냉동기 팽창밸브 원리 - naengdong-gi paengchangbaelbeu wonli

1. 팽창밸브의 종류와 특징

(1) 역 할 : 응축기에서 응축된 고온·고압의 액냉매를 증발기에서 증발하기 쉽도록 저온 저압의 액냉매로 만들고 부하변동에 따라 적당한 냉매량을 증발기에 공급해 주는 기기이다.

(2) 종 류

A. 수동식 팽창 밸브(Manual expansion vale)

가. 특 징

① 후레온 및 암모니아용으로 이용되며 재질은 주철제이다.
② 냉동부하의 변동에 대응하여 수동에 의해 냉매 소요량을 조절공급한다.
③ 미세한 유량을 제어하기 위해 니들밸브 (Needle valve)로 되어 있다.
④ 온도식 자동팽창 밸브나 저압측 플로우트 밸브를 사용하는 곳에 고장시를 대비해
바이패스(Bypass)용으로도 이용된다.

나. 팽창밸브를 과도히 잠그었을 때 장치에 미치는 영향

① 저압이 저하된다.
② 흡입가스 과열로 압축기가 과열될 우려가 있다.
③ 오일의 열화 및 탄화로 윤활불량을 초래한다.
④ 토출가스 온도가 상승된다.
⑤ 냉동능력이 감소된다.
⑥ RT당 소요동력이 증대된다.

B. 모세관 팽창 밸브(Capillary tube)

가. 특징

① 주로 소형 냉동기 즉 증발부하가 적은 곳에 사용되며 가정용 냉동기,
창문형에어콘 쇼케이스 등에 이용된다.
② 조절이 불필요하고 구경이 작은 배관으로 제작되며 재질은 동을 이용한다.
③ 냉동기 정지시 고저압이 바란스(Balance)되므로 기동시 기동부하가 적게 든다.
④ 모세관의 압력강하 정도는 직경의 자승에 반비례하고 길이에 비례한다.
⑤ 길이가 같을 때 굵기가 가늘수록, 굵기가 같을 때는 길이가 길수록 압력강하가 크다.

모세관의 길이 결정방법

① 4-5m 정도의 모세관을 준비한다.
② 모세관과 응축기를 매니폴드 게이지에 접속시킨다.
③ 압축기를 기동하여 고압게이지의 압력이 150-160lb/in2가 되도록 점차 끊어낸다.

C.정압식 자동 팽창 밸브(Constant pressure expansion vale)

① A.E.V(automatic expansion vale)라고도 한다.
② 벨로우즈와 다이어프램을 사용하는 것이 있으며 작동원리는 동일하다.
③ 증발압력이 높아지면 밸브가 닫히고 낮아지면 밸브가 열려 증발압력을 항상
일정하게 유지하며 개폐된다.
④ 냉동부하의 변동에 관계없이 증발압력에 의해서만 작동되므로 부하 변동이 적은

소용량 에적합하며 냉동부하의 변동이 심한 곳에 사용되면 과열압축 및

액압축이 발생되기 쉽다.
⑤ 냉동기가 정지하면 증발압력이 상승하여 자동적으로 밸브가 닫힌다.
⑥ 냉수 또는 브라인의 동결방지용으로도 사용된다.

밑에 있는 육각 볼트를 풀고 그 안에 ㅡ자 드라이버로 볼트를
오른쪽으로 돌려 잠그면 냉매가 줄어들고, 왼쪽으로 돌려서 풀면 냉매가 늘어난다.

팽창밸브를 과도히 잠그었을 때 장치에 미치는 영향

① 저압이 저하된다.
② 흡입가스 과열로 압축기가 과열될 우려가 있다.
③ 오일의 열화 및 탄화로 윤활불량을 초래한다.
④ 토출가스 온도가 상승된다.
⑤ 냉동능력이 감소된다.
⑥ RT당 소요동력이 증대된다.

D.온도식 자동 팽창 밸브(Thermal expansion vale)

① 증발기 출구의 흡입증기 냉매의 과열도를 일정하게 유지하며 개페된다.
② 1 /2-5HP정도의 후레온 건식증발기를 사용하는 곳에 주로 사용된다.
③ 냉동부하의 변동에 따라 개도가 조절되는 구조로 되어 있다.
(부하가 감소되면 밸브가 닫히고 증가하면 밸브가 열린다.)
④ 본체의 구조에 따라 벨로우즈(bellows)식과 다이어프램(diaphragm)식이 있으며
감온구의 충전방식에 따라 가스충전식, 액충전식, 크로스 충전식으로 구분된다.
⑤ 온도식 자동 팽창 밸브(T.E.V)개폐에 작용하는 힘.
㉠ 감온통에 봉입된 가스압력이 다이어프램에 작용하는 힘(P1)
㉡ 증발기 내의 냉매의 증발압력(P2)
㉢ 과열도 조절나사의 스프링의 압력(P3)

