압축기 - 압축기의 분류, 용량제어, 압축기의 효율과 각종 계산, 윤활유

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  압축기의 분류

 

  (1) 개방형(open type)

 

    개방형 압축기는 구동방법에 따라 직결 구동과 벨트 구동방법이 있다. 직결 구동방법은 전동기의 축과 압축기의 축이 직접 연결

    되어 동력을 전달하는 방법이고 벨트 구동방법은 전동기와 압축기 사이를 V 벨트로 연결되어 동력을 전달하는 방법이다.

 

 

  (2) 밀폐형(hermetic type)

 

    이 압축기는 전동기와 압축내부에 장착된 압축장치가 같은 하우징(housing)에 장치되어 있어 외부와 밀폐되어 있는 형식인데 

    외부와 안전하게 차단되어 있어서 냉매의 누설이나 소음문제가 약간은 해결되고 소형이면서 과부하 운전이 가능한 장점이 있다.

    밀폐형은 개방형과는 달리 전원이 없는 장소에서는 사용이 곤란하며 분해수리가 어렵고 회전수 변경으로 인한 능력제어가 곤란

    하다. 밀폐형 압축기는 반 밀폐형과 전 밀폐형, 완전 밀폐형의 세 가지로 분류할 수 있다.

 

 

    1) 반 밀폐형(semi hermetic)

      

      이 압축기는 고, 저압측에 서비스 밸브(service valve)가 부착되어 있으며(2개) 이 서비스 밸브로 냉매의 충전(charging)과

      배출(purging)을 하고 볼트로 조립되어 있어서 분해 점검, 수리가 가능하다. 공냉식 반 밀폐형 압축기의 냉각은 흡입가스

      냉각방식을 채택한다. 즉, 증발기에서 흡입된 냉매가스가 모터내부를 통과하면서 구동모터를 냉각시키므로 모터효율을

      향상시키는 타입이다.

 

반 밀폐형 압축기 구조

 

    2) 전 밀폐형(welding type)

 

      이 압축기는 주로 저압측에 서비스 밸브가 부착되어 있는데(1개) 수리를 마친 후에 냉매를 충전하는데 주로 사용한다. 또한

      모터부분은 주로 상부에 위치하고 압축장치는 하부에 있으며 만일 수리해야 할 경우에는 항징을 떼어내야 한다.

 

전 밀폐형 압축기의 외형

 

    3) 완전 밀폐형(hermetic type)

 

      이 압축기는 서비스 밸브가 전혀 없고(0개) 대신 서비스는 니플(nipple)에 의해서 실시한다. 마찬가지로 밀폐되어 있어서 내

      부 파악이 곤란하며 수리 경우도 하우징을 벗겨 내야 한다. 주로 소형 가정용 냉장고나 창문형 에어컨디셔너(window type

      air conditioner)에 사용된다.

 

완전 밀폐형 압축기

 

분류	장점	단점
개방형	1. 풀리로 회전수 조절 2. 볼트 조립으로 분해수리 가능 3. 압축기 외 구동 원으로 가능	1. 외부와 관통으로 누설 우려 2. 소음이 심하다 3. 좁은장소에 설치곤란
밀폐형	1. 냉매의 누설이 없다 2. 소음이 적다 3. 소형이며 가볍다 4. 과부하 운전이 가능	1. 회전수 임의 조정 불가능 2. 흡입가스 과열시 모터권선 가열 3. 전원이 없는 장소 사용 곤란 4. 분해 수리가 곤란 5. 회전수 변경이 곤란해 능력제어 곤란

 

 

 

  압축방식에 의한 분류

 

  (1) 왕복동 압축기(reciprocating type compressor)

 

  이 압축기는 냉매가스의 흡입과 압축, 토출이 피스톤의 왕복운동으로 이루어지며 실린더의 설치위치에 따라서 횡형과 입형으로 구분

  하며 피스톤의 작동이 한쪽 또는 양쪽에서 이루어지는가에 따라서 단동식과 복동식이 있으나 현재는 단동식 입형만이 사용된다. 실

  린더의 수는 배관내부의 냉매가스 유동을 균일하게 하고 크랭크의 회전력의 균형을 위하여 소형이라도 2개 또는 그 이상으로 한다.

