증발기 - 능력계산, 종류, 제상
개요
증발기는 응축기와 같이 일종의 열교환기로 팽창밸브에서 공급된 저온, 저압의 냉매가 피냉각 물체에서 열을 흡수하여 습포화
증기 또는 과열증기로 되어 압축기로 흡입되는데 이때 냉동목적을 달성하게 되는 것이다. 이러한 증발기는 냉동방법, 냉매의
상태, 사용목적에 따라 분류할 수 있다.
증발기 능력계산
(1) 증발기의 열전달
증발기의 열전달 계산은 응축기에서의 열전달 계산과 유사하며 증발기에서의 흡수열량은 다음과 같다.
여기서, Qe : 증발기의 냉각능력(kcal/h, kJ/h, W)
K : 열통과율(kcal/㎡·h·℃, W/㎡·K)
A : 전열면적(㎡)
△tm : 냉매와 피냉각 물체와의 평균온도차(℃)
(여기서 평균온도차는 산술평균온도차가 아닌 대수평균온도차(LMTD)를 쓴다)
또한, 피냉각 물체와의 냉각열량 계산은 다음과 같다.
여기서, Qe : 냉동능력(kcal/h, kJ/h, W)
Gb : 브라인의 유량(kg/h)
Cb : 브라인의 비열(kcal/kg·℃, kJ/kg·K)
t1 : 증발기 입구의 브라인의 온도(℃)
t2 : 증발기 출구의 브라인의 온도(℃)
따라서, 증발기의 전열면적은 다음과 같다.
(2) 열통과율(=열관류율)
열관류율(K : kcal/㎡·h·℃, W/㎡·K) 이라고도 하며 이 값은 냉매의 종류, 냉매의 상태, 온도차, 냉매의 특성, 유체의 종류,
증발기의 형상 등에 의하여 달라진다. 따라서 일반적으로 K값은 재료의 물성치로 계산하거나 각각의 증발기에 대한 개략적
인 경험값을 참고하여 사용하며 다음과 같이 이론적으로 구할 수 있다.
증발기의 종류
(1) 냉매의 상태에 따른 분류
1) 건식 증발기 (dry type evaporator)
증발기관 내부에 액이 25%, 가스가 75% 존재하기 때문에 전열이 불량한 편이며 주로 공기 냉각용으로 많이 사용한다. 특징으로는
냉매공급을 위에서 아래로 하므로 오일이 코일내부에 고일염려가 없으므로 유회수 장치가 필요 없다.
또한 이 증발기는 냉매가 코일을 통과하면서 피냉각 물질에서 열을 흡수하면서 출구에서는 거의 건포화 증기 및 과열증기 상태가
되므로 액분리기 (기체랑 액체를 분리, accmulator)가 필요 없으며 주로 소형 냉장고나 소형 냉동장치에 사용한다.
2) 반 만액식 증발기 (semi flooded type evaporator)
증발기관 내부에 액이 50%, 가스가 50% 정도 존재하므로 냉매량이 건식보다 많고 전열효과도 양호하다. 냉매공급은 아래에서
위로 향하며 암모니아 냉동장치에서 직접 팽창식의 경우 많이 채택한다. 또한 오일이 냉각관에 고일 염려가 있으므로 유회수에
주의해야 한다.
3) 만액식 증발기 (flooded type evaporator)
증발기관 내부에 액이 75%, 가스가 25% 정도 존재하므로 전열이 매우 양호하다. 주로 액체 냉각용 증발기로 많이 사용하고 있
으며 프레온 냉동장치에서는 오일의 고일 염려가 많으므로 유회수장치(=냉수)가 필요하고 암모니아 냉동장치에서는 반드시 액
분리기를 설치해야 한다.
4) 액 순환식 증발기 (lipuid pump type evaporator)
증발기관 내부에 액이 80%가 존재하므로 전열이 다른 형식보다 1.2배 정도 양호하다. 또한 증발기에서 증발하는 냉매량의
4~6배의 액을 액펌프를 사용하여 강제로 순환시키는 증발기로서 대용량의 저온 냉동실이나 급속 동결장치에 사용된다. 이
증발기의 특징으로는 제상의 자동화가 용이하고 리쿼드 백 현상을 방지할 수 있으며 증발기가 여러 대일지라도 팽창밸브는
1개로 만족한다. 그러나 냉매량이 많이 필요하고 저압 수액기(receiver) 등 설비가 많고 복잡하다.