※ P1>P21+P3……밸브가 열림
P1<P2+P3……밸브가 닫힘

감온통의 설치위치

㉠ 증발기 출구의 흡입관 수평부분에 설치하되 트랩(trap)이 있는 곳을 피해야 한다.
㉡ 흡입관경이 7/8in(20mm)이하인 경우는 흡입관 상부에, 7/8in(20mm)이상인 경우는
흡입관 수평에서 45℃하부의 위치에 밀착하여 부착시킨다.
㉢ 외기흐름의 영향을 받는 곳이나 감온통의 감도를 증가시켜 주기 위해 흡입과 내에
포켓을 설치하여 삽입하여 준다.

E. 파일로트 온도식 자동팽창 밸브(Pi;ot thermal expansion vale)

① 온도식 자동팽창 밸브(T.E.V)의 단독용량에는 한계가 있어 냉동능력 100-270RT의
대용량이 되면 많은 유량이 필요로 하게 되고 액관이 굵어지므로 이 팽창밸브를 사용
② 파일로트 T.E.V의 개도에 비례하여 주 팽창밸브가 열린다.
③ 파일로트T.E.V전에 전자밸브와 여과기를 설치하여 준다.

㉠ 전자 밸브의 역할 : 운전시 열리고 정지시 닫힌다.
㉡ 여과기의 역할 : 파일롯트T.E.V나 주 팽창밸브의 소공(bleeder hole)폐쇄방지

2. 전자밸브(SOLENOID VALVE)_

(1) 역할 : 전기적인 조작에 의하여 밸브본체를 자동적으로 개폐하여 유량을 제어한다.

(2) 종류 및 작동원리

① 직동식 전자밸브(direct operative solennoid vale) : 전자 코일에 전류가 흐르면
전기자(plunger)가 들어 올려져 밸브가 열리게 되고 전류가 차단되면 전기자의
자중(自重)에 의해 밸브는 닫히게 되며 밸브시트(변좌)의 제한으로 소용량이 사용된다.

② 파일로트식 전자밸브 (pilot operative solennoid vale) : 대용량에서는 필연적으로
전기자 및 밸브의 구조가 커지게 되어 전자코일의 힘만으로는 확실한 밸브의 작동을
기대할 수 없기 때문에 밸브와 전기자를 분리한 파일로트 전자밸브가 사용되며 주

밸브는 출·입구 압력에 의해 개폐된다.

(3)전자 밸브 설치시 주의사항

① 출입구를 확인하여 유체의 흐름방향(화살표 방향)과 일치시켜야 한다.
② 코일부분이 상부에 위치하도록 수직으로 설치하여야 한다.
③ 전자밸브 직전에는 가능한 한 여과기를 설치하여야 한다.
④ 용량에 맞추어 사용하고 사용전압에 유의하여야 한다.
⑤ 용접시에는 코일부분이 타지 않도록 주의해야 한다.

3. 팽창밸브의 능력계산

C1/(P1/P2)0.3

C2 : 기준상태 이외의 능력(냉동톤)
C1 : 기준상태에서의 능력(냉동톤)
P1 : 기준상태에서의 고저압 압력아(kg/cm2)
P2 : 상태가 변화된 때의 고저압 압력차(kg/cm2)

팽창밸브의 기능 및 종류

1. 팽창밸브의 기능

응축기에서 상온의 물이나 공기에 의하여 응축된 고온 고압의 냉매액을 증발기에서 증발하기 쉽도록 압력과 온도를 내려주고 또한 부하변동에 따라 적정한 냉매량을 증발기에 공급

2. 팽창밸브의 종류

 가. 수동식 팽창밸브(Manual Expansion Valve : M.E.V)

  1) 팽창밸브 중에서 가장 먼저 사용되었으며 NH3 냉동장치에 주로 사용됨

  2) 온도식 팽창밸브나 저압측 플로우트 밸브를 사용하는 곳에서 고장을 대비한 바이패스 팽창밸브로 사용함

  3) 구조는 일반밸브와 유사하나 니들밸브를 사용하며, 시계 방향으로 돌리면 유량을 감소시키고 반시계 방향으로 돌리면 증가함

  4) 부하변동에 따라 수동으로 밸브를 조절해야 하는데 과다하게 개폐하면 여러 면에서 악영향이 발생할 수 있으므로 밸브 조작시 신중을 기해야 함

 나. 정압식 팽창밸브(Automatic Expansion Valve : A.E.V)