 

    1) 횡형 압축기(horizental)

 

    이 압축기는 주로 암모니아용 복동식으로 주로 대형 단기통 형식이며 압축을 양측으로 하고 안전두(safety head)가 없고 톱클리어

    런스(top clearence)는 3mm 정도이므로 체적효율이 좋지 않다. 냉매누설이 많고 설치면적이 크며 무겁고 진동이 심해서 최근에

    는 사용하지 않는다.

 

    2) 입형 압축기(vertical type compressor)

 

    이 형식은 피스톤이 상하로 작동하며 단동형이고 암모니아용으로 많이 사용한다. 특히 개방형에 사용 할 때에는 크랭크 축이 크랭크

    실을 관통하므로 누설을 방지하기 위하여 축봉장치를 반드시 설치한다. 기통수는 1~4기통이지만 주로 2기통을 사용한다. 톱클리어

    런스는 0.8~1mm 정도로 작게 할 수 있어 체적효율을 향상시킨다.

    암모니아나 프레온 용으로 주로 제작되며 암모니아의 경우는 워터자켓(water jacket)을 설치하고 프레온용일 경우는 냉각 핀(fin)

    을 부착하여 방열효과를 높인다. 회전수는 암모니아용은 250~400rpm, 프레온용은 700rpm 정도이다.

 

 

  (2) 회전식 압축기(rotary type)

 

  이 압축기는 매우 일찍 개발되었으나 생산에서 고도의 기술과 조립기술 즉, 부품간의 틈새가 미크론(micron) 단위로 유지되어야 하

  기 때문에 1980년대에 들어서 대중화되었다. 왕복동 형식은 냉매를 흡입하고 토출하는 작용을 피스톤의 왕복운동으로 하는데 비해

  회전식은 회전자의 회전으로 이러한 작용을 한다.

  처음 기동할 때에는 회전자가 원심력이 적어서 회전자가 실린더 벽에 꼭 밀착하지 못한 상태이므로 처음 기동 전력소비는 적다. 회전

  자가 완전한 회전수 1,000rpm에 도달하면 실린더에 완전 밀착하게 되어 흡입과 토출이 동시에 행해진다. 따라서 압축이 연속적으로

  이루어지므로 고진공을 얻을 수 있어서 진공펌프로 많이 사용한다.

  또한 잔류한 냉매의 재팽창으로 체적효율의 저하가 적고 기동시 무부하로 기동이 가능하여 전력소비가 적다. 종류에는 회전 피스톤과

  한 개의 고정 블레이드(blade) 및 실린더 내면과의 접촉으로 압축하는 고정 블레이드 형과 회전 피스톤과 함께 블레이드가 실린더 내

  면에 접촉하면서 회전하여 압축하는 회전익형이 있다. 

 

 

회전식 압축기의 장, 단점

장점	단점
1. 소형으로 설치면적이 작다 2. 흡입밸브가 없다 3. 토출냉매의 온도가 낮다 4. 체적효율이 압축비에 비해 높다 5. 액 및 오일 햄머링이 적다 6. 작동이 정숙하고 진동이 작다 7. 부품수가 적	1. 오일분리기와 오일 쿨러가 큰 편이다 2. 폭과 높이가 짧은 반면 길이가 길다 3. 용량제어를 할 수 없다 4. 유압펌프를 사용할 수 없으므로 윤활문제에 주의 5. 비체적이 큰 냉매를 사용해야 한다

 

 

  (3) 스크류 압축기(screw type)

 

  이 압축기는 왕복동 압축기나 원심식이나 축류식, 터보식보다 진보된 형태로서 다른 압축기의 특징과 장점을 고루 갖춘 압축기

  이다. 또한 숫로터와 암로터가 서로 맞물리며 회전하면서 연속적으로 공기 혹은 냉매를 압축하는 것으로 터보 압축기처럼 높은

  회전 수(3,000rpm)로 운전되며 압축방식은 밀폐공간의 체적감소에 의하여 압축하는 용적형으로 오일 분사방식을 채택함으로

  서 고압축비를 요구하는 곳에도 적용 가능하다.

