[스크랩] 냉매액 압력 증대 기술

냉매액 압력 증대 기술

1. 개요

냉매액압력증대(LPA)기술은 전기에너지를 절약하면서 냉동시스템 능력증대를 가져왔다 .
액체압력증대는 액관속의 액체 냉매를 작은 원심펌프로 압축하므로써 가능하다 .
그 양은 응축기 출구와 팽창밸브(TXV)입구사이(저장조가 있는 시스텤의 경우 저장조와 TXV입구사이)에서의 압력손실과 같다 .
LPA sytem은 액체 냉매의 압력을 증가시킴으로써, 포화온도는 압력증가 때문에 상승되는 반면 실제 액체온도는 그대로 유지된다 .
액체는 과냉되고, 액관속의 압력이 하강하더라도 냉매는 증발되지 않게 된다 . 액체 원심펌프 모터는 기존 냉동시스템의 외부에
위치하고, 회전익은 회전하는 자기장에 의해 가동된다. 모터는 액체를 압축하면서 아주 작은 에너지와 열을 시스템에 추가한다 .
모터로부터 펌프케이스 밖으로 나오는 구동축이 없기 때문에 시스템은 완전히 봉인되어 있다 .
LPA원심펌프는 약8~20psi정도의 액체압력을 증가시킬 수 있다 .

2. Amblent subcooling

과냉은 주어진 압력하에서 포화온도 이하에 있는 어떠한 액체에서도 존재한다.
과냉의 방법 중 하나는 응축기의 바닥에서 액체를 적절히 식히는 것이다. 이런 헌열의 감소는 액관의 압력이 떨어질 때
냉매액이 증발하는 것을 방지할 수 있다. 이 방법의 결점의 바다에 있는 과냉된 액체가 응축기의 많은 체적을 차지한다는 것이다.
이것은 더 높은 head pressure와 압축비율을 유발하며 냉동 효율성을 낮게 하는 것이다.
응축기 표면적의 감소에 대한 고려 없이 액체의 과냉만을 고려한다면 , 액체과냉의 매 온도당 냉동 능력은1/2%씩 향상을 볼 수 있다.
그러나 head pressure가 상승되기 때문에 7°F과냉을 하기 위해서는 ton당 >167bhp(brake horsepower)의 동력을 소비하게 된다.
우리가 액체의 과냉 때문에 발생하는 응축기 체적 감소를 고려한다면, 증가한 응축 압력과 온도 때문에 응축기 용량에 있어서 손실이
발생한다. " ambient subcooling " 이라고 불리는 이런 타입의 과냉방법은 이제까지 수년간 사용되어 왔기 때문에 비용이 들지 않는
subcooling방식으로 인식되어 있다. 그러나 사실은 그렇지 않으며 Ambient subcooling은 head pressure 상승에 의해 이루어지기
때문에 항상 cost상승을 동반하게 된다. Ambient subcooling은 단지 공기조절만으로도 (주어진 레벨에서) 유지되어질 수 없다.
응축압력은 응축냉매의 온도, 응축기의 유효 응축면적과 직접적으로 관련이 있다. 유효 응축면적은 총 응축면적에서 과열억제
(desuperheatilng) 와 과냉을 위해 사용되는 면적을 공제한 면적이다.
공식은 <유효응축면적 = 총 응축면적 - desuperheatilng과 과냉을 위해 사용되는 면적> 응축기에 의한 desuperheatilng과
액체 과냉이 행해지면 행해질수록, 유효응축면적은 점점 줄어들게 된다.
이것은 응축압력과 압축비율을 상승시키고,더 많은 힘을 필요로하므로 비효율성을 유발하게 된다.

3. 과냉의 또 다른 방법

액체를 과냉하는 더 효율적인 방법은 온도를 상승시키지 않고 액체의 압력을 상승시키는 것이다. 이 방법은 액체에 압력을
가함으로서 더 높은 포화온도를 갖도록 하는 것이다 그러나 실제 액체 온도는 변하지 않고, 더 높아진 포화온도와 실제 액체온도
차이만큼 과냉이 된다. 액체온도는 이제 포화온도이하로 낮게 된다. 액관속의 압력 손실을 막기 위해 과냉된 액체의 압력을 상승
시킴으로써 응축압력은 도달할수 있는 가장 낮은 압력까지 떨어질 수 있다.
가장 낮은 head pressure를 얻는 또다른 방법은 head pressure를 가변하게 하는 것이다.
20°F의 응축온도는 액압증대기술(LPG)을 결합시킨 저온시스템에서는 특별한 것이 아니다.
그러나 만일 head pressure를 대기에 따라 유동 시키면 더 낮은 head pressure는 액체증발을 방지하기 위해 더 많은 과냉을
필요로 할 것이다.

