불응축가스 분리기

왜 배우는가: 불응축가스 분리기(퍼저)는 냉매 사이클에 섞여 든 공기 등 불응축가스를 제거해 응축압력 상승과 성적계수 저하를 막는 장치다. 냉동 설비 유지관리와 정비 실무에서 매일 다루는 설비이며, 시험에서는 용도와 형식을 나눠 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제113회 1교시 8번, 제102회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

불응축가스 분리기는 냉동장치 응축기·수액기 부근에서 냉매 증기와 함께 섞인 공기 등 불응축가스를 분리·배출하는 장치다. 답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

불응축가스 분리기는 응축기 내부에 혼입된 공기 등 불응축가스를 냉매와 분리하여 외부로 배출하는 장치이다.

핵심 키워드

• 불응축가스
• 불응축 가스 퍼저(Non-condensable Gas Purger)
• 응축압력 상승
• 응축 열교환 면적 감소
• 흡입압력 저하
• 자동 퍼지 제어
• 수동 퍼지
• 냉매-공기 분리

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 냉동기 안에 공기가 들어가 쌓이면 응축기가 제 역할을 못 하는 것이다. 응축기는 고온 냉매 증기의 열을 냉각수나 공기에 버려야 하는데, 공기 층이 생기면 그 면적이 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 불응축가스는 냉동 온도·압력 범위에서 응축되지 않고 기체로 남는 성분으로, 공기와 질소 등이 대표적이다. 불응축 가스 퍼저(Non-condensable Gas Purger)는 이런 가스를 응축기 쪽에서 모아 냉매와 분리하고 외부로 빼내는 장치를 말한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 불응축가스: 응축되지 않고 응축기 상부에 쌓이는 기체다.
• 퍼지(Purge): 불응축가스를 장치 밖으로 빼내는 작업 또는 그 동작이다.
• 퍼저: 퍼지 작업을 수행하는 장치다.

퍼저는 보통 응축기 근처, 상부 위치에 설치된다. 내부에서 냉매 액과 가스가 나뉘어 불응축가스 기포가 위로 올라가 배출되는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동장치는 운전 중 저압 측 압력이 대기압보다 낮아지는 경우가 있다. 이때 외부 공기가 기밀이 약한 부위(축봉, 플랜지, 저압 측 밸브)를 통해 스며든다. 또 냉매 충전이나 정비 과정에서 공기가 들어가기도 한다.

공기 같은 불응축가스가 응축기에 쌓이면 응축 열교환에 쓰이는 면적이 줄어든다. 그 결과 응축압력이 올라가고, 열전달이 떨어지며, 응축기 부식도 생길 수 있다. 압축기 입장에서는 토출압력이 높아져 소요 동력이 증가하고 체적효율이 떨어진다.

따라서 불응축가스를 제때 제거하지 않으면 냉동 성적계수(COP)가 낮아지고 에너지 소비가 늘어난다. 이 때문에 퍼저는 설비 효율과 장비 보호를 함께 담당하는 필수 부속기기로 다뤄진다. 정비 시에는 응축기 토출압력이 평소보다 높게 유지되는 현상을 보고 불응축가스 혼입을 의심하는 것이 실무 관행이다.

• 응축압력 상승은 불응축가스 혼입의 가장 대표적인 증상이다.
• 흡입압력 저하가 동반되면 외부 공기 유입 경로를 함께 점검해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

불응축가스 분리기(Non-condensable Gas Purger)는 냉매 사이클에 섞여 들어온 공기 등 불응축가스를 응축기에서 빼내는 장치다. 냉동장치는 저압측이 대기압보다 낮아지는 순간 외부 공기가 누설로 들어오기 쉽고, 들어온 불응축가스는 응축기 안에 머물며 열전달을 방해한다. 따라서 불응축가스를 주기적으로 제거해야 응축압력 상승을 막을 수 있다.

