증발기 제상방식

왜 배우는가: 증발기 표면에 생긴 서리는 전열을 떨어뜨리고 송풍량을 줄여 냉동기 효율과 냉장 품질을 낮춘다. 제상방식은 설비의 운전 안정성과 에너지 효율을 좌우하므로 실무 설계와 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제126회 3교시 3번, 제110회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

증발기 제상은 증발기 표면에 붙은 서리와 얼음을 가열하거나 살수하여 녹이고 전열 성능을 회복시키는 운전 조작이다.

• 증발기
• 착상
• 제상 주기
• 살수 제상
• 전기히터 제상
• 핫가스 제상
• 제상 종료 제어
• 전열 저하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 제상은 냉동기 증발기에 낀 얼음을 녹이는 일이다. 증발기 안에서는 저온 냉매가 흐르고, 공기 중 수증기가 코일 표면에서 응결하여 얼어붙는다. 이 현상을 착상이라 한다.

정식으로는 증발기 표면 온도가 공기의 노점 이하, 특히 0℃ 이하일 때 수분이 서리나 얼음으로 쌓이는 현상을 착상이라 하고, 이를 주기적으로 제거하는 조작을 제상이라 한다. 제상은 제상 주기에 따라 시간 또는 착상량 기준으로 실행한다.

착상층은 열저항으로 작용한다. 그래서 증발 온도는 낮아지고 전열 저하가 생겨 냉동능력이 줄어든다. 또 얼음이 공기 통로를 막으면 송풍량이 떨어져 고내 온도가 올라간다. 즉 제상의 목적은 열전달 면을 깨끗하게 유지하는 데 있다.

제상에는 열원에 따라 여러 방식이 있다. 대표적인 방식은 살수 제상, 전기히터 제상, 핫가스 제상이다. 살수 제상은 증발기 내 냉매를 회수한 뒤 송풍기를 멈추고 물을 뿌려 얼음을 녹인다. 이때 살수수는 10~20℃ 물을 쓰는 것이 일반적이다. 전기히터 제상은 증발기 안에 설치한 발열체로 직접 가열한다. 가열기 용량은 1RT당 5kW 정도로 잡는 사례가 많다. 핫가스 제상은 압축기 토출 고온 냉매가스를 증발기로 돌려 응축열로 서리를 녹인다.

제상 중에는 냉각 작용이 멈추므로 고내 온도가 일시적으로 올라간다. 따라서 제상 시간과 종료 조건을 짧고 정확하게 관리해야 한다. 종료 조건이 늦으면 불필요한 열부하가 생기고, 너무 빠르면 잔여 착상이 남는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 냉장고와 냉동고는 문을 열 때마다 들어온 습기가 냉각부에 얼어붙어 서리가 쌓였다. 사용자는 주기적으로 해빙을 해야 했고, 이는 효율 유지를 위한 필수 작업이었다. 이후 1950년대에 자동 제상 방식이 도입되어 타이머와 전열선으로 일정 시간만 가열하는 방식이 생겼다.

산업용 냉동 설비에서는 착상 문제가 더 크다. 냉장 창고나 저온 저장고에서는 유니트쿨러 코일 표면이 0℃ 이하로 유지되는 경우가 많다. 이때 공기 중 수분이 코일에 계속 쌓여 압력손실과 송풍 저항을 키운다. 결국 설계 용량을 만족하지 못하는 상황이 생긴다.

다단 압축 시스템의 저단 증발기는 특히 제상이 필요하다. 저온 측 증발 온도가 낮아 착상이 빨리 진행되기 때문이다. 제상을 하지 않으면 저단 측 냉동능력이 감소하고, 전체 냉동 사이클의 효율이 떨어진다.

또 착상은 에너지 손실과 직결된다. 얼음층은 열이 고내에서 외부로 나가는 것을 막아 운전비용을 높인다. 동시에 얼음이 쌓인 만큼 식품을 보관할 공간이 줄어든다. 따라서 제상은 단순한 유지보수가 아니라 설비 성능과 제품 품질을 함께 지키는 운전 기능이다.

제상방식의 선택 기준도 이 배경에서 나온다. 설비 규모, 고내 온도, 식품의 온도 허용 범위, 제상 중 온도 상승 허용 여부, 설비비와 유지비가 모두 고려 대상이다. 소형 설비는 전기히터가 간단하고, 대형 설비는 살수나 핫가스 방식이 많이 쓰인다. 특수하게는 부동액을 분무하여 서리가 생기지 않도록 하는 방식도 있다.