(2) 용도에 따른 분류
1) 공기 냉각용 증발기
① 관 코일 증발기 (=나관식 증발기)(hair pin coil evaporator)
냉각관이 핀(fin)이 없는 나관으로 되어 소형 냉장고나 쇼케이스에 주로 사용한다. 따라서 이 증발기는 핀이 없는 관계로
전열이 좋은 편이 아니며 표면적이 적어서 관을 길게 해야 하는 반면 구조가 간단하고 제상이 쉽다. 냉매의 공급방식에
따라 건식과 만액식이 있다.
② 캐스케이드식 증발기 (cascade evaporator)
이 증발기는 벽코일 동결실의 동결선반 용도로 주로 사용하는데 출구에는 액분리기를 설치하여 압축기로의 액흡입을 방지한다.
③ 멀티피드 멀티 석션 증발기 (multi feed multi suction evaporeater)
이 증발기는 암모니아용 만액식 증발기로서 캐스케이드식 증발기를 변형시킨 형식이지만 그 보다는 많이 사용한다. 원리는
캐스케이드식과 같이 액냉매를 공급하고 냉매증기를 분리하는 방식이며 공기 동결실의 동결선반에 주로 사용한다.
④ 판형 증발기 (plate type evaporater = PHE : Plate Heat Exchanger)
이 증발기의 구조는 알루미늄판 또는 스테인리스판 등 열전도율이 좋은 금속 2장을 서로 맞대어 압접하여 그 사이로 냉매가
흐르도록 좁은 통로를 만들어 사용하는 구조인데 주로 가정용 냉장고나 쇼케이스 등의 냉각용으로 사용하며 급속동결 장치
로도 사용한다.
⑤ 핀 튜브식 증발기 (fin tube type evaporator)
이 증발기는 나관 동관에 전열면적을 향상시키기 위하여 동판 및 알루미늄판 등의 핀을 부착하는데 주로 건식 증발기를 사용
하며 소형은 냉동능력은 좋으나 제상이 곤란하여 0℃ 이상의 공조용으로 주로 사용한다.
강제 대류식은 주로 공기조화기(AHU)나 대형 냉장고 등에 사용한다.
2) 액체 냉각용 증발기
① 암모니아용 만액식 쉘 앤 튜브식 증발기 (NH3 flooded shell & tube type evaporator)
이 증발기의 구조는 쉘 내부로는 냉매가 흐르고 튜브 내부로는 2차 냉매인 브라인을 통과시키는데 주로 공업용 냉각장치로
사용된다. 또한, 증발기 내의 액면을 일정하게 하기 위하여 열교환기(heat exchanger)를 설치하는데 주의할 점은 관경이
적으면 저항이 커져서 압력강하가 발생하고 체적효율이 감소하며 흡입압력이 저하되고 따라서 토출가스온도가 상승하게
된다.
② 프레온용 만액식 쉘 앤 튜브식 증발기 (freon flooded shell & tube type evaporater)
이 증발기의 구조는 쉘 내부로는 냉매가 흐르고 튜브 내부로는 2차 냉매인 브라인을 통과시키는데 증발기 내의 오일회수가
곤란하여 유회수장치가 필요하고 하부에는 액헤더를 설치하여 액의 분포를 고르게 한다.
③ 건식 쉘 튜브식 증발기 (dry type shell & tube type evaporator)
이 증발기는 튜브 내부로는 냉매가 흐르고 쉘 내부로는 브라인이 흐르는 구조인데 냉매가 관 내부를 흐르므로 만액식에 비해
서 냉매량이 적게 들고 별도의 수액기가 필요없다.