4. An example

액관이 압력이 떨어질 때 점진적으로 낮아지는 압력과 상응해 남은 액체를 포화온도로 차갑게 하기 위해 더 많은 액체가 증기화한다.
8psi의 압력이 떨어지면 flash gas는 (중량으로는)2%가 될 것이다. (100°F응축온(214psi)에서)액관에 있는 gas는 압축될 것이며
액체 배관용량의 단 20%만 차지할 것이다. 그러나 압력을 97psi(50°F)로 떨어뜨리면 플래시 가스는 액체라인의 38%를 점유하게 된다.
이gas는 팽창밸브를 통과하는 액체 흐름을 감소시키고 냉동효과를 적게 하고 작동한 후에 재압축되어야 할 필요가 있다. 다시 시스템의
능력은 떨어지고, 증발기는 냉매가 부족하게 되며 TXV는 불규칙하게 작동하기 시작할 것이다. 완전한 액체상태로 냉매를 TXV에 보내는
것이 LPA시스템의 최고가치이며, 이를 통해 TXV는 적절한 양의 액체를 증발기에 공급할 수 있다.

5. 시스템을 설계하는 더 좋은 방법

과거에 에어컨디션과 냉각시스템 설계자들은 시스템의 외부적인 설계 조건만을 선택했었다.
이런 외부 설계 조건은 대표적으로 온도인데 그러나 그 온도는 그 시스템의 수명동안 약 2%정도의 시간에도 미치지 못하는 조건이었다.
그리고 그 설계 조건에 도달했을 때 겨우 몇 시간만 그것이 지속되었고 응축기는 이 좀처럼 도달되기 힘든 조건에 근거해 선택되었다.
에너지의 가격이 매우 저렴했던 수십년 전에 설계자들은 응축온도를 대기온도보다 20F에서 30°F정도 높게 선택하였다.
더 높은 응축온도와 압력이 냉매의 흐름을 강화시켜 높은 압축비율에서 생기는 비효율성보다 가치있게 평가되었기 때문이다.
이것은 응축온도 압력을 더 높게 해 주어야 하기 때문에 높은 압축비율, 낮은 효율성을 유발하게 된다. 오늘날 상승하는
에너지가격 때문에 대기보다 10°F에서 15°F까지의 응축온도를 가진 더 큰 응축기를 구체화시키고 있다. 낮은 압력비율과 증가된
액체의 과냉으로부터 생기는 에너지 절약부문이 응축기를 크게 하는 비용을 상쇄할 수 있기 때문이다.

6. Metering device

많은 연구 후에 계측밸브 공급자들은 TXV에 순수한 액체냉매가 공급되면 종래에 기대했던 것 보다 훨씬 낮은 압력하강으로
잘 작동할 수 있다는 사실을 발견했다. 현재의 balanced port TXV설계는 저압으로 성능발휘가 잘 되는 것으로 알려지고 있다.
이런 새로운 지식으로 응축압력과 온도는 대기온도와 함께 하강하게 되었다. 사실 미국의 외기온도는 대부분 시간동안70°F이하이다.
압축기능력은 응축온도 매10°F하강시 마다 6%정도 증가한다.
그러나 적절한 액체를 증발기에 공급하기 위해서는 TXV에서 30psi이하의 압력의 하강은 피해져야 한다.
증발기가 최고의 효율을 발휘하기 위해서는 액체가 증발기로 들어갈 때 한gas의 비율이 낮아야 하며 이를 달성하기 위해
팽창밸브에서 증발비율과 똑같은 비율로 액체냉매를 증발기에 공급해야 한다. LPA펌프를 운행시 과냉과 압력이 일정하게
유지될 수 있기 때문에 증발기의 효율성에 많은 영향을 미치는 팽창밸브에서의 냉매의 과잉, 과소공급문제를 최소할 수 있게 된다.
이제까지 높은 head pressure와 온도는 인공적으로 냉동시스템에서 유지되었기 때문에 외기 온도가 낮을 때에 잘 작동하였다.
이러한 높은 압력은 TXV에서 냉매를 적절하게 증발기에 공급되기 위해 필요한 것으로 인식되었다.
이결과 많은 에너지소비와 비효율성을 초래하였다. 오늘날 비효율성은 회사 경상 경비에서 받아들여질 수 없는 부분이다.
LPA는 낮은 head pressure로 에너지 소비 감소, 높은 효율성을 가능케 하고 있다.
LPA시스템의 이점은 다음과 같다.
▶ 액관내 압력손실을 극복함으로써 액체line의 flashing제거
▶ 에너지 비용의 절감, 왜냐하면 LPA에 의한 액압증대는 압축기의 head pressure로 소비한 Energy의 40배 정도까지
효율적이기 때문이다.
▶ 순 냉동효과 증대에 따라 증발기 능력 증대
▶ 더 낮은 응축 비율과 압축기에 대한 부하절감, 이는 압축기의 수명 연장을 의미. 좋던 싫던 간에 고정되고 상승된 head
pressures의 시대는 퇴색되고 있다. 더 이상 소비자들은 비효율적인 것에 기꺼이 값을 지불하지는 않는다.
오늘날의 소비자들은 총체적인 운용비용(기계가격 + 기기의 수명동안 운전비용)에 관심을 두고 있기 때문이다.

