Green Energy/Heat Pump

냉매 압축기 개론

행복지구 2013. 10. 24. 14:49

압축기(Compressor) 



1. 압축기 개요


유체를 이송하는 기기로 펌프, 송풍기, 압축기 등이 있다. 

그 중 압축기는 유체를 압축해서 압력을 높이는 것을 주목적으로 하는 장치이다. 


펌프는 유체를 이송하는 것을 주목적으로 하여, 압력(양정)이 압축기에 비해 높지 않다. 

송풍기는 날개차의 회전에 의해 공기나 그 외의 기체를 승압 또는 송풍하는 기계 장치이다.


압축기 : 압력비가 2.0 이상, 압력상승이 100 kPa 이상

송풍기 - 팬(fan) : 압력비가 1.1 미만, 압력상승이 약 10 kPa 이하

송풍기 - 블로워(blower) : 압력비가 1.1 이상 2.0 미만, 압력상승이 약 10~100 kPa 


1.1. 냉동장치 압축기 
압축기는 냉동장치의 심장과 같이 중요한 역할을 한다. 


저압의 냉매가스를 압축하여

고압의 냉매가스를 만들어 내는 부품이다.

냉매가스를 압축하여 압력을 높여서, 증발기에서 증발한 냉매 증기가 응축되기 쉽도록 한다. 


다시 말하면,

증발기에서 열을 흡수하여 증발된 저온저압냉매를 

압축하여

고온고압의 냉매(기체상태)를 만들어 내는 부품이다.


고온고압의 냉매는 응축기에서 열을 내보내고 액체상태로 응축된다. 




2. 압축기 분류


분류방법은 크게 압축방식, 밀폐구조, 동력원에 의한 분류가 있다. 


2.1. 압축 방식에 따른 분류

압축기는 압축방식에 따라 용적형과 터보형으로 분류된다.


용적형 압축기(Positive Displacement Compressor)는 체적의 감소를 통하여 압력을 증가하는 방식

터보형 압축기(Turbo Compressor, Dynamic Compressor)는 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압력을 증가시키는 방식







스크롤(Scroll) 압축기는 100 kW급 이하,

왕복동(reciprocating) 압축기는 약 500 kW급 이하,

스크류(screw) 압축기는 약 5 MW급 이하,

터보(turbo) 압축기는 약 2 MW급 이상 히트펌프에 주로 적용된다. 

오일프리 터보압축기(oil-free turbo)는 약 250 kW 이상에서 적용된다. 



  

                    로터리 압축기(rotary compressor)                        스크롤 압축기(Scroll compressor)

             

                        스크류 압축기(Screw compressor)              왕복동 압축기(Reciprocating compressor)

 




2.2. 밀폐 구조에 따른 분류

밀폐 구조(seal type)에 따라 개방형, 반밀폐형, 밀폐형으로 분류된다. 




개방형(open type) 압축기는 motor가 압축기의 housing 외부에 위치하므로(motor crankshaft에 의해 압축기와 연결되어 있는 구조) 냉매 누설 또는 외부 공기의 흡입이 발생할 수 있는 구조의 압축기이다. 


반밀폐(semi-hermetic type) 압축기는 

대형 압축기에 일반적으로 valve와 piston을 보수할 수 있도록 실린더 헤드가 조립가능하게 되어 있는데 이러한 형태의 압축기이다. 


밀폐형(hermetic type) 압축기는

개방형 압축기에서 발생할 수 있는 냉매 누설을 방지하기 위해 모터와 압축기가 동일한 하우징(housing)에 위치하도록 설계된 구조의 압축기이다. 과열된 상태로 압축기의 실린더에 유입되도록 설계하여 액압축 현상이 발생하는 것을 방지하는 구조로 되어 있다. 




3. 압축기 특성


3.1. 압축기 성능맵

압축기의 성능은 압축기 맵(compressor map)으로 살펴볼 수 있다. 

압축기 제조사에서 실험을 통해 압축기의 회전속도(compressor's rotational speed)에 따른 압축비, 효율, 유량, 서지/최대압력비(surge/maximum pressure ratio)를 도식화 하여 제공한다. 



 

A : 설계점(Design Point)은 임펠러 설계의 기준이 되며, 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane)가 최대로 열렸을 때, 기준이되는 압력대비 유량이다. 설계점의 압력과 유량은 압축기의 성능을나타내는데 이용된다.