④ 탱크형 증발기 (tank type evaporator)
이 증발기는 주로 암모니아용 제빙장치 브라인 냉각용으로 사요오디는데 만액식이므로 전열이 양호한편이다. 특히, 헤링본식
증발기라고도 하는데 이는 상부의 가스헤더와 하부 헤더사이에 청어뼈 같은 형태의 관을 여러 개 설치한 형식이기 때문에 붙
여진 이름이다. 이 증발기에는 교반기(agitator)를 설치하여 브라인을 빠르게 순환시켜 전열을 향상시킨다.
⑤ 보데로형 증발기 (Baudelot type evaporator)
이 증발기는 대기식 증발기와 매우 흡사한 구조이지만 그 작용은 정반대이다. 이 형식은 주로 암모니아 만액식, 프레온 반만액
식에 주로 사용하며 냉각관 청소가 용이하고 매우 위생적이다.
⑥ 쉘 코일식 증발기 (shell & coil type evaporator)
이 증발기는 쉘 내부로는 2차 냉매인 브라인을 흐르게 하고 코일 내부로는 냉매를 통과시켜서 음료수 등을 냉각시키는 소형
프레온 냉동기의 증발기에 주로 사용한다. 구조는 관을 코일모양으로 감아서 원통안에 삽입한 구조로 형상에 따라 횡형과 입형이
있다. 또한, 건식 증발기이며 팽창밸브로는 TEV를 사용하고 간헐적을 큰 부하가 걸리는 곳에 사용한다.
제상
(1) 정의
증발기의 냉각표면에는 공기 중의 수분이 응축되어 부착하게 되고 코일의 온도가 물의 동결온도보다 낮으면 코일에 부착된 물이
얼어서 서리가 생기게 되는데 이것을 적상(frost)이라고 하며 서리가 생기면 다음과 같은 현상이 나타난다.
따라서, 이러한 서리와 얼음을 빠르게 제거해야 하는데 이러한 작업을 제상(defrosting)이라고 한다.
(2) 제상방법
1) 압축기 정지법(off cycle)
이 방법은 냉동기를 하루 8시간 동안 정지시켜서 증발기에 형성된 얼음을 자연적으로 녹여 제상하는 방법으로 좋은 방법이 아니다.
2) 온공기 제상
압축기를 정지시킨 다음 증발기 팬을 가동시키면서 외기의 따듯한 공기로 6~8시간 정도 제상시키는 방법으로 냉장실온이 2~5℃
정도에서도 냉장품에 손상이 없는 경우에 제상한다.
3) 전열 제상(electric defrosting)
이 방법은 증발기 코일을 따라 전기히터를 설치하여 타이머를 이용하여 히터를 가열시켜 제상하는 방법이다. 특히, 자동제어가
용이하고 소형에 많이 사용하지만 동력이 많고 열손실도 크다. 주로 가정용 냉장고나 유니트 쿨러에 사용하는데 제상되어 녹은
물은 냉장고 하부에 설치된 물받이로 떨어지고 그 위에 부착된 응축기나 전열히터로 드레인을 증발시키기도 한다.
4) 고온수 제상(hot water defrosting)
이 방법은 서리가 생성된 증발기 위로 10~25℃ 정도의 물을 20L/min·RT 정도 살수하면서 제상하는 방법이다. 우선 송풍기와
압축기를 정지시키고 냉각수용 전자밸브를 열고 물을 증발기 상부에 뿌린 후 완료되면 밸브를 잠그고 정상운전에 들어간다. 이
방법은 고압가스 제상과 병행하여 사용하기도 한다.
5) 부동액 분무제상(brine spray defrosting)
이 방법은 증발기 표면에 브라인을 계속적으로 살포하여 제상하는 방법으로 공기 중에 포함된 수분과 부동액이 희석되어 브라인
의 농도가 묽어지므로 이 부동액을 약간 가열하여 수분을 증발시킨 후 재사용해야 하는 번거로움이 있지만 서리가 생성되는 기간
이 짧으므로 전열효과는 높은 편이다.
6) 고압가스 제상(hot gas defrosting)
이 방법은 제상용 전자밸브를 타이머에 의해 작동시켜 응축기의 고온 고압가스를 증발기로 보내어 감열로 제상하는데 매우 짧은
시간에 제상을 실시할 수 있어 중, 소형 및 대형 냉동장치에 많이 사용되고 있다.