제 7 장 증발기 (Evaporator)
팽창밸브에서 교축팽창된 저온 · 저압의 냉매액이 피냉각물체로부터 열을 흡수하여 냉매액이 증발함으로써 실제 냉동의 목적을 이루는 열교환기의 일종이다.
Ⅰ. 증발기의 종류
1. 팽창방식에 의한 분류
(1) 직접 팽창식 (Direct Expansion Evaporator)
냉장실의 냉각관(증발관)내에 직접 냉매를 순환시켜 피냉각 물체로부터 열을 흡수하는 방식으로 냉매의 잠열을 이용한다.
(2) 간접 팽창식 (Indirect Expansion Evaporator)
냉장실의 냉각관(증발관)내에 간접 냉매인 브라인을 순환시켜 피냉각 물체로부터 열을 흡수하며 냉매의 현열을 이용하는 형식으로 브라인식 또는 간접 냉동방식이라 한다.
(3) 직접 팽창식과 간접 팽창식 장 · 단점
① 직접 팽창식
㉠ 장점
ⓐ 냉장실내 온도를 동일하게 유지하였을 때 냉매의 증발온도가 높다.
ⓑ 시설이 간단하다.
ⓒ 냉매순환량이 적다.
㉡ 단점
ⓐ 냉매누설에 의한 냉장품의 오염우려가 있다(NH₃를 사용하는 경우).
ⓑ 냉동기 운전정지와 동시에 냉장실의 온도가 상승한다.
ⓒ 여러 냉장실을 동시에 운영할 때 팽창밸브수가 많아진다.
② 간접 팽창식
㉠ 장점
ⓐ 냉매누설에 의한 냉장품의 오염우려가 없다.
ⓑ 냉동기 정지에 따른 냉장실 온도의 상승이 느리다.
ⓒ 냉장실이 여러 대라도 팽창밸브는 하나이면 되므로 능률적인 운전이 가능하다.
㉡ 단점
ⓐ 설비가 복잡하여 시설비가 비싸다.
ⓑ 순환 Pump등을 사용하므로 소요동력이 증대하여 운전비가 많이 든다.
2. 증발기 출구의 냉매상태에 따른 분류
(1) 건식 증발기 (Dry Expansion Type Evaporator)
① 증발기내 냉매액이 25%, 냉매가스가 75% 존재한다.
② 증발관내에 냉매액보다 가스가 많으므로 전열이 불량하다.
③ 냉매액의 순환량이 적어 액분리가 필요없다.
④ 냉매공급이 위에서 아래로 공급 (Down Feed Type)되므로 유회수가 용이하여 유회수장치가 필요없다.
⑤ NH₃사용시에는 유효 전열면적을 증대시키기 위해 냉매공급을 아래에서 위로 공급(Up Feed Type)할 수 있다.
⑥ 주로 공기냉각용으로 많이 사용한다.
(2) 반 만액식 증발기 (Semi Flooded Type Evaporator)
① 증발기내 냉매액이 50%, 냉매가스가 50% 존재한다.
② 냉매액이 건식보다 많아 전열이 양호하다.
③ 냉매공급은 Up Feed 방식을 채택한다.
④ Freon 냉매 사용시 냉각관에 Oil이 체류할 수 있으므로 유회수에 유의해야 한다.
(3) 만액식 증발기 (Flooded Type Evaporator)
① 증발기내 냉매액이 75%, 가스가 25% 존재한다.
② 암모니아 냉동장치에서는 액압축을 방지하기 위해 액분리기 (Suction Trap, Accumulator)
③ 프레온 냉동장치의 경우 충분한 능력의 열교환기 설치시에는 액분리기를 설치하지 않아도 된다.
④ 냉매액량이 많으므로 전열이 양호하다.
⑤ 액체 냉각용에 주로 사용한다.
만액식 증발기에서 냉매측의 전열을 좋게하는 방법 ① 관이 냉매액과 접촉하거나 잠겨 있을 것 ② 관지름이 작고, 관 간격이 좁을 것 ③ 관면이 거칠거나 Fin을 부착할 것 ④ 평균 온도차가 크고, 유속이 적당히 클 것 ⑤ Oil이 체류하지 않을 것 유체(피냉각물)측의 전열을 좋게 하는 방법 ① 관 표면이 항상 액으로 잠겨 있을 것 ② 관지름이 작고, 유속은 적당할 것 ③ 점도가 작고, 난류일 것 ④ 냉각관 표면에서 증발한 증기가 신속하게 제거될 것(4) 액순환식 증발기 (Liquid Pump Type Evaporator)
① 증발기 출구에 냉매액이 80%, 가스가 20% 존재한다.
