유분리기

왜 배우는가: 유분리기는 압축기에서 토출되는 냉매가스에 섞인 윤활유를 걸러내 압축기 윤활 부족과 응축기·증발기 전열면 오염을 막는 핵심 부속기기다. 암모니아 등 유분 혼입에 민감한 냉동장치와 대형 냉동설비 설계에서 반복적으로 다뤄지며, 설치 위치와 분리 원리를 묻는 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제132회 2교시 4번, 제121회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유분리기는 압축기 토출가스 중에 혼입된 냉동기유를 분리하여 압축기로 되돌려 보내는 장치다.

• 유분리기(Oil Separator)
• 토출가스
• 냉동기유
• 유회수
• 관성 분리
• 통과유속
• 압축기 윤활

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 압축기가 냉매 가스를 밀어 올릴 때 윤활유도 함께 밀려 나가는데, 이 기름을 가스에서 떼어 내는 장치가 유분리기다. 기름이 응축기와 증발기로 넘어가면 열전달이 떨어지고 압축기는 기름이 부족해져 고장이 난다.

정식으로는 압축기와 응축기 사이의 토출가스 배관에 설치하여 토출가스 중에 혼입된 윤활유를 분리하는 장치로 정의한다. 분리된 기름은 압축기 크랭크케이스로 되돌리는 유회수 경로를 가진다.

분리 원리는 관성 분리와 중력 분리, 충돌(여과) 분리, 원심 분리로 나뉜다. 토출가스의 속도를 낮추거나 방향을 급격히 바꾸면 무거운 유적이 용기 바닥으로 떨어진다. 가스 속도가 너무 크면 기름 입자가 다시 끌려 나가므로 통과유속 기준을 둔다.

소형 프레온 장치에서는 기름이 적게 나와 분리 효율 요구가 낮지만, 대형 암모니아 장치나 스크루 압축기에서는 기름 혼입률이 높아 분리기가 필수다. 분리 효율이 떨어지면 기름이 증발기 벽면에 쌓여 전열을 방해하고, 냉매 순환량과 냉동능력이 함께 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 냉동장치는 기름과 냉매가 섞여 순환해도 큰 문제가 드러나지 않았다. 그러나 압축기 용량이 커지고 스크루·왕복동 압축기처럼 윤활유를 많이 쓰는 형식이 늘면서 토출가스 중 기름 양이 많아졌다. 기름이 응축기 전열관에 얇은 막으로 쌓이면 응축 압력이 올라가고 전력 소모가 증가한다.

또 기름이 증발기로 넘어가면 만액식 증발기 바닥에 고이거나 저압 측에 잔류한다. 이 상태에서 압축기로 돌아가는 기름이 부족하면 베어링과 실린더 마찰이 커져 소손이 일어난다. 이러한 문제를 막기 위해 토출 측에서 기름을 먼저 걸러내는 장치가 필요해졌다.

유분리기는 이 배경에서 등장한 기기로, 압축기 보호와 열교환기 효율 유지를 동시에 맡는다. 냉동장치 부속기기 가운데 수액기, 액분리기, 유회수장치와 함께 냉매 흐름을 안정시키는 역할을 한다.

4. 구성요소·원리·절차

유분리기(Oil Separator)는 압축기 토출가스에 섞여 나오는 윤활유 미립자를 분리하는 장치다. 설치 위치는 압축기 토출관과 응축기 사이다. 윤활유가 응축기나 증발기로 넘어가면 열교환 면에 유막이 생겨 열전달이 떨어지므로 분리가 필요하다.

유분리기는 토출가스 속 윤활유를 분리해 압축기로 되돌려 보내는 장치다.

표의 구성요소는 본체, 분리 요소, 유면 제어부로 나뉜다. 분리 요소의 형태가 방식을 결정한다. 본체는 설계 유속을 만족하도록 지름을 정한다.

분리 원리는 세 가지로 설명한다. 첫째는 관성 충돌이다. 가스 흐름 방향을 바꾸면 무거운 기름방울은 직진하여 배플 벽에 부딪혀 모인다. 둘째는 원심 분리다. 나선 날개로 가스를 선회시키면 원심력으로 기름방울이 벽면으로 밀린다. 셋째는 중력 침강이다. 유속이 낮아지면 커진 기름방울이 중력으로 하부에 떨어진다. 방울이 커질수록 분리가 쉬우므로 충돌식과 원심식은 방울을 키우는 구조를 함께 쓴다.

연구 사례로 원심식 유분리기의 헬릭스 피치를 바꾼 수치해석이 있다. R22 냉매와 광유 방울을 대상으로 하였고, 피치에 따라 분리효율은 97.5~99%, 압력강하는 5~6.5kPa로 나타났다. 두 값을 함께 고려해 피치 50mm를 설계값으로 선정하였다. 이 결과는 분리효율과 압력손실이 서로 상충함을 보여준다.

통과 유속은 다음 식으로 계산한다.

$v = \frac{Q}{A}$

여기서 v는 셸 내 가스 유속(m/s), Q는 가스 체적유량(㎥/s), A는 셸 단면적(㎡)이다. 예를 들어 Q = 0.1㎥/s, A = 0.25㎡이면 v = 0.4m/s이다. 이 값이 설계 유속 이하인지 확인하고, 초과하면 셸 지름을 키운다.

분리 절차는 다음과 같다.

• 압축기 토출가스가 유분리기 입구로 들어와 속도가 줄어든다.
• 배플이나 원심 날개로 흐름이 바뀌며 윤활유 방울이 벽에 모인다.
• 모인 기름은 하부 저장부에 고인다.
• 가스는 상부 출구로 나가 응축기로 간다.
• 저장유는 유면 플로트 밸브를 거쳐 압축기 크랭크케이스나 저압측으로 돌아간다.

5. 관련 법령·기준·표준

유분리기는 고압가스 안전관리법에 따른 냉동제조 시설 기준과 고압가스 기술기준(KGS 코드) 적용을 받는다. 설계 유속과 설치 위치는 이 기준과 제작사 설계 기준을 따른다.

표에서 통과 유속 기준은 설계 기준이므로 시험 답안에는 관련 기준이 정한 값 이하로 쓰고, 분리효율과 압력강하는 원심식 설계 예로 설명한다. 설치 위치는 압축기 토출 직후가 원칙이다.

법정 기준은 고압가스 안전관리법의 냉동제조 시설 기준이 기본이다. 시설 기준 조문 번호는 답안에 쓰지 않고 기준 이름만 쓴다. 개정 연혁은 근거가 없으므로 답안에는 적용 기준 이름만 쓴다.

6. 유형과 비교

유분리기는 분리 원리에 따라 크게 관성식, 원심식, 여과식, 충돌식(또는 복합식)으로 나눈다. 실무에서는 토출가스의 속도를 급격히 줄이거나 방향을 바꿔 윤활유 방울을 떨어뜨리는 관성식과 원심식이 주로 쓰인다. 아래 표는 방식별 분리 원리와 적용 특성을 비교한 것이다.

표에서 보듯 관성식은 구조가 단순하고 압력손실이 작아 암모니아 장치와 대형 왕복동 압축기에 널리 쓰인다. 원심식은 선회 날개나 나선 구조로 효율을 높인다. 여과식은 미세 유적 처리에 유리하나 압력손실 관리가 필요하다.