압축기 효율

왜 배우는가: 압축기 효율은 냉동장치의 소요 동력과 성적계수(COP)를 좌우하므로 실무에서 운전 성능을 진단하는 기준이 된다. 체적효율, 압축효율, 기계효율은 이름이 비슷해 서로 헷갈리기 쉬워 시험에서 반복해 묻는다.

출제 이력: 제126회 2교시 5번, 제123회 1교시 8번, 제114회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압축기 효율은 실제 압축기의 성능을 이상적인 압축기와 비교한 비율이며, 체적효율·압축효율·기계효율로 나눈다.

키워드: 체적효율, 압축효율, 기계효율, 행정체적, 틈새체적, 압축비, 지시일, 축동력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 압축기가 이론대로 일을 하는 정도를 백분율로 나타낸 것이다. 압축기는 흡입한 냉매를 줄여 든 체적만큼 내보내지 못하고, 압축에 든 일이 모두 냉매의 엔탈피 증가로 가지도 않는다. 세 효율은 이 손실을 서로 다른 관점에서 잰다.

체적효율(Volumetric Efficiency, ηv)은 피스톤이 쓸어낸 행정체적 대비 실제로 흡입해 토출하는 냉매 체적의 비다. 틈새체적에 남은 고압 가스가 팽창하면서 흡입 가능한 체적이 줄어들기 때문에 생긴다. 틈새체적 비율을 C, 압축비를 ε, 팽창 지수를 n으로 두면 ηv = 1 − C(ε^(1/n) − 1) 으로 근사한다.

압축효율(Isentropic Efficiency, ηc)은 같은 압력비까지 등엔트로피 과정으로 압축할 때 필요한 이론 일을 실제 압축에 든 일로 나눈 값이다. 엔탈피로 쓰면 ηc = (h2s − h1) / (h2 − h1) 이다. 여기서 h1은 흡입 엔탈피, h2는 실제 토출 엔탈피, h2s는 등엔트로피 토출 엔탈피다. 압축 중 마찰과 열 출입으로 실제 엔탈피 상승이 이론값보다 커진다.

기계효율(Mechanical Efficiency, ηm)은 냉매에 실제로 전달된 지시일을 축에 공급된 축동력으로 나눈 값이다. 피스톤과 실린더, 크로스헤드, 베어링 등 기계 마찰 손실을 나타낸다. 축동력이 지시일보다 크므로 ηm은 1보다 작다.

세 효율의 곱을 압축기 전체 효율로 볼 수 있다. 냉동장치 계산에서는 흡입 체적 유량으로 냉매 질량 유량을 구하는 데 ηv를, 소요 동력을 구하는 데 ηc와 ηm을 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

이상 사이클은 압축기를 손실 없는 등엔트로피 기계로 가정한다. 실제 압축기는 흡입·토출 밸브의 압력 손실, 고온 잔류 가스에 의한 흡입 가열, 마찰, 열 출입이 있어 이상값과 차이가 난다. 이 차이를 수치로 나타내야 실제 COP와 소요 동력을 예측할 수 있었다.

특히 틈새체적은 압축비가 커질수록 체적효율을 떨어뜨린다. 압축비가 클수록 틈새 가스의 재팽창 체적이 커져 흡입 가능한 체적이 줄어든다. 실제 흡입효율은 흡입 압력손실과 잔류 고온 공기의 가열 영향으로 약 2~3% 더 감소한다는 것이 일반적인 설명이다.

압축효율 개념은 ASME PTC 10 같은 성능 시험 규격에서도 기준으로 쓰인다. 가역 단열 압축을 이상 과정으로 정하고 실제 압축기와 비교하는 방식이다. 이를 통해 압축기 제작사마다 다른 성능을 같은 기준에서 비교할 수 있다.