② 액 Pump를 이용하여 증발기에서 증발하는 냉매량의 4~6배의 냉매액을 강제순환시킨다.
③ 냉매액을 강제순환시키므로 Oil의 체류우려가 없고, 다른 형식의 증발기보다 순환되는 냉매액이 많으므로 전열이 가장 우수하다(타 증발기보다 약 20% 정도).
④ 증발기가 여러대라도 팽창밸브는 하나면 된다.
⑤ 저압측 수액기(액분리기)가 있어 압축기에서의 액압축이 방지된다.
⑥ 오일의 체류우려가 없고, 제상의 자동화가 용이하다.
⑦ 냉매량이 많이 소요되며 액펌프, 저압수액기 등 설비가 복잡하다.
액펌프 설치시 주의사항 ① 액펌프가 저압수액기보다 약 1.2m 정도 낮게 설치할 것(공동현상 방지를 위하여) ② 액펌프 흡입관의 마찰저항을 줄이기 위하여 흡입관 지름은 충분할 것 ③ 흡입관의 저항을 고려하여 여과기를 가능하면 설치하지 않을 것 ④ 흡입배관에 녹이나 먼지가 흡입되는 것을 방지하여 펌프의 파손을 방지할 것 공동(Cavitation)현상 펌프의 흡입관에서 마찰저항이 커지면 이에 대응하는 포화온도 저하로 공동이 발생하여 펌프가 정류 Pumping을 하지 못하고 소음과 진동을 수반하는 현상3. 냉각에 의한 분류
(1) 공기 냉각용 증발기
① 관코일식 증발기 (Hair Pin Coil Evaporator)
㉠ 증발기의 기본형으로 동관 및 강관으로 제작한다.
㉡ 핀(Fin)이 부착되어 있지 않으므로 전열이 불량하여 관이 길어져 압력강하가 크다.
㉢ 관내에 냉매, 외측에 공기가 흐르고, 팽창밸브로는 모세관이나 TEV가 많이 사용된다.
㉣ 냉장고 및 쇼케이스에 많이 이용된다.
② 멀티피드 멀티석션 증발기 (Multifeed Multisuction Evaporator)
㉠ 캐스케이드식과 비슷한 구조이다.
㉡ 주로 암모니아 냉매를 사용하는 공기 동결용 선반에 사용된다.
③ 캐스케이드 증발기 (Cascade Evaporator)
㉠ 냉매액을 냉각관내에 순차적으로 순환시켜 도중에 증발된 냉매가스를 분리하면서 냉각한다.
㉡ 충분한 용량의 액분리기가 있어 압축기에서의 액압축은 방지할 수 있으나 암모니아 냉동장치에서는 과열 우려가 있다.
㉢ 코일내 냉매, 외측에 공기가 흐르며, 플루우트식 팽창밸브를 많이 사용한다.
㉣ 공기 동결용 선반 및 벽코일로 제작 사용한다.
㉤ 냉매 순환 순서는 2 → 1 → 4 → 3 → 6 → 5이다.
④ 판형 증발기 (Plate Type Evaporator)
<가정용 냉장고>
<Contact Freezer>
㉠ 알루미늄이나 스테인레스판 2장을 압접하여 그 사이에 통로를 만들어 냉매가 통과하도록 한 구조이다.
㉡ 관내에 냉매, 외측에 공기가 흐르며, 모세관이나 TEV를 많이 사용한다.
㉢ 가정용 냉장고, 쇼케이스, 콘텍트 프리저에 주로 사용한다.
⑤ 핀 코일식 증발기 (Pinned Tube Type Evaporator)
㉠ 나관(裸管)에 알루미늄핀을 부착한 코일에 송풍기를 조합한 구조이다.
㉡ 송풍기를 이용한 강제 대류식으로 부하변동에 신속히 대응할 수 있다.
㉢ TEV를 가장 많이 사용하고, 소형 냉동창고, 쇼케이스, 에어콘 등에 사용한다.
유니트 쿨러 : 핀 코일 증발기에 팬을 설치하여 강제대류시키는 증발기(2) 액체 냉각용 증발기
① 암모니아 만액식 쉘 앤 튜브식 증발기 (NH₃Flooded Shell & Tube Type Evaporator)
㉠ Shell 내 냉매, Tube내에는 브라인이 흐른다.
㉡ Float Valve를 사용하여 증발기내의 액면을 일정하게 유지한다.
㉢ 압축기에서 액압측의 우려가 있으므로 액분리기를 설치한다.
㉣ 브라인 동결로 인한 Tube의 동파에 주의해야 한다.
