모세관

왜 배우는가: 모세관은 가정용 냉장고·룸에어컨 등 소형 냉동장치의 교축기구로 가장 널리 쓰인다. 구조가 단순하고 고장이 적어 실무 설계와 운전 이상 진단에서 자주 다뤄지며, 팽창밸브와의 비교와 주의사항이 시험에서 반복 출제된다.

출제 이력: 제127회 3교시 3번, 제123회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

모세관은 응축기에서 나온 액냉매를 가는 관의 마찰 저항으로 교축하여 증발압력까지 낮추는 고정 저항형 팽창장치다.

• 모세관
• 교축(throttling)
• 고정식 팽창장치
• 플래시 가스(flash gas)
• 압력손실
• 균압(pressure equalization)
• 소형 냉동장치

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 모세관은 머리카락처럼 가는 구리관이다. 고압의 액냉매가 이 좁은 관을 지나면서 마찰로 압력이 떨어지고, 그 결과 증발기 입구에서 저압·저온의 액냉매가 된다.

정식으로는 교축(throttling) 과정이다. 교축은 등엔탈피 과정으로 보며, 교축 전후의 엔탈피가 같다. 모세관은 유량을 조절하지 않고 관의 치수와 길이로 유량이 정해지는 고정식 팽창장치다.

모세관 안에서는 압력이 급격히 떨어져 일부 냉매가 증발한다. 이때 생기는 기체를 플래시 가스(flash gas) 라 한다. 플래시 가스는 증발기 입구에 기체가 섞여 들어가게 하므로 냉동능력을 떨어뜨린다. 모세관 출구의 액냉매 온도는 증발온도 가까이 내려간다.

모세관의 핵심 특징은 균압(pressure equalization) 이다. 압축기가 정지하면 고압측과 저압측의 압력이 관을 통해 서서히 같아진다. 그래서 다음 기동 때 압축기에 걸리는 부하가 작다.

3. 등장 배경과 필요성

증기압축식 냉동사이클에는 냉매의 압력을 고압에서 저압으로 낮추는 팽창장치가 반드시 필요하다. 팽창장치 없이는 응축된 액냉매를 증발기로 보낼 수 없다. 대형 장치는 온도식 자동 팽창밸브나 플로트 밸브를 쓰지만, 가정용 냉장고와 소형 에어컨은 부하 변동이 작고 구조가 단순해야 한다.

모세관은 이런 소형 장치에 맞는 해법이다. 별도의 제어 장치 없이 관 하나로 교축을 수행하므로 비용이 낮고 고장 요소가 적다. 가정용 냉장고는 압축기가 자주 켜지고 꺼지므로 균압 특성도 설계 요구에 맞는다.

다만 모세관은 조절이 되지 않는다. 외기 온도나 부하가 변하면 응축압력이 함께 변하고, 모세관의 유량도 그에 따라 변한다. 그 결과 과열도와 과냉각도가 설계점에서 벗어날 수 있다. 이 한계 때문에 대형·가변 부하 장치에는 모세관을 쓰지 않는다.

소형 냉동장치 중심 적용은 이 개념을 답안 첫 줄에서 설명할 때 가장 먼저 쓰는 구분이다.

4. 구성요소·원리·절차

모세관은 응축기와 증발기 사이에 놓여 고압 액냉매의 압력을 줄이는 교축장치다. 별도의 조절 기구가 없고, 관의 길이와 내경으로 유량과 압력강하가 정해진다. 구성요소는 다음 표와 같다.

모세관 내부의 압력강하가 교축 작용의 원인이다. 관벽 마찰로 운동에너지와 압력 에너지가 열로 바뀌어 압력이 떨어지고, 그 결과 냉매의 일부가 플래시 가스(flash gas)로 증발하며 액온이 증발온도까지 낮아진다. 교축 과정은 등엔탈피 과정으로 본다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$h_1 = h_2$

여기서 h_1은 모세관 입구 엔탈피(kJ/kg), h_2는 출구 엔탈피(kJ/kg)다. 입구가 과냉각 액이면 출구는 액과 증기의 혼합물이 되고, 증기 분율 x는 x = (h_2 - h_f)/h_{fg}로 구한다.

모세관 동작 절차는 다음과 같다.

• 압축기가 고온·고압 증기를 응축기로 보낸다.
• 응축기에서 열을 방출하고 고압 액냉매가 된다.
• 액냉매가 모세관 입구로 들어가 관벽 마찰로 압력이 떨어진다.
• 일부가 플래시 가스로 증발하며 액온이 증발온도까지 낮아진다.
• 저압 습증기가 증발기로 들어가 증발 잠열로 주위를 냉각한다.
• 증발기 출구 증기가 압축기로 되돌아가 사이클이 닫힌다.

5. 관련 법령·기준·표준

모세관의 치수와 충전 조건은 법령으로 정해지지 않고, 제작사 설계와 냉동기 설계 자료로 정해진다. 다만 냉매 충전량 산정은 「대기환경보전법」에 따른 「냉매사용기기의 냉매관리기준 규정」이 다룬다. 이 규정은 냉매사용기기의 냉매 관리 기준을 정한다.

모세관은 냉매 충전량과 직접 관련된다. 제작사 제원에 없는 추가 배관이 있으면 그 배관의 냉매량을 따로 산정해 합산한다. 냉매 누출 시에는 지체 없이 원인을 찾고 보수해야 하며, 회수는 규정에 따른 절차를 따른다. 냉매 관리 기준은 KS 등 개별 표준보다 이 규정이 우선한다.

6. 유형과 비교

모세관은 팽창장치의 한 형식이다. 팽창장치는 고압 액냉매를 교축해 저압·저온으로 낮추고 유량을 조절하는 장치이며, 모세관은 조절이 없는 고정 교축형이라는 점에서 감온식 팽창밸브, 플로트식 팽창밸브와 구분된다. 실무에서는 교축 방식과 유량 조절 여부로 유형을 나눠 비교한다.

위 표는 모세관이 부하 변동에 대응하지 못하는 이유를 보여 준다. 조절 기능이 없으므로 응축 압력이 바뀌면 유량도 따라 바뀐다. 감온식 밸브는 증발기 출구 과열도를 감지해 개도를 바꾸므로 부하가 변해도 과열도를 일정하게 유지한다.

모세관 자체는 관 길이와 내경으로 유량이 정해진다. 같은 냉매라도 설계 조건이 맞지 않으면 과냉각 부족이나 과도한 플래시 가스가 생긴다. 이 점이 소형 밀폐형 장치에서 모세관이 선택되는 이유다.