 

  특징으로는 첫째로 체적효율 및 압축효율이 높으므로 고성능이고 매우 경제적이다.

 

  둘째로 습동부분이 적어 구조가 간단하고 고장이 적다. 즉, 이 아북기의 습동부분은 베어링(bearing), 로터 축(rotor axial), 로

  터(rotor)들과 케이싱(casing)과의 간극(틈새)에서의 윤활유 이동부분을 말하는데 압축장치 및 압축가스의 통로 내에서는 마모

  에 의한 성능저하는 거의 없다.

 

  셋째로 부하조건에 따른 용량 제어범위가 넓고 제어특성이 좋다. 즉, 이 압축기의 용량조절방식에는 슬라이드 밸브방식(slide va

  lve type), 슬롯-피스톤 밸브방식(slot-piston valve type) 등이 있는데 연속제어 방식을 채택할 경우 부하조건에 따른 비례제어

  로서 동력의 손실을 최소화할 수 있다.

 

  넷째로는 소음이 비교적 크고 진동이 거의 없다. 이 압축기의 특징중 하나인 두 개의 로터가 서로 맞물려 회전하는 용적형 압축기  이면서 고속으로 회전하지만 이에 따른 가스 흐름에 대한 맥동이나 불균일한 압축은 거의 일어나지 않기 때문이다.

 

  다섯째는 운전이 안전하며 보수가 쉽다는 것이다. 이 압축기는 용적형이기 때문에 회전수 변화에 의하여 운전압력이 변해도 압축  효율은 큰 변화가 없다.

 

스크류 압축기의 장, 단점

장점	단점
1. 소형 경량으로 설치면적이 적다. 2. 진동이 적어 기초공사가 용이하다. 3. 무단 용량제어가 가능하며 자동운전에 적합하다. 4. 부품수가 적고 수명이 길다. 5. 밸브와 피스톤이 없어 장기간 연속운전이 가능하다. 6. 액, 오일 햄머링이 적다.	1. 오일 회수장치 및 오일 냉각기가 필요하다. 2. 오일 펌프를 별도로 설치해야 한다. 3. 소음이 비교적 크다. 4. 분해 조립할 경우에는 전문 기술자가 필요하다.

 

 

  (4) 원심식 압축기(=터보식 압축기)(turbo type compressor)

 

  이 압축기는 일명 터보라고도 하는데 고속을 회전하는 임펠러(impeller)의 회전속도의 제곱에 비례하는 원심력을 이용하여 냉매

  의 속도에너지를 압력에너지로 바꾸어 압축하는 압축기이다. 이 터보 냉동기는 1922년에 Carrier사에 의해 최초로 제작되었고 

  1934년에는 R-11 (CFC-11) 냉매를 사용하는 압축기를 제작하여 새로운 전기를 마련하였다.

 

터보 압축기의 외형

 

터보 압축기의 장, 단점

장점	단점
1. 저압냉매를 사용하므로 취급이 간편하고 안전하다. 2. 마찰부분이 없어서 마찰에 의한 손상이 없다. 3. 회전운동을 하므로 진동이 적고 맥동현상이 없다. 4. 용량 제어폭이 넓고 무단계 비례제어(100~10%)를 할 수 있다. 5. 대형이지만 가격이 저렴하다.	1. 소용량일 경우에는 한계가 있고 고가이다. 2. 저온장치 경우에는 단수가 증가한다. 3. 냉동능력에 비하여 소요동력의 변화가 크다. 4. 임펠러(impeller)로 냉매를 압축하는 방식이므로 사용냉매의 종류에 따라 냉동용량이 달라진다. 5. 부하가 감소하면 서징현상을 일으킨다. 6. 냉매회수 장치가 필요하다.

 

    1) 서징(surging) 현상

 

      이 현상은 압축기가 작동 중에 고저압의 압력차가 증가하여 냉매가 임펠러를 통과할 때 역류하는 현상이 생겨 전류계의 바늘이

      흔들리고 고압이 하강하고 저압이 상승하면서 심한 소음이 발생하고 베어링 등의 운동 부분에서 급격한 마모현상이 발생한다.