B : 시스템 압력저항(System Resistance) 증가로 인한 압축기의 압축비가 설계점보다 높아지고, 유량이 감소한 상태이다.

E : 시스템 압력저항 감소로 인한 압축기의 압축비가 설계점보다 낮아지고, 유량이 증가한 상태이다.


C : 시스템 압력저항이 계속 증가하면, 성능곡선과 서지(Surge) 곡선의 교차점에 도달하게 되고, 성능곡선에 정점에 있다. 'C' 점을 서지점(Surge Point) 라고 하고, 이때부터 압축기의 역류(逆流)가 생기는 서지현상이 일어난다. 



3.2. 서지(Surge) 현상


서지(sugre)는 맥동현상이라고도 한다. 서지의 진행과정은 
C → D → E → C → D → E → C → .... 으로 진행되며, 연속적으로 반복할 때마다 변동의 폭이 커진다.

구간별로 살펴보면, 
C → D : 시스템 압력저항이 큰 관계로 역류가 생겨 유량이 감소하는 과정이고, 유량이 0(Zero)인 D 점에 도달한다.
D → E : 압축기의 생성압력이 시스템 압력저항보다 커, 유량이 정방향으로 바뀌면서 (역류→정류), 점 E 로 이동한다.
이때, 압력변화는 일정하고, 생성유량만 증가한다.
E → C : 압축기의 압력이 과다한 관계로 성능곡선을 따라 점 C 로 이동한다.



A or C D 과정을 1 사이클로 보며, 약 5 초 사이에 일어나면 서지(Surge) 1 회로 규정하고, 

5 사이클(서지 5 회) 이상 연속 진행되면, 진동(vibration)의 폭이 커지기 때문에 장비의 베어링과 회전날개의 손상을 줄 가능성이 높아진다. 


3.2.1. 서지 발생 원인

흡입부의 유량이 적을 경우, 흡입부 압력이 올라가는 경우, 

토출 유량이 밸브 등에 의해 억제되어 유량이 줄어들면서 압력이 올라가는 경우

컨트롤의 오작동으로 회전속도가 갑자기 올라가는 경우



3.2.2. 서지 해결방법

압축기가 써지를 일으키는데에는 두가지 조건이 있다. 

유량이 감소하거나, 압축비가 상승해, 압축기맵의 서지 곡선보다 좌측에 놓이는 경우다. 


터빈 압축기가 운전중 서지가 안 생기도록 하기 위해서, IGV(Inlet Guide Vane)의 속도를 알맞게 조절하여야 하고, 

터빈 압축기 구동시 서지를 피하기 위해서, IGV 최소값 (IGV Minimum Position)을 정하는 이유도 여기에 있다. 


서지발생시 바로 벗어나도록, 무부하(Unloading) 상태로 만들어야하며, 이때 BOV(Blow off Valve)나 By pass 벨브를 열어주고, 흡입유량을 증가시킨다.


안티서지 컨트롤(Anti-surge Control)이란, 서지가 발생하지 않도록 밸브를 통해 흡입 측으로 유량을 유입하거나 Flare gas로 방출시키도록 하는 컨트롤 시스템이다. 



3.3. Choking & Turndown ratio


터보 압축기는 
서지(Surge)현상으로 최소유량(Minimum Flow)이 정해지고,
초킹(Choking)현상으로 최대유량(Maximum Flow)이 결정된다.


초킹현상은 압축기의 유량이 너무 크면(점 E을 초과하면), 고압을 만들어내지 못하고 오히려 압력비가 급격히 떨어지는 현상을 말한다. 

이와같이 서징(Surging)과 초킹(Choking)으로 인하여, 압축기의 최소유량과 최대유량이 정해지며, 설계점(Design Point)에서 서징이 발생하는 점까지의 유량변화폭을 'Turndown'이라고 한다.

Turndown 이 크면 클수록 압축기의 효율이 좋으며, 이것은 곧 회전체(Impeller)의 성능과 직접적인 관계가 있다.

