해야 합니다. 에이 응축 온도가 6°C(10°F) 상승하면 압축기 효율이 5~8% 감소할 수 있습니다. 서비스 수명이 단축됩니다.
• 올바른 냉매 충전을 유지하십시오. 과냉각 및 과열도 측정을 사용하여 냉매 충전량을 점검하고 검증하십시오. 단지 과소충전 10% 시스템 용량이 20% 감소하고 압축기 과열이 발생할 수 있습니다.
• 작동 압력을 정기적으로 모니터링하십시오. 비정상적인 흡입 또는 토출 압력은 문제 발생의 초기 지표입니다. 각 서비스 방문 중 압력을 기록하고 시간 경과에 따른 추세를 비교하세요.
• 전기 공급 품질 확인: 이상의 전압 불균형 2% 3상 압축기의 위상 간 전류 불균형은 최대 10배에 달하는 전류 불균형을 초래할 수 있으며, 이로 인해 모터 열이 크게 증가하고 권선 절연 수명이 단축됩니다.
• 크랭크케이스 히터를 설치합니다. 낮은 주변 온도에 노출된 시스템의 경우, 크랭크케이스 히터는 정지 사이클 중에 냉매가 압축기 오일로 이동하는 것을 방지하여 시동 시 액체 슬러깅을 방지합니다.
• 커패시터와 접촉기를 확인하십시오. 시동 및 작동 커패시터는 압축기 모터 시동 및 작동 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 약한 커패시터는 압축기 권선에 스트레스를 주는 하드 스타트를 유발합니다. 접촉기는 간헐적인 연결 문제를 일으키기 전에 피팅이 있는지 검사하고 교체해야 합니다.

압축기 크기 조정 및 응축 장치와의 일치

올바른 압축기 크기를 선택하는 것은 냉동 시스템 설계에서 가장 중요한 결정 중 하나입니다. 너무 자주 켜고 끄는 대형 압축기의 짧은 주기는 온도 변화, 과도한 마모 및 비효율적인 작동을 유발합니다. 소형 압축기는 지속적으로 작동하고 설정 온도에 도달할 수 없으며 높은 토출 온도에서 작동하여 수명이 단축됩니다.

압축기 크기는 마력(HP) 또는 냉동 톤수(TR)로 표현됩니다. 1톤의 냉동은 12,000 BTU/hr의 냉각 용량과 같습니다. . 적절한 규모를 결정하려면 다음을 고려하여 냉장 공간의 총 열부하를 계산해야 합니다.

• 전달 부하(벽, 바닥, 천장을 통해 들어오는 열)
• 침투 부하(문 개구부를 통해 유입되는 따뜻한 공기)
• 제품 부하(보관된 제품에서 제거해야 하는 열)
• 내부 부하(조명, 모터, 공간 내부의 사람)
• 풀다운 부하(따뜻한 공간을 초기 설정점으로 낮추는 데 필요한 추가 용량)

선택한 응축 장치에는 예상 작동 조건, 특히 설계 흡입 온도(증발 온도 관련) 및 설계 응축 온도(주변 온도 + 응축기 코일 접근 온도 관련)에서 이 총 부하를 처리할 수 있는 등급의 압축기가 포함되어야 합니다.

대부분의 압축기 및 응축 장치 제조업체는 다양한 흡입 온도 및 응축 온도에서의 용량을 보여주는 성능 표를 게시합니다. 실제 애플리케이션과 일치하지 않을 수 있는 표준 ARI 테스트 조건에서 일반적으로 제공되는 명판 등급뿐만 아니라 항상 실제 작동 조건을 기준으로 선택하십시오.

최신 응축 장치의 가변 속도 압축기

기존 압축기는 고정된 속도로 작동합니다. 완전히 켜져 있거나 완전히 꺼져 있습니다. 이 이진 작업은 시스템이 켜져 있을 때 전체 용량이 필요한지 여부에 관계없이 항상 전체 용량으로 실행된다는 것을 의미합니다. 현대의 응축 장치는 실제 냉각 수요에 맞춰 지속적으로 속도를 조정하는 인버터 구동 가변 속도 압축기를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.

에너지 절감 효과가 상당할 수 있습니다. 냉동 시스템에 정격 용량의 60%만 필요한 경우, 감소된 속도로 작동하는 가변 속도 압축기는 켜고 끄는 고정 속도 압축기보다 훨씬 적은 에너지를 소비합니다. 연구에 따르면 가변 속도 응축 장치는 압축기 에너지 소비를 30~50%까지 줄일 수 있습니다. 고정 속도 등가물과 비교하여 가변 부하 프로필이 있는 응용 분야에서.