㉤ 주로 공업용 브라인 냉각장치를 사용한다.
② 프레온 만액식 쉘 앤 튜브식 증발기 (Freon Flooded Shell & Tube Type Evaporator)
㉠ Shell내 냉매, Tube내에는 브라인이 흐른다.
㉡ 증발기 내으 유회수가 곤란하여 특별한 유회수 장치가 필요하다.
㉢ Shell 상부에 열교환기를 설치하여 액압축 방지와 과냉각을 증대시켜 냉동능력을 증대시켜 준다.
㉣ Shell 하부에 액헤더를 설치하여 냉매액의 분포를 고르게 한다.
㉤ 냉매측의 열전달이 불량하므로 Low Fin Tube를 사용한다.
㉥ 브라인 또는 냉수 등의 동결로 인한 Tube의 동파에 주의한다.
㉦ 공기조화장치, 화학공업, 식품공업등의 브라인 냉각에 사용한다.
③ 건식 쉘 앤 튜브 증발기 (Dry Shell & Tube Type Evaporator)
㉠ Shell내 브라인, Tube내에는 냉매가 흐른다.
㉡ 건식이므로 냉매량이 적어 열통과율이 나쁘므로 전열을 양호하게 하기 위해 Inner Fin Tube를 사용한다.
㉢ 건식이므로 냉각관의 동파 위험이 없고, 별도의 수액기를 필요로 하지 않는다.
㉣ Shell내 Oil이 체류하지 않아 유회수 장치를 필요로 하지 않는다.
㉤ 온도식 자동 팽창밸브(TEV)를 많이 사용한다.
㉥ 프레온용 공기조화장치의 Chilling Unit에 많이 사용한다.
브라인의 동파 방지 대책 ① 증발압력조정밸브(E.P.R.)를 설치한다. ② 동결방지용 T.C.를 설치한다. ③ 단수(斷水) 릴레이를 설치한다. ④ 브라인에 부동액을 첨가한다. ⑤ 냉수순환펌프와 압축기를 Inter-Lock시킨다. ④ 보데로우형 증발기 (Baudelot Type Evaporator)
㉠ Tube내 냉매, Tube 외측에 피냉각물(브라인)이 흐른다.
㉡ 구조는 대기식 응축기와 비슷하다.
㉢ 냉각관이 스테인레스로 제작되어 위생적이고 청소가 용이하다.
㉣ 암모니아는 만액식, 프레온은 반만액식을 사용하며 저압측 플로우트를 사용한다.
㉤ 식품 공업에서 물 및 우유 등을 냉각하는데 사용한다.
⑤ 쉘 앤 코일식 증발기 (Shell & Coil Type Evaporator)
㉠ 코일내에 냉매, 쉘내에 브라인이 흐른다.
㉡ 열통과율이 나쁘며 주로 프레온 소형냉동장치에 사용한다.
㉢ 건식 증발기에 사용되면 TEV를 주로 사용한다.
㉣ 음료수 냉각용으로 주로 사용한다.
⑥ 탱크형 증발기 (Herring Bone Type Evaporator)
㉠ 주로 암모니아 만액식 증발기는 제빙장치의 브라인 냉각용 증발기로 사용한다.
㉡ 상부에 가스헤더가 있고, 하부에 액헤더가 있다.
㉢ 탱크내에는 교반기(Agitator)에 의해 브라인이 0.75 m/s 정도로 순환한다.
