제상장치

왜 배우는가: 냉동장치의 증발기는 공기 중 수분이 서리로 붙어 성능이 떨어지므로, 제상은 냉동 운전의 효율과 안정성을 지키는 기본 조작이다. 제상 방식의 종류와 특징은 공조냉동기계기술사 시험에서 반복해서 출제되는 항목이다.

출제 이력: 제114회 4교시 3번, 제113회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 제상(Defrost)은 증발기 표면에 생긴 서리와 얼음을 제거하여 냉각 성능을 회복시키는 운전 조작이다.

핵심 키워드

• 착상(霜)
• 제상(Defrost)
• 증발기 전열면
• 열통과율(K값)
• 제상 주기
• 핫가스 제상
• 써모 뱅크
• 액백 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 냉동기 증발기는 차가운 냉매가 공기에서 열을 빼앗아 냉각하는 장치다. 공기는 항상 수분을 포함하므로 증발기 표면 온도가 0℃ 이하가 되면 수분이 얼어 서리로 붙는다. 이 서리를 녹이거나 떼어 내는 일이 제상이다.

정식 정의는 다음과 같다. 제상이란 증발기 전열면에 생긴 착상층을 가열, 융해, 또는 물 공급으로 제거하여 전열 성능과 송풍량을 회복하는 조작이다. 제상은 자동 제상 운전에서 일정 주기마다 수행되거나, 착상량이 기준을 넘을 때 수행된다.

핵심 용어는 다음과 같다. 착상층은 증발기 표면에 쌓인 서리와 얼음의 층이다. 서리 두께가 늘면 공기 통풍 저항이 커지고 전열면의 열통과율이 낮아진다. 제상 주기는 제상을 실시하는 시간 간격 또는 판단 조건이다. 주기가 짧으면 제상 에너지 손실이 커지고, 길면 착상으로 냉각 능력이 떨어진다.

제상 방식은 열을 공급하는 원천에 따라 나뉜다. 압축기 토출 고온가스를 쓰는 핫가스 제상, 전기 히터를 쓰는 전열 제상, 물을 뿌리는 살수 제상, 축열된 열을 쓰는 써모 뱅크 방식이 대표적이다. 방식마다 열원, 설비, 제상 중 냉동 영향이 다르므로 답안에서는 열원 기준으로 분류하는 것이 명확하다.

제상 중에는 증발기가 냉각 기능을 잠시 멈추므로 고내 온도가 일시적으로 오를 수 있다. 이 때문에 제상 시간은 짧게 잡고, 제상 종료 후에는 증발기 내 잔류 액을 처리하여 압축기 액백을 막아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

증발기 착상은 공기 중 수분이 차가운 전열면에 응결·동결하면서 생긴다. 냉장고나 냉동 창고는 문 개폐, 제품 반입, 외기 유입으로 습한 공기가 계속 들어온다. 그래서 착상은 운전 시간이 길어질수록 누적된다.

착상이 진행되면 냉동장치 성능이 다음 순서로 저하된다. 첫째, 서리층이 두꺼워져 송풍량이 줄고 열통과율 K값이 작아진다. 둘째, 증발 온도와 증발 압력이 낮아진다. 셋째, 압축비가 커지고 체적효율이 줄어 냉동능력이 감소하고 성적계수(COP)가 낮아진다. 넷째, 토출가스 온도가 높아져 실린더 과열과 윤활유 열화가 생긴다. 마지막으로 증발기 출구에서 액 냉매가 압축기로 흡입되는 액압축 위험이 커진다.

따라서 제상은 냉장 제품 보호, 소비 동력 절감, 압축기 보호를 위해 필요하다. 착상을 방치하면 고내 온도 유지가 어렵고, 장비 고장 비용과 에너지 비용이 함께 늘어난다.

제상 방식이 발전한 배경은 설비 규모와 운전 조건이 다양해졌기 때문이다. 소형 냉장고에서는 전기 히터 제상이 간단하고, 대형 냉동 설비에서는 열효율과 운전 연속성을 위해 핫가스 제상이나 써모 뱅크 방식이 쓰인다. 냉동 설비에서 제상 방식을 고르는 기준은 열원 확보, 제상 중 냉각 중단 허용 여부, 설비 설치 공간이다.

이처럼 제상은 단순 청소가 아니라 증발기 성능, 압축기 안전, 에너지 효율을 동시에 관리하는 운전 요소다. 이 점을 답안 서두에서 밝히면 채점에서 개념 이해가 드러난다.