4. superheat suppression

과열 억제는 액체 압력증대 방법으로 가능하다.
과열억제과정은 액체냉매를 압축기의 토출배관 또는 응축기의 입구에 투입하는 방법이다.
이 액체는 액압증대(LPA)과정에서 사용된 원심 pump에서 나온다.
액체는 과열 토출가스를 응축온도에 가깝게 차게하는 동안 증발하게 된다.
결과적으로 과열억제(desuperheating)로 응축기 면적은 보다 적게 요구된다. 이는 유용한 응축 면적의 증가를 가져오기 때문에
응축기가 더 효율적이 되게끔 하고 응축기는 전반적인 시스템의 성능을 증가 시킨다.
6%~12%의 절약은 과열억제로 실현될 수 있다. 과열억제 과정은 그 동안 큰 암모니아 설비에서 사용되어져 왔다.
하지만 이 과정은 더 작은 시스템에서는 LPA와 과열억제방법 사용을 촉발시켰다.
LPA의 원심펌프에 의한 압축된 소량의 액체 냉매는 응축기에서 나오는 과열된 증기를 냉각하기 위해 압축의 토출관으로 들어가고,
응축기로 들어가는 낮아진 과열증기는 응축기의 효율성을 높게 하고, 낮은 응축온도, 압축기 효율성을 증대시키는 것을 의미한다.
일부 효율성은 외기 온도가 낮을 때 확인될 수도 있지만 과열억제를 통하여 얻은 가장 큰 이점은 더 높은 외기 온도일 때 그 효율성이
실현된다는 점이다. 액체주입을 통한 과열억제의 또 다른 이점 중 하나는 물과 접해있는 증발 응축코일이 덜 더러워진다는 것이다.
토출과 응축온도가 하강함에 따라 물 속에든 광물을 그대로 유지하려는 물의 능력은 증가한다. 이런 성질 때문에 물은 역용해력을 갖고
있다고 말해진다. 즉, 증발 응축코일은 과열억제에 의해서 생긴 온도감소로 이해 꺠끗하고 물 때없이 유지된다.
이것은 대체적으로 화학적처리를 덜 필요하게 한다.
냉동시스템에서 과열증기의 억제 또는 냉각의 주요장점은 다음과 같다.
▶ 과열증기의 열강도(온도)의 감소 : 과열 증기의 압력과 체적은 감소 될 것이다.
▶ 과열증기의 포화는 빨라지고 결과적으로 응축을 더 빠르게 한다.
▶ 증기의 응축은 응축기의 입구 가까이서 일어나고 결과적으로 더 낮은 응축온도와 좀더 많은 과냉(ambient subcooling)이
될 수 있다.
▶ 전체적으로 응축기의 열교환을 높게 한다. 이것은 액체/수증기 혼합물의 열교환 증가와 유효 응축기 면적의 증가 때문이다.
▶ 토출, 응축된 가스의 온도가 낮아짐으로 인해 증발 응축기의 배관이 덜 더러워진다.

8. subcooling/reheated coil

에어컨디션 시스템에서 증발기는 공기에서 습기를 제거한다.
만일 증발기의 효율성이 증가된다면 더 많은 습기가 제거될 수 있을 것으로 보인다.
기기액화점(apparatus dewpointtemperature:ADP)은 사실상 낮아지고 냉각코일의 습기제거 능력을 향상시킨다.
공기가 에어컨디션의 증발기를 통과하면서 액화점에 도달하고 액체로 된다. 액체는 응결체로서 제거된다. 이 과정을 제습이라고 불린다.
comitioning과정의 다른 부분은 공기가 증발기 밖으로 나올 때 공기를 다시 따뜻하게 하는 것이다.이것은 공기를 가열 팽창하게 한다.
이 팽창된 공기는 습기 흡수 능력을 더 갖게 되고 상대습도(%rh)를 더 낮게 할 것이다.
공기는 입방피트(cubic foot)당 밀도가 작고 비체적이 높다.
이 기법은 공기를 이동하기 적절한 온도와 상대습도수준으로 효율적으로 재가열하는 것이다.
두 가지 기능을 잘 수행하는 것은 운전효율을 강화시킨다.
공기는 LPA펌프의 배출쪽에 연결된 액체 과냉코일과 접촉한다. 액체 과냉 코일은 액체 저장조의 아래쪽으로 위치해 있다.
액관은 코일을 통해 에어컨디션의 direct expansion coil까지 액체가 흐르도록 조정되어 있다.액관의 압력하강은 LAP펌프를 사용하는
경우 정말로 염려할 것이 아니다. 과냉/재가열 코일은 주문제작하고 약4fins per in.을 가진 one pass를 사용하고 팬의 동력은 증가되어
질 필요가 없다.

출처 : 냉동&공조인의 쉼터

글쓴이 : refcom 원글보기

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