만액식 증발기 냉동사이클

왜 배우는가: 만액식 증발기는 대형 냉동장치와 터보 냉동기에서 널리 쓰이는 증발기 형식이다. 액 순환 방식과 액분리기·서지 드럼의 역할, 액 압축 방지 원리를 이해해야 냉동장치 설계와 운전 문제를 풀 수 있다. 기술사 시험에서도 구성도, P-h선도, 냉동능력 계산을 묶어 반복해 묻는다.

출제 이력: 제116회 2교시 1번, 제95회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 만액식 증발기는 증발기 내부를 액냉매로 가득 채우고, 냉매액이 전열면에서 증발하면서 열을 흡수하는 증발기이다.

핵심 키워드

• 만액식 증발기(Flooded Evaporator)
• 액순환(Liquid Recirculation)
• 액분리기(Accumulator)
• 저압수액기(Low-pressure Receiver)
• 액펌프(Liquid Pump)
• 습압축(Wet Compression)
• 건도(Quality)
• 냉동능력(Refrigerating Capacity)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 증발기 안을 액냉매로 꽉 채워 두고 열을 받는 면을 항상 액이 적셔 주는 방식이다. 증발기 내부 전열면 전체가 액에 잠겨 있으므로 열전달 면적을 충분히 쓸 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 만액식 증발기(Flooded Evaporator) 는 증발기 전열관 바깥이나 안쪽을 액냉매(Liquid Refrigerant) 로 채우고, 이 액이 피냉각 유체의 열을 받아 증발하도록 설계한 증발기이다. 증발하지 않은 액은 다시 증발기로 돌아가므로 액의 순환이 일어난다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

액순환(Liquid Recirculation) 은 증발기에서 증발한 증기와 미증발 액을 분리하고, 분리된 액을 펌프나 중력으로 다시 증발기에 공급하는 흐름이다. 증발기 안의 액 체적비가 충분히 커서 전열이 잘 되고 전열면 착상과 열전달 저하가 줄어든다.

액분리기(Accumulator) 는 증발기 출구의 기액 혼합 냉매에서 액을 분리해 증기만 압축기로 보내는 용기이다. 액이 압축기로 들어가는 액압축을 막는 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

직접팽창식 증발기는 냉매가 증발기 출구에서 과열되도록 팽창밸브로 유량을 제어한다. 이 방식은 전열면 일부가 건조 상태로 남아 전열 효율이 떨어진다. 대용량 냉동장치와 공조 설비에서는 열전달 성능을 높이고 전열면 전체를 활용하기 위해 만액식이 쓰인다.

만액식은 대형 원심식 냉동기(터보 냉동기)와 암모니아 냉동장치에서 많이 쓰인다. 증발 열량이 크고 전열면적이 큰 장치에서 열교환 효율을 확보하기 위한 방식이다. 또한 액을 증발기 바닥에서 공급하므로 증발기 내부 액면이 안정되어 열부하 변동에도 증발 조건이 일정하게 유지된다.

이 방식은 저압수액기와 액펌프 또는 플로트밸브로 액면을 제어해야 하는 구조적 부담이 있다. 그 대신 증발기의 열교환 능력을 크게 쓸 수 있어 대용량 설비에서 필수로 선택된다.

4. 구성요소·원리·절차

만액식 증발기 냉동장치는 증발기 안을 액냉매로 채우고, 그 액을 액펌프로 순환시켜 증발시키는 방식이다. 직접팽창식과 달리 증발기 출구는 액과 증기의 혼합물이며, 저압수액기에서 증기와 액을 분리한다.

저압수액기는 증기와 액을 나누는 역할을 하고, 액펌프는 액을 증발기에 공급하는 역할을 한다. 두 기기가 있어야 증발기 내부가 항상 액으로 채워진다.

원리는 다음과 같다. 증발기 관군 전체가 액으로 젖어 있으면 열전달 계수가 높아지고 증발 면적을 모두 쓴다. 만액식 증발기는 관군 전체가 액냉매로 젖어 전열 면적을 모두 활용한다 출구의 혼합물은 저압수액기로 돌아와 분리되고, 증기는 건포화 증기 상태로 압축기에 들어간다. 분리되지 않은 액은 다시 증발기로 순환한다.

절차는 다음 순서로 진행된다.

• 응축기에서 나온 고압 액이 고압수액기를 거쳐 팽창밸브에서 교축된다(3→4, 엔탈피 일정).
• 교축된 저압 액·증기 혼합물이 저압수액기로 들어가 증기와 액이 분리된다.
• 액펌프가 저압수액기의 액을 증발기로 보낸다.
• 증발기 관 주위에서 액이 증발하며 냉동 부하를 흡수한다(4→1).
• 증발기 출구의 혼합물이 저압수액기로 돌아와 다시 분리된다.
• 분리된 건포화 증기가 압축기로 흡입되어 압축된다(1→2).
• 응축기에서 응축되어 고압 액이 된다(2→3).

냉동능력과 성능계수는 다음 식으로 구한다. 여기서 m_r은 증발하는 냉매 질량유량(kg/s), h_1은 압축기 흡입 건포화 증기 엔탈피, h_2는 압축기 토출 엔탈피, h_4는 증발기 입구 액 엔탈피(kJ/kg)이다.

$Q_e = m_r (h_1 - h_4)$

$W = m_r (h_2 - h_1)$

$COP = \frac{Q_e}{W} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}$

증발기로 보내는 액량 m_c와 증발량 m_r의 비를 액순환비 f = m_c / m_r 로 정의한다. 액순환비가 클수록 관군이 액으로 더 잘 적셔지지만, 펌프 동력과 저압수액기 용량이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

만액식 증발기 냉동장치의 기준은 주로 고압가스 설비와 냉동 설비에 관한 법규와 기술기준으로 정해진다. 대표적인 법은 고압가스 안전관리법이며, 냉매가 독성·가연성인 경우 설비 안전 기준이 더 엄격하게 적용된다. 암모니아는 대형 설비에서 만액식 증발기와 함께 자주 쓰인다.

설계 수치는 다음 표와 같다.

액순환비는 설계 조건에 따라 달라지므로, 표의 값은 계산의 출발점으로만 쓴다. 액면 제어는 저압수액기의 플로트 밸브가 담당하며, 액면이 낮아지면 증발기에 액이 부족해지고 압축기 흡입에 액이 섞이면 액백 현상이 생긴다. 이 두 조건을 동시에 만족시키는 것이 설계의 핵심이다.

액순환비에 따른 액 공급량 계산은 m_c = f \cdot m_r 로 쓴다. 압축기 흡입 증기는 건포화 상태이므로 과열도는 0으로 보고 h_1을 포화 증기 엔탈피로 잡는다.

6. 유형과 비교

만액식 증발기는 증발기 내부를 액냉매로 가득 채우는 방식이다. 냉매 공급 방법에 따라 만액식(Flooded Evaporator)과 직접팽창식(Direct Expansion Evaporator)으로 나뉘고, 만액식은 다시 액펌프 순환식과 중력 공급식으로 나눈다. 대형 냉동기는 만액식을, 소형 냉장장치는 직접팽창식을 주로 쓴다.