냉동장치 압력조정밸브

왜 배우는가: EPR, SPR, CPR은 냉동장치의 압력을 설정값으로 유지해 압축기 보호, 증발기 동결 방지, 응축 안정을 확보하는 장치다. 여러 증발기를 한 압축기로 운전하는 설비와 저온 외기 운전에서 자주 쓰이므로 실무 설계와 운전 진단에서 필수적이고, 시험에서도 설치 위치와 목적을 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제134회 1교시 10번, 제128회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

EPR·SPR·CPR은 냉동장치 특정 지점의 압력을 설정값으로 유지하는 자동 압력 조절 밸브다.

• 증발압력 조절
• 흡입압력 조절
• 응축압력 조절
• 설치 위치
• 사용 목적
• 압축기 보호
• 자동 압력 제어

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉동장치 안의 특정 구간 압력을 원하는 범위에 붙잡아 두는 밸브다. 압력이 설정값보다 낮아지거나 높아지면 밸브 개도가 바뀌어 압력을 되돌린다. 정식 용어로는 압력 조절 밸브(pressure regulating valve)라고 하며, 밸브 전후의 압력을 감지해 개도를 자동으로 조절한다는 점이 핵심이다.

세 밸브는 조절하는 압력이 장치의 어느 지점인지로 구분한다. 같은 기계적 구조를 쓰더라도 설치된 위치에 따라 이름과 역할이 달라진다.

증발압력 조절밸브(EPR, Evaporator Pressure Regulator)는 증발기 출구에 설치해 증발기 내부 압력이 설정값 아래로 떨어지지 않도록 한다. 증발기 압력이 낮아지면 증발 온도도 함께 낮아져 저온 쪽 열 부하가 없는 증발기에서 착상이 생길 수 있다. EPR은 이를 막는 역할을 한다. 영문 자료에서는 같은 기능을 Back Pressure Regulator(BPR)라고 부른다.

흡입압력 조절밸브(SPR, Suction Pressure Regulator)는 압축기 흡입 배관에 설치해 압축기로 들어가는 흡입압력이 설정값을 넘지 않도록 제한한다. 흡입압력이 과도하게 높으면 압축기 흡입 밀도가 커져 전동기 부하가 증가하고 과부하 운전이 된다. SPR은 이 구간의 압력 상한을 지킨다.

응축압력 조절밸브(CPR, Condensing Pressure Regulator)는 응축기 출구 쪽에 설치해 응축압력이 설정값 아래로 내려가지 않도록 한다. 외기 온도가 낮으면 응축압력이 과도하게 떨어지고, 그러면 팽창밸브 전후 차압이 부족해 냉매 공급이 줄어든다. CPR은 응축기 내 액 냉매를 일부 막아 응축 면적을 줄이는 방식으로 압력을 유지한다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동장치는 여러 개의 증발기를 하나의 압축기에 연결해 운전하는 경우가 많다. 냉장실과 냉동실처럼 증발 온도가 서로 다른 증발기가 함께 있으면, 가장 낮은 증발 온도에 맞춘 흡입압력이 모든 증발기에 적용된다. 이때 고온 쪽 증발기는 필요 이상으로 낮은 온도에서 운전되어 증발 효율이 떨어지고 착상이 발생한다. 증발압력 조절이 필요한 이유가 여기에 있다.

흡입압력이 필요 이상으로 낮게 유지되면 압축기의 체적 흡입량에 비해 냉매 질량 유량이 줄어 장치 효율이 떨어진다. 영문 운전 지침은 흡입압력을 요구되는 가장 낮은 온도 부하를 만족하는 최고 수준까지 올리라고 권고한다. EPR과 BPR은 이 권고를 실현하는 장치다.

반대로 흡입압력이 높아지는 조건도 있다. 열 부하가 급증하거나 흡입 배관 조건이 바뀌면 흡입압력이 상승해 압축기 과부하와 전동기 과전류가 발생할 수 있다. 흡입압력 조절은 이 상한을 지켜 압축기를 보호하는 목적으로 도입된다.

외기 온도가 낮은 겨울철이나 야간에는 응축압력이 급격히 떨어진다. 응축압력이 낮으면 팽창밸브에 걸리는 압력차가 줄어 증발기에 액 냉매가 충분히 공급되지 않고, 장치 운전이 불안정해진다. 응축압력 조절은 이런 저압 운전 조건에서 장치가 정상적으로 작동하도록 압력 하한을 확보하는 목적을 가진다.

