압축기 체적효율

왜 배우는가: 체적효율은 압축기가 실제로 보내는 냉매량을 정하므로 냉동능력과 장치 용량 계산의 출발점이다. 시험에서는 간극체적, 압축비, 흡입 손실을 묻는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 2번, 제120회 3교시 3번, 제93회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 체적효율은 압축기 행정체적 중 실제로 흡입되어 압축되는 냉매 증기 체적의 비율이다.

• 체적효율(Volumetric Efficiency) — 이론 배기량 대비 실제 흡입량의 비
• 행정체적(Swept Volume) — 피스톤이 한 행정에서 쓸어내는 체적
• 간극체적(Clearance Volume) — 상사점과 밸브 사이에 남는 빈 공간
• 재팽창 — 간극에 남은 고압 가스가 팽창하며 흡입을 막는 현상
• 압축비 — 토출압력을 흡입압력으로 나눈 값
• 흡입 손실 — 흡입 밸브·배관 압력강하와 흡입 가스 과열
• 냉매 질량유량 — 체적효율로 결정되는 단위 시간당 냉매 순환량
• 냉동능력 — 냉매 질량유량과 증발기 흡수열량의 곱

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 체적효율은 피스톤이 이론적으로 빨아들일 수 있는 양 중 실제로 빨아들인 양의 비율이다. 같은 압축기라도 이 값이 낮으면 한 번 왕복할 때 냉매가 덜 들어오므로 냉동능력이 줄어든다.

정식 정의는 실제 흡입 체적유량을 이론 배기체적유량으로 나눈 값이다. 흡입 상태의 냉매 밀도를 곱하면 질량유량 관계식으로 바꿀 수 있다.

$\eta_v = \frac{\text{실제 흡입 체적유량}}{\text{이론 배기체적유량}} = \frac{\dot m}{\rho_s \dot V_{th}}$

여기서 \dot m은 냉매 질량유량(kg/s), \rho_s는 흡입 상태 냉매 밀도(kg/㎥), \dot V_{th}는 이론 배기체적유량(㎥/s)이다. 이 식을 쓰면 냉매 순환량은 \dot m = \eta_v \rho_s \dot V_{th}로 계산된다.

왕복동 압축기의 이상적인 간극 재팽창식은 다음과 같다.

$\eta_v = 1 + C - C\,r_p^{1/n}$

여기서 C = V_c/V_s는 간극비(간극체적 V_c와 행정체적 V_s의 비), r_p는 압축비, n은 폴리트로픽 지수다. 이 식은 간극비가 커지거나 압축비가 커질수록 체적효율이 떨어진다는 것을 보여준다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 행정체적은 피스톤이 하사점에서 상사점까지 움직일 때 쓸려 나가는 체적이다. 실린더 내경, 행정 길이, 기통 수로 정해진다.
• 간극체적은 상사점에서 밸브판 사이에 남는 빈 공간이다. 밸브 작동과 열팽창을 위해 반드시 필요하지만 체적효율을 떨어뜨린다.
• 재팽창은 토출 후 간극체적에 남은 고압 가스가 흡입행정 초기에 팽창하는 현상이다. 흡입 압력까지 떨어져야 흡입밸브가 열리므로 흡입행정의 일부가 버려진다.
• 압축비는 토출압력을 흡입압력으로 나눈 값이다. 압축비가 클수록 체적효율 감소
• 흡입 손실은 흡입 밸브와 배관의 압력강하, 그리고 흡입 가스 과열로 흡입 밀도가 낮아지는 현상이다.

체적효율 저하의 핵심 원인은 간극체적의 재팽창과 압축비 증가다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동장치는 압축기가 순환시키는 냉매 질량유량으로 냉동능력이 정해진다. 압축기의 이론 배기량은 기하학적으로 정해지지만, 실제 순환량은 체적효율을 거쳐야 얻어진다. 그래서 체적효율은 압축기 용량 산정과 장치 설계에서 빠질 수 없는 값이다.