압축기 분류

왜 배우는가: 압축기는 냉동사이클에서 냉매 증기의 압력과 온도를 올리는 핵심 기기이며, 종류에 따라 효율·구조·용도가 달라 냉동기 설계와 운전 이상 진단의 출발점이 된다. 용적식과 터보식의 구분은 1교시 용어 문제와 2~4교시 압축기 비교 문제에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제121회 1교시 8번, 제98회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압축기는 기계적 에너지를 가해 기체의 압력을 높이는 기계이며, 냉동장치에서는 증발기 출구의 저압 냉매 증기를 흡입해 고온·고압 가스로 토출한다.

• 압축기(Compressor): 기체에 압축 일을 가해 압력을 높이는 기계
• 용적형 압축기(Positive Displacement Compressor): 체적을 줄여 압력을 높이는 방식
• 터보형 압축기(Turbo Compressor): 회전하는 임펠러로 운동에너지를 압력에너지로 바꾸는 방식
• 개방형 압축기: 구동 전동기가 압축기 본체 밖에 있는 방식
• 밀폐형 압축기: 전동기가 본체 안에 내장된 일체형 방식
• 축봉장치(Shaft Seal): 개방형에서 구동축 관통부의 냉매 누설을 막는 장치
• 흡입·토출 과정: 저압 증기 흡입, 압축, 고압 가스 토출의 반복

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 압축기는 냉매 증기를 빨아들여 좁은 공간에 가두거나 빠르게 돌려서 압력을 올린 뒤 응축기로 내보내는 펌프다. 냉매를 계속 흡입하고 토출해야 증발기의 증발이 끊기지 않는다.

정식 정의로는 압축기를 기체 압축 원리에 따라 용적형과 터보형으로 나눈다. 두 방식의 차이는 압력이 올라가는 물리적 원리에 있다.

용적형은 흡입한 일정 체적의 기체를 밀폐한 뒤 그 공간의 체적을 기계적으로 줄여 압력을 올린다. 압력이 토출 밸브 쪽 압력보다 높아지면 밸브가 열려 기체가 토출된다. 왕복식, 로터리식, 스크롤식, 스크류식이 여기에 속한다.

터보형은 고속으로 회전하는 임펠러가 기체에 운동에너지를 주고, 디퓨저에서 그 속도에너지를 압력에너지로 바꾼다. 원심식이라고도 부르며, 기체가 연속적으로 흐르면서 압축이 일어난다.

핵심 용어인 용적형과 터보형은 압축 원리를 기준으로 한 분류이고, 구동 방식(개방형·밀폐형)은 전동기 설치 구조를 기준으로 한 별도의 분류다. 이 둘을 섞어 쓰면 감점이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

증발기에서 냉매가 기화하려면 증기가 계속 빠져나가야 한다. 증기를 흡입·압축하지 않으면 증발기 압력이 올라가 증발 온도가 높아지고 냉동 효과가 사라진다. 따라서 압축기는 냉동사이클이 연속적으로 돌아가기 위한 필수 기기다.

냉동 용량이 커질수록 같은 크기의 기계로 더 많은 기체를 다뤄야 하므로 방식이 나뉘었다. 소용량·고압비 조건에서는 체적을 직접 줄이는 용적형이 유리하고, 대용량·저압비 조건에서는 연속 흐름으로 많은 유량을 처리하는 터보형이 유리하다.

공조와 냉동 현장에서는 기기 크기, 설치 공간, 소음, 유지보수 편의성도 방식 선택에 영향을 준다. 밀폐형은 누설 위험이 낮아 소형 에어컨에 널리 쓰이고, 개방형은 대형 설비와 엔진 구동 설비에 쓰인다.

이 배경을 알면 2교시 비교 문제에서 용도와 특징을 연결해 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

압축기는 증발기에서 증발한 저압 냉매증기를 흡입해 고온·고압 가스로 만들어 응축기로 보내는 장치다. 냉동사이클에서 외부 동력을 받아 냉매의 압력을 올리는 유일한 능동 요소이며, 구성요소는 압축부, 구동부, 흡입·토출 밸브, 케이싱과 윤활계로 나뉜다.

표에서 압축부와 구동부가 기본 구성이다. 개방형은 축봉장치가 추가되고 밀폐형은 구동부가 케이싱 안에 들어간다.

용적형 압축기는 흡입한 가스를 밀폐된 체적 안에 가두고 그 체적을 줄여 압력을 높인다. 압축 과정에서 체적이 줄어들므로 압력 상승은 체적 감소에 따른 것이다.

터보형(원심형) 압축기는 고속 임펠러가 가스에 운동에너지를 주고, 디퓨저에서 그 운동에너지를 압력에너지로 바꾼다. 한 단당 압력 상승은 작고 체적 유량은 크다.

용적형은 체적 감소로, 터보형은 운동에너지의 압력에너지 변환으로 압축한다

원리를 그림으로 보면 용적형은 흡입, 압축, 토출이 반복되는 주기 운동이고 터보형은 연속 흐름이다.

압축 과정의 절차는 다음과 같다.

• 흡입 행정: 흡입 밸브가 열리고 체적이 커지며 저압 냉매증기가 들어온다.
• 압축 행정: 흡입 밸브가 닫히고 체적이 줄어 압력이 상승한다.
• 토출 행정: 압력이 토출 측 압력을 넘으면 토출 밸브가 열리고 고압 가스가 나간다.
• 잔류 체적 팽창: 토출 후 남은 가스가 팽창하고 다시 흡입 행정으로 돌아간다.

압축 일은 이상적으로 등엔트로피 과정으로 보며, 압축기 소요동력은 다음과 같이 쓴다.

$W_c = \dot{m}(h_2 - h_1)$

여기서 W_c는 압축기 소요동력(kW), \dot{m}은 냉매 질량유량(kg/s), h_1은 흡입 엔탈피(kJ/kg), h_2는 토출 엔탈피(kJ/kg)다.

실제 압축기는 체적효율과 압축효율로 성능을 나타낸다. 체적효율은 간극체적 때문에 흡입 체적이 행정 체적보다 작아지는 정도를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

압축기 자체를 규정하는 법령은 없고, 냉동장치의 안전과 설비 기준은 고압가스 안전관리 관계 법령과 KS 규격, 설계 기준으로 정한다. 「고압가스 안전관리법」은 냉매가스를 고압가스로 보고 제조·저장·운반을 규율한다. 냉동기 설계와 설치는 냉동기 관련 KS 규격 체계를 따르고, 압축기 시험도 KS 규격 체계를 따른다. 정확한 조항 번호와 별표 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

개방형과 밀폐형의 구조상 기준 차이는 다음과 같다.

표에서 보듯 축봉부 유무가 두 형식의 기준 차이를 가른다. 기준 수치는 다음과 같이 정리한다.

흡입 가스 과열도는 액가스 열교환기로 높이며, 압축기 액압축을 막는 효과도 있다. 이 값들은 설계 조건에 따라 달라지므로 제조사 사양과 함께 적용한다.

개정 연혁은 본 절에서 확인된 자료가 없어 적지 않는다.

6. 유형과 비교

압축기는 형식과 구동 방식의 두 기준으로 나눠 비교한다. 형식별로는 용적식 안에서 왕복동식, 로터리식, 스크롤식, 스크류식을 구분한다. 구동 방식별로는 밀폐형과 개방형을 구분한다.

표 1. 용적식 압축기 형식별 비교