팽창밸브

왜 배우는가: 팽창밸브는 증발기 입구의 냉매 압력과 유량을 결정하므로 냉동장치의 성능과 안정성을 좌우한다. 열역학 제1법칙과 교축 원리를 함께 묻는 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 8번, 제136회 1교시 2번, 제133회 3교시 2번, 제129회 2교시 5번, 제118회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

팽창밸브는 응축기 출구의 고압 액냉매를 교축시켜 증발압력까지 낮추고, 증발기로 공급하는 냉매 유량을 조절하는 장치다.

• 교축(Throttling): 좁은 유로를 통과하며 압력이 떨어지는 현상으로, 외부와 열·일 교환이 없다.
• 플래시 가스(Flash Gas): 교축 중 일부 액이 증발하여 생기는 저온 기체 냉매.
• 등엔탈피 변화: 팽창밸브 전후의 엔탈피가 같은 과정.
• 과열도(Superheat): 증발기 출구 냉매 온도와 증발온도의 차이.
• 감온통(Sensing Bulb): 증발기 출구 냉매 온도를 감지하는 부분.
• 균압관(Equalizer): 다이아프램 배압을 증발기 입구 또는 출구 압력으로 연결하는 관.
• 유량 제어(Metering): 부하 변동에 맞춰 냉매 공급량을 조절하는 기능.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 팽창밸브는 냉매가 지나가는 좁은 목이다. 고압 액냉매가 이 목을 지나면 압력이 크게 떨어지고, 증발기에서 쉽게 증발할 수 있는 상태가 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 팽창밸브는 교축에 의해 냉매의 압력을 응축압력에서 증발압력으로 낮추는 장치이며, 동시에 증발기로 들어가는 냉매 유량을 부하에 맞게 조절하는 제어 기기다. 기능은 압력 강하와 유량 조절의 두 가지로 나뉜다.

열역학 제1법칙으로 보면 팽창밸브는 정상유동 시스템이다. 밸브 주위와의 열전달 q와 축일 w를 무시하면 입구와 출구의 엔탈피가 같다. 이 식을 쓰면 다음과 같다.

$h_3 = h_4$

여기서 h_3은 팽창밸브 입구(응축기 출구) 비엔탈피[kJ/kg], h_4는 팽창밸브 출구(증발기 입구) 비엔탈피[kJ/kg]다. 엔탈피는 일정하지만 압력은 떨어지므로 출구에서는 액과 증기가 섞인 습증기 상태가 된다. 이 과정에서 증기 비율이 늘어나는 것을 플래시 가스라 한다. 플래시 가스는 증발에 필요한 열을 액 자신에서 빼앗기 때문에 액 온도도 함께 내려간다. 따라서 팽창밸브 출구의 건도는 교축 전 엔탈피와 증발압력 조건으로 정해진다. 엔트로피는 교축 과정에서 증가한다. 이 점은 등엔트로피 팽창을 하는 팽창기와 구별되는 중요한 차이다.

또 하나의 핵심은 과열도다. 증발기 출구 냉매가 포화증기보다 얼마나 더 뜨거운지를 나타낸다. 과열도가 있으면 액 냉매가 압축기로 넘어가는 액백 현상을 막을 수 있다. 그래서 자동 팽창밸브는 과열도를 일정하게 유지하도록 설계된다.

3. 등장 배경과 필요성

증기압축식 냉동사이클에서 압축기는 흡입 압력과 토출 압력 사이에서 냉매를 보낸다. 응축기 출구의 고압 액을 그대로 증발기에 보내면 증발압력이 높아져 증발 온도가 올라가고 냉동 효과가 줄어든다. 따라서 응축압력과 증발압력 사이의 차이를 만드는 장치가 반드시 필요하다. 이 장치가 팽창밸브다.

초기 냉동기는 수동 팽창밸브를 사용했다. 기관사가 밸브 핸들을 돌려 유량을 맞추는 방식이다. 숙련이 필요했고 부하가 바뀌면 유량을 맞추기 어려웠다. 냉동장치가 대형화되고 운전이 자동화되면서 증발기 상태에 따라 스스로 유량을 조절하는 자동 팽창밸브가 주로 쓰이게 되었다. 소형 냉동기나 공조기에서는 구조가 간단한 모세관이 널리 쓰인다.