세 밸브는 모두 자동 압력 제어로 장치 안정과 효율을 높인다. 그러나 조절하는 지점과 보호 대상이 다르므로, 설치 위치로 역할을 구분해 답안에 쓰는 것이 기본이다.

4. 구성요소·원리·절차

증발압력조절밸브(EPR), 흡입압력조절밸브(SPR), 응축압력조절밸브(CPR)는 모두 압력을 감지해 밸브 개도를 자동으로 바꾸는 자력식 압력조정밸브다. 밸브 본체에는 설정압력을 정하는 스프링과 압력을 받는 벨로스 또는 다이어프램이 있다. 두 힘이 평형을 이루는 지점에서 밸브 개도가 정해진다.

각 구성요소는 밸브가 감지하는 압력과 설정압력의 차이를 개도 변화로 바꾸는 역할을 한다. 설정압력이 같아도 설치 위치에 따라 밸브가 막는 방향이 달라진다. 따라서 세 밸브는 구조가 같아도 설치 위치와 목적을 함께 기억해야 한다.

EPR은 증발기 출구 배관에 설치한다. 증발압력이 설정값보다 낮아지면 밸브를 닫아 증발압력을 설정값 이상으로 유지한다. 증발압력이 과도하게 낮아지면 증발온도도 내려가 냉각 온도가 필요 이상으로 낮아진다. 다른 증발기가 더 높은 온도를 요구하는 다중 증발기 시스템에서 이 문제가 두드러진다. EPR은 이런 증발기의 온도를 요구 범위 안에 묶어 두는 역할을 한다.

SPR은 압축기 흡입관에 설치한다. 흡입압력이 설정값을 넘지 않도록 흐름을 제한한다. 흡입압력이 과도하게 높으면 흡입 냉매 밀도가 커져 압축기 모터 과부하가 생긴다. 특히 장치를 처음 가동하는 풀다운 구간에서 흡입압력이 빠르게 올라가므로 SPR이 흡입 상한을 잡아 준다.

CPR은 응축기 출구 또는 수액기 입구 쪽 배관에 설치한다. 응축압력이 설정값 아래로 떨어지면 응축기 쪽 냉매 배출을 제한해 응축압력을 유지한다. 외기온도가 낮을 때 응축압력이 과도하게 떨어지면 팽창밸브 전후 차압이 부족해져 냉매 공급이 어려워진다. CPR은 이 차압을 확보하는 역할을 한다.

팽창밸브 전후 차압은 다음 식으로 나타낸다.

$\Delta P = P_c - P_e$

여기서 \Delta P는 팽창밸브 전후 차압[Pa], P_c는 응축압력[Pa], P_e는 증발압력[Pa]이다. 응축압력이 낮아져 \Delta P가 줄면 팽창밸브 유량이 감소하므로, CPR로 응축압력 하한을 유지해야 한다.

세 밸브를 설정하는 절차는 다음과 같다.

• 증발기별 요구 증발온도와 부하 조건을 정한다.
• 가장 낮은 온도 부하를 만족하는 최고 증발압력을 EPR 설정값으로 정한다.
• SPR은 압축기 흡입압력 상한을 정하고, 모터 과부하 한계 이하로 설정한다.
• CPR은 외기온도 변동 범위에서 응축압력 하한을 정하고 팽창밸브 차압을 확보한다.
• 다단 압축 시스템에서는 중간압력을 각 압축기 압력비가 거의 같도록 정한다.
• 운전 중 압력 변화를 확인하고 조정 나사로 재설정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

압력조정밸브 자체의 수치 기준은 제조사 사양과 설계 조건에서 정한다. 냉동 설비의 안전 관리는 「고압가스 안전관리법」에 따른다. 냉동장치의 압력 상한은 설계압력과 안전장치로 관리되므로, 조정밸브의 설정값은 그 한계 안에서 정한다. 설정 기준은 아래 표와 같다.

표의 값 중 접근온도차는 증발기 설계에서 권장되는 기준이다. 이 값이 크면 증발기 용량을 늘리는 방안을 먼저 검토한다. 그 밖의 설정 조건은 부하 조건과 장치 구성에 따라 달라지므로 표에는 기준 방향만 적었다.

개정 연혁으로 보면, 냉동장치 설계는 부하 변동과 에너지 절감 요구에 따라 압력 설정을 세분화하는 방향으로 발전했다. 여러 증발기를 한 장치에서 운전하는 시스템에서는 개별 압력조정밸브 대신 증발기 그룹을 나누는 설계도 함께 쓰인다.