요약하면 제상의 필요성은 세 가지다. 첫째, 전열 성능과 냉동능력을 유지한다. 둘째, 송풍 저항과 에너지 손실을 줄인다. 셋째, 고내 온도와 식품 품질을 안정시킨다. 이 세 가지가 제상방식을 정하는 판단 기준이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

증발기의 제상(Defrost) 은 코일 표면에 생긴 착상(霜)과 얼음을 녹여 열전달 성능을 회복시키는 운전이다. 착상층은 열저항으로 작용해 증발온도를 낮추고 냉동능력과 성적계수를 떨어뜨린다. 제상 방식은 열원을 무엇으로 하느냐에 따라 구분하며, 구성요소는 열원, 열전달면(코일과 팬), 제상 제어장치(타이머·온도센서), 배수·배관으로 본다.

살수 제상은 증발기 내 냉매를 회수한 뒤 송풍기를 정지하고 공기 출입구를 차단한 상태에서 물을 살포한다. 살수량이 많을수록 제상 시간이 짧아지므로 이 방식은 구조가 간단해 유니트쿨러에서 널리 쓴다. 물은 제상용 탱크에 모아 일정 온도로 데워 재순환시키는 것이 일반적이다. 그러나 물배관 설비가 필요하고, 잔류수가 동결하면 팬이 멈출 수 있다. 제상 종료 후 송풍을 재개하면 코일에 붙은 물방울이 비산하므로 배수와 잔류수 제거를 먼저 해야 한다.

전기히터 제상은 증발기 적당한 위치에 가열기를 설치해 서리를 녹인다. 제상 중에는 송풍을 정지한다. 가열기 용량은 1RT당 약 5kW 수준으로 잡는다. 제어가 간단하고 히터 배치를 적절히 하면 가열 불균일을 줄일 수 있다. 다만 대형 장치는 히터 제작과 고장 시 수리가 어렵다. 누전과 과열에 따른 화재 위험이 있으므로 누전차단기와 서모스탯을 함께 설치한다.

핫가스 제상은 압축기에서 토출된 고온 냉매가스를 증발기로 직접 보내 코일 내부에서 응축시키며 열을 준다. 냉매가 응축하면서 방출하는 응축열이 서리를 녹인다. 별도 열원이 필요 없어 에너지 측면에서 유리하다. 제상 중에는 증발기가 냉각 기능을 잃으므로 제상 시간과 온도 제어가 중요하다. 제상 후 액 냉매가 압축기로 돌아가지 않도록 액분리기와 조절 밸브를 두어야 한다.

제상 열량은 다음 식으로 구한다.

$Q=m\,(L_f+c_w\,\Delta T)$

여기서 Q는 제상 열량(kJ), m은 착상량(kg), L_f는 얼음의 융해잠열(334kJ/kg), c_w는 물의 비열(4.19kJ/(kg·K)), \Delta T는 융해 후 물의 승온 폭(K)이다.

예로 착상량 10kg을 0℃ 얼음 상태에서 0℃ 물로 녹이는 경우 Q=10\times334=3{,}340kJ이다. 1kW는 1kJ/s이므로 이 열량을 1시간 안에 공급하려면 약 0.93kW가 필요하다. 착상량이 많을수록 열원 용량이 커지므로 제상 주기와 열원 용량은 함께 정한다.

제상 절차는 다음과 같다.

• 착상 감지(시간 또는 코일 온도차)로 제상을 시작한다.
• 송풍기를 정지하고 증발기 공기측을 차단한다.
• 냉매를 회수하거나 흡입측을 닫아 증발기를 분리한다.
• 열원(물·히터·고온가스)을 공급해 서리를 융해한다.
• 온도 또는 시간 조건으로 제상을 종료하고 열원을 차단한다.
• 배수와 잔류수 제거 후 송풍을 재개하고 냉동 운전을 복귀한다.

제상 방식의 답안 핵심은 열원의 종류와 제상 후 잔류수·재운전 절차를 함께 쓰는 것이다.

5. 관련 법령·기준·표준

증발기 제상을 직접 규정한 법정 수치는 확인된 것이 없다. 설계는 제조사 사양과 냉동 설계 관례를 따른다. 전기 설비는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 기준값과 적용 조건은 다음과 같다.

전기히터 방식은 히터의 누전과 과열이 법정 전기 안전의 대상이 된다. 히터 회로에는 누전차단기와 과열 보호 장치를 설치한다. 살수 방식은 물 배관의 동결 방지와 배수 설비를 설계 단계에서 반영한다. 핫가스 방식은 고압 냉매 배관의 내압과 밸브 배치를 냉동 설계 기준에 맞춘다. 개정 연혁은 전기 설비 분야에서 확인되는 범위만 쓴다.