  1) 일반적으로 벨로우즈(bellows)와 다이어프램(diaphragm) 등을 사용함

  2) 작동은 증발압력이 높아지면 변이 닫히고 낮아지면 열려 증발압력을 일정하게 유지함

  3) 부하변동에 대응하여 유량 제어가 가능함

  4) 소용량의 냉동장치에 주로 사용됨

다. 온도식 팽창밸브(Thermostatic Expansion Valve : T.E.V)

그림 1                                       그림 2

온도식 팽창밸브는 증발기 출구의 냉매가스 과열도(superheat)에 대응하여 증발기로 공급하는 냉매유량을 제어하는 밸브로 증발기 전체를 유효하게 이용하고 흡입관을 통하여 압축기로 액냉매가 되돌아오는 것을 방지하는데 그 목적이 있다. 증발기 내에서 냉매가 액을 흡수하여 팽창밸브를 동작시킨다. 그러나 팽창밸브는 증발기에서 나오는 냉매의 과열도에 따라 동작하는 것이기 때문에 증발기의 일부는 과열도를 얻기 위하여 가스화해 있는 것이 필요하다. 온도식이라고 불리는 까닭에 증발기 내의 냉매증발온도를 일정하게 유지하는 것이라고 생각하는 것과는 다르기 때문에 이 온도는 증발온도와 흡입가스 온도차로 과열도가 일정히 유지되도록 밸브개폐를 조절하는 기능을 갖는 적정한 과열도(3~8℃)를 유지한다.

1) 동작

                                         [그림 3] 

 그림 3에서는 온도자동 팽창밸브의 원리를 나타내고 있다. 그림 속의 3개 압력이 팽창밸브 동작을 결정한다. P1 = 감온통 측의 가스압력(이 압력은 감온통의 온도에 대응하고 있음)으로 diaphragm(격판)의 위쪽에 작용하여 밸브를 여는 방향의 힘이다. P2 = 증발압력으로 내부균압의 구멍을 통하여 격판의 아래쪽에 작용한다. 밸브를 닫는 방향의 힘이다. P3 = 과열도를 얻기 위한 스프링 힘에 등가한 압력이고 격판의 하측에 작용한다. 밸브를 닫는 방향의 힘이다. 정상상태에서는 이 세 가지 힘은 일정하게 균형이 유지되고 다음식이 성립한다.

 P1 = P2 + P3

                         [그림 4]                                                            [그림 5]

그림 4에서는 R12를 사용한 냉각장치의 증발기를 예로 들고 있다. 증발온도는 5℃(2.7㎏/㎠g)이다. 팽창밸브에서 감압되는 냉매는 포화액과 증기의 혼합물이 되고 증발기 입구의 A점으로 간다. 냉매가 앞으로 흘러감에 다라 열을 흡수하고 증발한다. 액냉매가 전부 증발하는 점을 B라고 하면 그 점까지 사이의 냉매의 온도는 5℃로 일정하게 유지된다. B점을 넘으면 냉매는 기체만으로 되어 열을 흡수하여 온도가 올라가지만 압력은 2.7㎏/㎠g로 일정하게 유지된다. 증발기 출구인 C점에서 10℃가 된다. 따라서 C점에서의 과열도는 5deg℃이다. 이것을 압력밸런스로 보면 밸브는 +10℃에 상당하는 압력 3.3㎏/㎠g로 열림 방향으로 움직이려고 하고 +5℃에 상당하는 압력 2.7㎏/㎠g와 5deg의 superheat와 동등한 스프링압력 0.6㎏/㎠g가 더해져 합계 3.3㎏/㎠g의 힘이 작용하여 평형상태를 유지한다. 증발기의 부하가 증가하면 증발기 출구의 냉매온도가 올라간다. 이 온도 상응에 따라 감온통 측의 가스압력 P1이 증가하고 팽창밸브를 열 수 있도록 작동한다. 냉매유량이 증가하면 증발압력 P2도 올라가 결국 다시 밸런스하는 점에 자리잡는다.