      이 원인은 흡입가이드 베인을 너무 조이거나 냉각수온이 너무 높아 응축압력이 상승하게 되고 흡입가스 유량이 감소되어 냉매

      가 어느 한계치 이하로 운전될 때 주로 발생한다.

 

 

  (5) 스크롤 압축기(scroll type)

 

  스크롤 압축기는 왕복동식이나 회전식에 비해 피스톤 압출량을 내부 스크롤의 설계에 따라 이미 결정되므로 압축비가 정해지며 

  다른 용도로 사용될 때는 별도로 설계한 다른 압축기를 사용해야 한다. 만일 공조용으로 사용한다면 고압과 저압의 변동이 없으

  므로 같은 설계의 압축기를 사용할 수 있다.

 

    1) 동작원리

 

      이 압축기는 인볼류트(involute) 형상의 2개의 익(wrap)을 180도의 위상각을 갖도록 조합한 것으로 이 2개의 익 사이에는

      복수개의 초생달 형상의 압축실을 형성하게 된다. 한 익은 고정되어 있고(고정 스크롤), 그 중심 주위를 다른 익(선회스크롤)

      이 자전 아닌 공전운동(선회운동)을 한다.

      이러한 운동으로 압축실은 순차적으로 외주부로부터 중심부로 이동하게 되고 용적이 감소되면서 압축작용이 일어나게 되고

      압축된 가스는 중앙에 있는 토출구를 통하여 토출된다.

 

 

  용량제어

 

  냉동기의 능력을 제어하는 것을 용량제어라고 한다. 즉, 냉동기가 운전중에 부하가 변동하면 냉동기를 정지 및 재시동하지 않고

  운전 중에 압축기의 능력을 변화시키면 압축기를 보호하는 동시에 수명도 연장될 뿐더러 경제적이다.

  

  (1) 용량제어 방법

 

    1) 왕복동 압축기

   

      ① 회전수 조절법(speed control) : 압축기의 피스톤 압출량 조절

      ② 클리어런스 증대법(clearance pocket) : 실린더내 용적의 2/3 정도의 포켓을 설치

      ③ 바이패스법(bypass) : 피스톤 행정길이의 1/2 정도에 바이패스 통로를 설치

      ④ 언로더법(unload) : 언로더 장치로 몇 개의 실린더를 부하에 따라 정지

      ⑤ 타임밸브에 의한 방법

 

    2) 원심식 압축기

 

      ① 흡입가이드 베인(vane)조절 : 여러 개의 부채꼴 모양의 베인(vane)을 설치하여 베인의 각도를 조절함으로서 냉매의

           유량을 조절

      ② 회전수 조절법 : 압축기의 회전수를 제어가능

      ③ 바이패스법 : 서징이 발생할 우려가 있다.

      ④ 흡입댐퍼 조절법 : 흡입구에 평평한 댐퍼를 설치하여 흡입압력을 감소시키는 방법으로 동력소비가 있다.

      ⑤ 냉각수량 조절법 : 냉각수를 조절한다.

 

    3) 스크류 압축기

     

      ① 슬라이드 밸브에 의한 바이패스법

      ② 전자밸브에 의한 방법

 

    4) 흡수식 냉동기

 

      ① 응축수량 조절

      ② 재생기 공급용액량 조절

      ③ 재생기의 공급증기 또는 온수 유량조절

 

 

  압축기의 효율과 각종 계산

 

  (1) 압축기의 효율

 

  1) 체적효율 (ηv)

 

    압축기를 선정할 때 체적효율은 매우 중요한 사항 중에 하나다. 즉 흡입냉매의 과열, 실린더의 극간체적, 피스톤링과 밸브의

    마모에 의한 누설 등은 압축기가 배출하는 냉매의 체적과 압축기의 용량 선정에 큰 영향을 가져온다. 따라서 압축기가 실제

    로 흡입하는 냉매와 압축기가 이론적으로 흡입하는 냉매의 체적과의 비를 체적효율이라고 한다.