가변 속도 압축기의 추가 이점은 다음과 같습니다.

• 온/오프 사이클링에 따른 온도 변동 대신 조절 용량으로 인해 냉장실 온도가 더욱 안정적입니다.
• 빈번한 시작/정지 사이클을 없애 기계적 마모 감소
• 시동 시 피크 전류 소모량이 낮아 공공 요금 청구서에 대한 수요 요금이 감소합니다.
• 정밀 냉각 응용 분야의 습도 제어 개선

가변 속도 압축기는 초기 비용이 더 높고 전자 제어가 더 복잡하지만 상업용 응용 분야에서 운영 비용을 절감하면 일반적으로 투자 회수 기간이 2~4년 운영 시간과 지역 전기 비용에 따라 다릅니다.

압축기 진단 판독: 압력, 온도 및 전류량

기술자와 시설 관리자의 경우 일반적인 압축기 작동 매개변수가 어떤 것인지 이해하면 문제를 훨씬 더 간단하게 진단할 수 있습니다. 흡입 압력, 토출 압력, 전류 소비량 등 세 가지 측정이 필수적입니다.

흡입 압력

흡입 압력은 증발 온도에 해당합니다. 상자 온도가 35°F(2°C)인 R-404A를 사용하는 중온 냉동 애플리케이션의 경우 흡입 압력은 일반적으로 약 45~55PSI , 약 20~25°F(-7~-4°C)의 증발 온도에 해당합니다. 낮은 흡입 압력은 일반적으로 낮은 냉매 충전량, 제한된 계량 장치 또는 대형 압축기를 나타냅니다. 높은 흡입 압력은 냉매 과충전, 높은 제품 부하 또는 압축기 밸브 고장을 나타낼 수 있습니다.

토출 압력

토출 압력은 응축 장치의 응축기 코일 내부 응축 온도를 반영합니다. 적절하게 깨끗한 콘덴서를 갖춘 주변 온도 95°F(35°C)의 R-404A의 경우 배출 압력은 대략 다음과 같아야 합니다. 250~280PSI . 높은 토출 압력(이 시나리오에서 300 PSI 이상)은 더러운 콘덴서 코일, 응축 장치 주변의 부적절한 공기 흐름, 냉매 과충전 또는 시스템의 비응축 가스를 나타냅니다.

전류량 무승부

측정된 전류량을 압축기 명판 RLA(정격 부하 전류량)와 비교하면 상태를 빠르게 확인할 수 있습니다. RLA보다 훨씬 높은 전류량은 압축기가 너무 열심히 작동하고 있음을 나타냅니다. 일반적으로 높은 토출 압력이나 기계적 문제로 인해 발생합니다. RLA보다 훨씬 낮은 전류량은 흡입 압력이 낮거나 효과적인 압축 작업을 감소시키는 배출 밸브 고장을 의미합니다.

응축 장치의 압축기 교체 시기와 수리 시기

압축기 교체 비용이 많이 듭니다. 일반적으로 $500~$3,000 이상 압축기에만 노동력이 추가됩니다. 교체와 수리(또는 전체 응축 장치 교체) 결정은 여러 요인에 따라 달라집니다.

• 응축 장치의 수명: 단위가 그 이상인 경우 10~12세 , 압축기만 교체하는 것은 경제적으로 타당하지 않을 수 있습니다. 콘덴서 코일, 팬 모터 및 제어 장치와 같은 기타 구성 요소도 노후화되어 압축기 교체 후 곧 고장날 수 있습니다.
• 실패 유형: 냉매 회로를 오염시키지 않은 기계적 고장(밸브 파손, 베어링 마모)은 새로운 장치에서 압축기만 교체하는 것이 타당할 수 있습니다. 시스템 전체에 산이 퍼진 전기 단선은 철저한 청소가 필요하며 종종 전체 장치 교체가 더 실용적입니다.
• 냉매 유형: R-22 또는 R-404A와 같이 단계적으로 폐지된 냉매를 사용하는 장치는 R-448A 또는 R-454C와 같이 GWP가 낮은 냉매를 사용하는 더 새롭고 효율이 높은 응축 장치로 완전히 교체하여 지속적인 공급 및 규정 준수 비용을 피하는 것이 좋습니다.
• 근본 원인 식별: 압축기를 교체하기 전에 고장의 근본 원인을 식별하고 수정해야 합니다. 더러운 응축기 코일, 부적절한 냉매 충전, 전압 문제 등 동일한 기본 문제가 있는 시스템에 새 압축기를 설치하면 교체도 조기에 실패할 수 있습니다.