Turndown 을 비율(%)로 나타낸것이 바로 ‘Turndown Ratio’이다. Turndown Ratio 의 공식은 다음과 같다.
 Turndown Ratio = (Turndown/최대유량) * 100  = (최대유량-최소유량)/최대유량 * 100







       


1 Housing with connectors and baseplates

2 Top Cover

3 Block with stator bracket

4 Stator (with screws)

5 Rotor

6 Valve unit (screws, cylinder cover, gaskets, valve plate)

7 Crankshaft with grommet

8 Connecting rod with piston

9 Oil pick-up tube

10 Springs with suspensions

11 Internal discharge tube (screw, washer, gasket)

12 Start equipment (PTC device, cover, cord relief)



4. 압축기 용량 제어


4.1. 용량제어의 필요성


(1) 경제적인 운전

냉동기의 냉동부하는 계절에 따라 또 시간에 따라 다양하게 변화하는데 이 부하의 변동에 따라 압축기의 용량을 제어함으로서 경제적 운전이 가능하다.

(2) 안정된 운전

냉동부하가 감소하면 증발압력이 낮아져 장치내가 진공이 되어 불응축가스의 흡입등의 우려가 있으며, 또한 액을 압축하여 액압축의 우려가 있다.


4.2. 용량제어 방법


4.2.1. 왕복동식 압축기 용량제어 방법




톱 클리어런스(Top Clearance)는 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 헤드와 피스톤과의 틈새를 말한다.

압축기의 피스톤이 최고점에 도달했을 때 피스톤과 밸브 조립부와의 사이에 필요한 공간으로, 보통 0.5~1mm이다.


1) Top Clearance 증가에 의한 방법


① 실린더 끝에 Top clearance pocket를 설치하여 Handle로 이것을 열고 닫음으로서 용량을 조절하는 방법으로,

② Top clearance를 크게 하면

- 토출시 Clearance에 더 많은 가스(고압)가 남아 있게 되어,

- Piston 하강시 이 가스가 재팽창하여 저압압력 이하가 되기까지는 저압측 가스가 흡입되지 않으므로 용량을 조정할 수 있다.


2) Hot gas By-pass에 의한 방법

① 압축되고 있는 가스 또는 압축기 토출가스의 일부를 흡입측으로 되돌리는 방법으로,

② 이 방법은 부하가 저감해도 동력은 전부하(全負荷)시와 거의 같아 성적계수가 좋지 않다.


3) 흡입밸브의 일부를 유휴(遊休, unload)시키는 방법

중형 이상의 고속다기통에서 사용되는 방법으로 유압(油壓) Piston에 의해 흡입밸브를 밀어 올려 개방상태로 함으로써 가스가 압축되지 않도록(무부하 상태)하는 방법.



4.2.2 Screw 압축기 용량제어 방법



1) 고압측에서 저압측으로 가스를 By-pass하는 방법

- 동력감소가 없고, 흡입가온도가 상승하므로 토출가스온도가 높아질 우려가 있음.


2) 저압측에서 교축하여 비체적을 키우는 방법

- 비체적이 커지므로 질량유량이 적어짐.


3) 회전수를 조절하는 방법

- 동력(動力)을 절감하는데는 매우 적합한 방법이나 Control system이 비쌈.(Inverter 장치)


4) Slide valve에 의한 방법

- 압축과정에서 유압에 의해 Slide Valve를 움직여 치형공간을 열어 가스를 저압측으로 통하게 한다.

- 이 방법은 냉매가스 토출량을 0~100%까지 무단계 제어할 수 있다.


4.2.3 Turbo 냉동기 용량제어 방법


1) 속도 제어법

- 압축기 회전수를 변경하므로써 용량제어


2) 흡입 vane 제어

- 압축기 흡입측에 있는 흡입 vane 개도 조절로 용량제어


3) Diffuser제어

- R-134a 등 고압냉매를 이용하는 경우에 사용되며, 보통 흡입 vane제어와 병용된다

- 압축기 impeller 출구의 Diffuser의 통로면적을 증감시켜 용량감소에 의해 발생하는 난류를 막아 효율저하를 방지


4) 이중관속제어


5) By-pass 제어

- 압축기에 흡입 냉매량이 surging점 이하가 되면 응축기가 증발기를 잇는 by-pass valve를 열어 surging점 이상의 냉매가 흡입되게 해서 안전운전 가능 범위를 0~100%까지 확대.

- 다른 방법의 보조용으로 사용됨.



참고

[1] http://www.pumpschool.com


13. 10. 24 작성

13. 11. 19 수정

16. 11. 11 밀폐구조에 따른 분류 추가

16. 12. 21 분류 체계 정리, 용량제어 방법 정리