㉣ 주로 플로우트 팽창밸브를 사용하며 다수의 냉각관을 붙여 만액식으로 사용하기 때문에 전열이 양호하다
브라인의 동파 방지 대책 청과물 저장시 보다 좋은 저장성을 확보하기 위해 냉장고내의 산소를 3~5% 감소시키고, 탄산가스를 증가시켜 청과물의 호흡을 억제하여 신선도를 유지하기 위한 냉장Ⅱ. 증발기에서의 계산
1. 냉동능력 (Q₂)
증발기에서 냉매가 피냉각 물체로부터 1시간당 흡수하는 열량 (㎉ / h)
(1) 냉동장치에서의 계산
Q₂= Q₁- AW [Q₂: 냉동능력 (㎉ / h), Q₁: 응축부하 (㎉ / h), AW : 압축일의 열당량 (㎉ / h)]
(2) 방열계수를 이용한 계산
Q₂= Q₁/ C, C = Q₁/ Q₂ [C (방열계수) - ① 1.3 : 제빙, 냉동 ② 1.2 : 냉장, 공조]
(3) 브라인 제거열량을 이용한 계산
Q₂= G(b) * C * Δt [G : 브라인의 유량 (㎉ / h), C : 브라인의 비열 (㎉ / ㎏ · ℃), Δt : 브라인의 입·출구 온도차 (℃)]
= G(b) * C * (tb₁- tb₂)
(4) 열통과율을 이용한 계산
Q₂= K * F * Δt(m)
= K * F * [(tb₁- tb₂) / 2 - t₂]
[K : 열통과율 (㎉ / ㎡ · h · ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt(m) : 평균온도차 (℃), t₂: 증발온도 (℃)]
(5) 냉매순환량에 의한 계산
Q₂= G * q₂
= G * (i(a) - i(e))
= {V(a) / v} * η(v) * (i(a) - i(e))
[G : 냉매순환량 (㎏ / h), q₂: 냉동효과 (㎉ / ㎏), i(a) : 증발기 출구 엔탈피 (㎉ / ㎏), i(e) : 증발기 입구 엔탈피 (㎉ / ㎏)]
2. 냉동톤 (RT)
(1) 냉동톤
RT = G * q₂/ 3,320 [v : 압축기 흡입가스의 비체적 (㎥ / ㎏), V(a) : 압축기 피스톤 압출량 (㎥ / h), η(v) : 체적효율]
= {V(a) * (i(a) - i(e)) / (3,320 * v)} * η(v)
(2) 고압가스 안전관리법에 규정된 호칭 냉동능력
RT = V / C = {V(a) * (i(a) - i(e)) / (3,320 * v)} * η(v)에서
냉매가스 정수, C = 3,320 * v / (q₂* η(v))
3. 결빙시간
결빙시간 H = 0.56 * t² / -t(b) [t : 얼음의 두께 (㎝), t(b) : 브라인의 온도 (℃), 0.56 : 결빙계수 (0.53~0.56)]
얼음의 결빙시간은 얼음의 두께의 제곱에 비례하고, 브라인의 온도에는 반비례한다.Ⅲ. 제상장치 (Defrost System)
공기 냉각용 증발기에서 대기중의 수증기가 응축 동결되어 서리상태로 냉각관 표면에 부착하는 현상을 적상(Frost)이라 하며 이를 제거하는 작업을 제상(Defrost)이라 한다.
1. 적상의 영향
① 전열불량으로 냉장실내 온도상승 및 액압축 초래
② 증발압력저하로 압축비 상승
③ 증발온도저하
④ 실린더 과열로 토출가스 온도 상승
⑤ 윤활유의 열화 및 탄화 우려
⑥ 체적효율저하 및 압축기 소요동력 증대
⑦ 성적계수 및 냉동능력 감소
2. 제상방법
① 압축기 정지제상 (Off Cycle Defrost) : 1일 6~8시간 정도 냉동기를 정지시키는 제상
② 온공기 제상 (Warm Air Defrost) : 압축기 정지 후 Fan을 가동시켜 실내공기로 6~8시간 제상
③ 전열 제상 (Electric Defrost) : 증발기에 히터를 설치하여 제상
④ 살수식 제상 (Water Spray Defrost) : 10~25℃의 온수를 살수시켜 제상
⑤ 브라인 분무제상 (Brine Spray Defrost) : 냉각관 표면에 부동액 또는 브라인을 살포하여 제상
⑥ 온브라인 제상 (Hot Brine Defrost) : 순환중인 차가운 브라인을 주기적으로 따뜻한 브라인으로 바꿔 순환시켜 제상
⑦ 고압가스 제상 (Hot Gas Defrost) : 압축기에서 토출된 고온 고압의 냉매가스를 증발기로 유입시켜 고압가스의 응축잠열에 의해 제상. 제상시간이 짧고 쉽게 설비할 수 있어 대형의 경우 가장 많이 사용한다.
㉠ 소형냉동장치에서의 제상 : 제상 타이머 이용
㉡ 증발기가 1대인 경우 제상
㉢ 증발기가 1대인 경우 재증발 코일을 이용한 제상
㉣ 증발기가 2대인 경우 제상
㉤ 증발기가 2대인 경우 제상용 수액기를 이용한 제상
㉥ Heat Pump를 이용한 제상방법
Indirect_Exp._Evap.jpgDry_Exp._Evap..jpgSemi_Flooded_Evap..jpgFlooded_Evap..jpgLiquid_Pump_Evap..jpgHelix_Type_Evap..jpgMultifeed_Multisuction_Evap..jpgCascade_Evap..jpgHome_Refrigerator.jpgContact_Freezer.jpg증발기,
Evaporator,
직접팽창식,
간접팽창식,
건식증발기,
반만액식증발기,
만액식증발기,
액순환식증발기,
공기냉각용증발기,
액체냉각용증발기,
공동현상,
Cavitation