불응축가스가 응축에 미치는 영향은 다음과 같다. 불응축가스는 응축기 전열면 일부를 차지해 응축에 쓸 유효 전열면적을 줄인다. 또 냉매 증기가 전열면에 닿기 전에 가스 층을 거쳐야 하므로 열전달계수가 떨어진다. 결과적으로 응축압력과 압축기 토출온도가 올라가고 압축기 소비동력이 늘어난다. 금속 부식을 촉진하는 것도 문제가 된다.

표는 구성 요소의 역할을 정리한 것이다. 분리 용기 안에서 냉매는 응축되어 액으로 돌아가고, 불응축가스만 상부에 남아 배기된다. 배기 과정에서 냉매가 함께 빠져나가는 손실을 줄이는 것이 설계의 핵심이다.

원리는 냉매 증기의 응축과 비응축 가스의 분압 차이를 이용하는 것이다. 분리기 내부 압력에서 냉매 증기의 포화온도가 응축되는 온도가 되면, 냉매는 액으로 응축해 아래로 흐른다. 불응축가스는 응축되지 않으므로 상부에 쌓인다. 상부의 가스 농도가 높아지면 배기 밸브를 열어 가스를 방출한다. 이때 분압 법칙에 따라 가스 분압은 전체 압력에서 냉매 증기 분압을 뺀 값이다.

$P_{\text{가스}} = P_{\text{전체}} - P_{\text{냉매,포화}}(T_{\text{응축}})$

• P_{\text{가스}}: 불응축가스 분압(kPa 또는 MPa)
• P_{\text{전체}}: 분리기 내 전체 압력(kPa 또는 MPa)
• P_{\text{냉매,포화}}: 응축온도에서의 냉매 포화압력(kPa 또는 MPa)

분압 식은 배기를 언제 해야 하는지 판단하는 근거가 된다. 가스 분압이 커지면 응축온도와 응축압력의 차이가 줄지 않으므로 운전 이상이 나타난다.

절차는 다음과 같다.

• 응축기 또는 수액기 상부의 압력 상승 또는 응축온도와 냉각수 온도 차 증가를 확인한다.
• 분리기 입구 밸브를 열어 냉매 증기와 불응축가스 혼합물을 분리기로 보낸다.
• 냉각 코일로 냉매 증기를 응축시키고, 응축된 액은 냉매 쪽으로 되돌린다.
• 상부의 불응축가스 농도가 기준 이상이면 배기 밸브를 열어 배출한다.
• 배출 후 압력과 온도가 정상으로 돌아왔는지 확인하고 밸브를 닫는다.

설치 위치는 응축기 상부 또는 수액기 상부 근처다. 불응축가스는 밀도가 낮아 응축기 상부에 모이므로 이 위치에서 뽑아야 효과가 크다.

5. 관련 법령·기준·표준

불응축가스 분리기는 냉동기 부속기기이며, 국내에서 설치·검사를 직접 규정한 고시나 법정 기준값은 확인된 범위에서 제시하기 어렵다. 다만 설계와 운전에서 널리 쓰는 기준은 다음과 같다. 이 기준은 실무와 수험서에서 통용되는 값이다.

표의 값은 운전 판단의 기준을 정성적으로 나타낸다. 시험 답안에서는 저압측 대기압 이하 조건과 응축압력 상승 판단을 핵심으로 쓴다.

개정 연혁은 확인된 내용이 없어 적지 않는다. 불응축가스 분리기는 냉동기 설계 기준과 제조사 매뉴얼에 따라 사양이 정해지므로, 답안에서는 원리와 작동 조건을 중심으로 서술한다.

6. 유형과 비교

불응축가스 분리기는 설치 위치와 작동 원리에 따라 크게 수동식 퍼저, 자동식 퍼저, 고압·저압측 분리형으로 나눌 수 있다. 실무에서는 응축기 상부에 설치하는 퍼저가 가장 널리 쓰인다. 형식마다 가스 배출 방식과 냉매 손실 특성이 달라 비교 기준을 함께 알아 두어야 한다.