4. 구성요소·원리·절차

제상장치는 증발기 표면에 생긴 착상(서리)을 녹여 열전달 능력을 회복시키는 설비다. 제상방식은 열원에 따라 핫가스 제상, 전열 제상, 물 제상, 공기 제상으로 나뉜다. 각 방식은 열을 공급하는 경로가 다르므로 구성요소도 다르다.

표의 열원 항목은 제상 원리를 구분하는 기준이다. 제상 설비의 크기와 운전 방식은 장치 규모에 따라 선택한다.

핫가스 제상의 원리는 다음과 같다. 압축기 토출가스가 증발기로 직접 들어가 코일을 가열한다. 대형 장치는 응축잠열로 서리를 녹이고, 소형 장치는 고온가스의 현열로 서리를 녹인다. 증발기 출구의 액분리기는 응축된 액냉매를 분리해 액압축을 막는다. 제상이 끝나면 제상밸브를 닫고 정상 운전으로 복귀한다.

전열 제상은 증발기 코일에 설치한 제상히터에 전류를 흘려 서리를 녹인다. 제상 종료는 코일 온도 스위치나 타이머로 판단한다. 히터 열이 냉장고 내부로 새지 않도록 설계하는 것이 중요하다.

물 제상은 공정수나 온수를 증발기 코일 위에 뿌려 착상을 녹인다. 전기 에너지가 들지 않으나 배수 처리와 동파 방지가 필요하다.

축열조 제상은 정상 운전 중 압축기 토출가스를 써모뱅크에 저장해 두었다가, 제상 때 증발기에서 응축된 액냉매를 써모뱅크로 보내 증발시킨 뒤 압축기로 흡입시킨다.

제상 절차는 다음과 같다.

• 제상 개시 조건(시간, 착상량 감지, 압력차 또는 온도차)을 확인한다.
• 압축기 흡입 측 또는 증발기 입구를 차단하고 제상 열원을 증발기에 공급한다.
• 서리가 녹아 배수가 이루어지고, 코일 온도가 설정값에 도달하면 제상을 종료한다.
• 액냉매를 분리하고 증발기 압력을 정상 운전 상태로 되돌린다.
• 제상 후 냉각 복귀 시간(드레인 타임)을 두어 잔여 수분이 얼지 않게 한다.

제상 시간은 짧을수록 냉장실 온도 상승이 적다. 반면 제상이 부족하면 착상이 쌓여 통풍량과 열통과율이 떨어진다. 따라서 제상 주기와 종료 조건을 함께 설계한다.

제상 중 증발기 온도는 상승하므로 제상 주기 동안 냉장실 온도가 일시적으로 오른다. 식품 보관 품질을 위해 제상 시간과 간격을 최소화한다.

5. 관련 법령·기준·표준

제상장치는 냉동기 설계 기준과 안전 기준의 적용을 받는다. 국내 냉동 설비는 고압가스 안전관리 관련 법령과 한국산업표준(KS)의 냉동기 관련 규격을 따른다. 아래 표는 제상 설계에서 흔히 쓰는 기준값과 조건이다.

표의 값은 설계 관행에서 널리 쓰이는 범위다. 실제 설계는 장치 용량과 운전 조건에 맞춰 조정한다.

냉동 설비 기준은 고압가스 관련 법령과 KS 규격을 기준으로 확인하는 것이 일반적이다.

제상 열원 선택 시 고려할 점은 다음과 같다. 핫가스 제상은 장치 내부 열을 쓰므로 운전비가 낮다. 전열 제상은 설비가 간단하나 전력 소비가 크다. 물 제상은 살수 설비와 배수 처리가 필요하다. 축열조 제상은 액압축 방지 효과가 크다.

핫가스 제상 대형 장치에서는 응축잠열을 이용하므로 제상 속도가 빠르다. 소형 장치에서는 현열 제상이 되어 시간이 길어진다.

고온가스를 증발기에 직접 보내므로 배관 압력과 온도 관리가 필요하다. 제상밸브 개폐 순서가 틀리면 압축기에 액이 흡입될 수 있다.

6. 유형과 비교

제상방식은 열원과 가열 방식에 따라 크게 나뉜다. 열원을 냉동장치 안에서 얻는 방식(핫가스 제상, 축열조 제상)과 외부 열을 쓰는 방식(전기 히터, 물 제상, 공기 제상)으로 나눌 수 있다. 실무에서는 설비 규모와 냉장·냉동 온도대에 따라 방식을 고른다.