거꾸로 부하가 감소하면 밸브는 닫는 방향에 동작한다.  Multi-vaporator 시스템과 증발압력 조절 등이 사용되는 경우에는 증발압력은 변화하지 않고 팽창밸브는 온도만으로 동작한다. 팽창밸브 열림이 증가한 경우의 새로운 밸런스 점에서는 격판과 스프링 탄성계수에 따라 원래의 열림 경우보다 약간 과열도가 증가한다. 역으로 부하가 줄면 과열도는 약간 감소한다. 이러한 부하 변동에 대응하는 과열도량을 정적 과열도라고 한다. 냉동기가 정지해 있을 때 팽창밸브를 닫아두기에 충분한 스프링 힘이 정적 과열도가 되는 것이다. 부하 또는 팽창밸브의 용량은 밸브가 전개가 될 때까지는 대개 과열도에 비례한다. 정격용량으로 팽창밸브가 동작하는 데에 필요한 과열도의 양(그림 4에서 A, B의 간격)을 과열도 구배라고 한다.

가. 내부균압식(내균식)

그림 3, 그림 4의 밸브를 내부균압식 자동팽창밸브라고 한다. 내부균압식은 증발압력(P2)을 온도검출부(증발기 출구 측)가 아니고, 팽창밸브 출구에서 검출하기 때문에 정확한 증발압력은 얻기 어렵고 증발기 안에서 발생하는 압력손실은 모두 과열도의 증가가 되어 나타난다. 그 때문에 과열도분만큼 냉동능력이 감소한다. 따라서 이 형식은 증발기 내부의 압력손실이 포화용도로 환산하여 1.2deg 이하의 경우에 사용된다.

나. 외부균압식(외균식)

그림 6-1(내부균압의 경우)                         그림 6-2(외부균압의 작용)

그림 6 외부균압식 온도자동팽창밸브의 작용(R12)

그림 6-1에서와 같은 운동상태에서 증발기 입구에서의 증발온도가 5℃일 때 압력은 2.7㎏/㎠g이 된다. 증발기를 냉매가 통과해 가는 동안에 0.6㎏/㎠g의 압력강하가 있었다고 하면 증발기 출구의 C점에서는 2.1㎏/㎠g의 압력이 된다. 지금 팽창밸브에서는 격판의 하면에서 증발압력 2.7㎏/㎠g와 과열도 5℃에 상당하는 스프링 압력 0.6㎏/㎠g의 합성력 3.3㎏/㎠g의 힘이 작용하고 있기 때문에 격판 상면에도 3.3㎏/㎠g의 압력이 작용하고 있지 않으면 평형하지 않게 된다.

즉 C점에서의 압력 2.1㎏/㎠g에 대응하는 포화온도는 0℃이다. C점에 가까운 B점은 냉매가 증발을 완료한 점으로 이 점에서의 냉매온도가 0℃인 것을 나타내고 있다. B점에서 C점까지 냉매증기는 서서히 온도가 상승하고 C점에서는 10℃(과열온도 10℃)가 된 상태로 운전은 안정상태이다. 이것은 10℃에 상당하는 포화압력은 3.3㎏/㎠g으로 감온통 내의 가스압을 증발기 출구 가스온도가 10℃가 되지 않으면 이 압력에 도달하지 않는 것을 의미하고 있다. 이처럼 내부균압식 팽창밸브를 사용했을 때 증발기 내의 압력강하가 크면 과열도가 커져 좋지 않은 상태가 생긴다. 그래서 이것을 보정하여 적정한 과열도를 유지하기 위해 외부균압식이 이용된다. 외부균압식 팽창밸브는 그림 6-2에서처럼 밸브 본체에 접속부를 설치하여 균입관을 접속하고 증발기 출구 압력이 격판을 하면에 작용하도록 한 것이다. 지금 A점에서는 증발온도 5℃, 압력 2.7㎏/㎠g로 하여 증발기 내의 압력강하를 0.6㎏/㎠g로 하면 C점에서는 압력이 2.7㎏/㎠g가 된다. 이 압력은 즉시 균압관에 의하여 팽창밸브에 연결되고 격판 하면에는 증발기 내의 압력강하에 관계없이 정확히 증발기 출구 압력 2.1㎏/㎠g가 작용한다. 따라서 스프링 압력 0.6㎏/㎠g를 더한 2.7㎏/㎠g의 압력이 격판 상면에서 더해지면 좋게 된다. 이 2.7㎏/㎠g의 압력은 포화온도 5℃이기 때문에 C점의 압력 2.1㎏/㎠g의 포화온도 0℃에 비교하여 5℃만 높은 온도라고 하는 것으로 C점에서는 5℃가 유지된다. 따라서 외부균압식의 사용은 과열도를 10deg으로 바꾸게 되고 이렇게 커다란 압력강하를 발생시키는 증발기에서는 외부균압식을 사용함으로 인해 능력을 감소할 뿐만 아니라 증발기를 효율적으로 사용할 수 있다.