 

 

    이때 Vth 는 실린더에 냉매가 전혀 없을 때 흡입행정에 의해 흡입되는 냉매의 체적을 말한다. 실제 실린더에는 간극(clearance)

    이 존재하므로 냉매의 흡입체적은 피스톤 토출량 V보다 작은 V'가 된다.

 

 

  2) 압축효율(ηc)

 

    압축기의 실린더로 유입된 냉매는 가역단열 압축이 되는 것이 아니며 실린더 벽과의 열교환으로 인해 엔트로피가 변한다. 그리고

    밸브나 배관에서의 저항으로 인해 흡입압력은 증발압력보다 낮아지고 토출압력은 응축압력보다 높아져 압축기의 실제동력은 이

    론적인 동력보다 커진다. 따라서 압축효율이란 압축기를 기동하는데 필요한 실제 소요동력과 이론적인 소요동력과의 비로 정의

    한다.

 

여기서, Ni : 이론적 지시동력

Nia : 실제적 소요동력

 

    압축효율은 압축기의 종류, 회전속도, 냉매의 종류 및 온도 등의 영향을 받으므로 간단하게 계산이 어렵다. 따라서 보통은 0.6~0.85

    정도를 사용한다.

 

  3) 기계효율(ηm)

 

    압축기를 기동할 때 소요되는 전동기의 동력은 압축기가 단열압축하면서 소요되는 동력보다는 크게 된다. 따라서 이들의 비를 

    나타낸 것을 기계효율이라고 한다.

 

여기서, Ns : 운전 소요동력

 

 

  4) 간극(clearance)

 

    실린더의 두부(head)와 피스톤이 상사점에 이르렀을 때 두부사이의 간격을 말하며 이물질이나 액이 유입되었을 때 실린더를 보호

    하는 역할을 한다. 보통 암모니아 대형 압축기의 간극은 0.7~1.0mm 이며 프레온 압축기는 0.2~0.5mm의 간극이 있다.

 

  5) 피스톤 압출량 (V : ㎥/h)

 

    피스톤 배출량이란 단위시간 동안에 압축기가 배출하는 흡입냉매의 이론적인 체적으로 정의하며 왕복식과 터보 및 회전식에도

    적용된다. 피스톤 압출량은 압축기의 용량을 결정하는 매우 중요한 사항으로서 다음과 같이 쓸 수 있다.

 

여기서, G : 압축기 입구에서의 냉매 순환량(kg/h)

υ : 압축기 입구에서의 냉매의 비체적(㎥/kg)

 

 

 

  압축기의 윤활(Lubrication) 장치치

 

  (1) 윤활목적

 

  압축기의 윤활의 목적은 다음과 같다.

 

    ① 기계장치의 운동부분에 유막을 형성시켜 마찰을 감소시키고 마모를 방지한다.

    ② 누설이 가능한 부분에 유막이 형성되어 누설을 방지한다.

    ③ 마찰열 제거 즉, 고속 다기통 압축기나 밀폐형 압축기에서 냉매증기의 냉각과 더불어 전동기의 냉각역할도 한다.

    ④ 방청작용과 동시에 패킹(packing) 재료를 보호한다.

 

  (2) 윤활유의 구비조건

 

  압축기에 사용하는 윤활유는 사용하는 냉매, 사용온도, 전기절연 등과 매우 깊은 관계가 있으므로 윤활유의 선택은 신중을 기해야

  한다. 따라서 다음과 같은 조건을 만족하는 윤활유를 선택해야 한다.

 

    ① 저온에서 응고점과 유동점이 충분히 낮을 것

    ② 점도가 적당하며 인화점이 낮을 것

    ③ 산에 대해 안정하며 항유화성일 것

    ④ 왁스 성분이 적을 것

    ⑤ 화학반응을 일으키지 않으며 냉매와 잘 분리될 것

    ⑥ 유막의 강도가 크며 쉽게 파괴되지 않을 것

    ⑦ 수분과 불순물이 없어야 할 것

    ⑧ 전기절연 내력이 클 것

 

 

 

 

 

 

※ PC버전으로 보시는 것을 추천드립니다.