증발기란?
*증발기란?
1. 증발기의 역할
증발기는 냉매액이 피냉각체인 공기 혹은 액체(물, 브라인, 기름)등에서 증발잠열을 흡수하여 가스가 되는 곳으로서 냉동효과가 일어나는 곳이다. 증발기는 냉각방식에 따라 직접 팽창식 냉각과 간접식 냉각으로 크게 나눌 수 있다. 직접 팽창식 냉각은 냉장고내에 증발기를 설치하여 냉매의 기화에 의한 흡열로 직접 냉각하는 방식이며, 간접식 냉각은 증발기에서 직접 냉장고 등의 목적물을 냉각하지 않고, 브라인이나 물과 같은 2차 냉매를 냉각하여 냉각된 브라인과 물에 의해 목적물을 냉각하는 방법이다. 이 방식은 직접 팽창식 냉각의 경우보다 증발기의 온도를 낮게 해야 되기 때문에 그만큼 동력비가 증대하지만, 브라인이나 물의 열용량이 크므로 직접 팽창식보다 오랜시간 저온을 유지할 수 있다.
증발기는 여러 가지의 형태가 있는 데, 피냉각물의 종류와 상태에 따라서 가장 적합한 것을 선정하여야 한다.
2. 증발기의 성능
(1) 증발기의 분류
여러 가지 분류방법이 있으나 일반적으로 냉동용 증발기는 증발기 내부의 냉매액량과 냉매액의 순환방식에 따라 건식, 만액식, 반만액식, 액순환식으로 나눌 수 있다.
① 건식 증발기(dry expansion evaporator)
이 방식은 팽창밸브를 나온 내앰액과 가스가 코일내를 동시에 흐르면서 냉매액이 증발하는 방식으로 냉매증기의 열통과율은 나쁘지만 소요 냉매량이 적으며 윤활유가 증발기에 적게 남아 있기 때문에 CFC계SODAODH K같이 유가 냉매에 용해하는 경우에는 이 형식이 좋다. 이 형식은 콤팩트형의 냉동기에 많이 사용되는 데, 증발기로 들어가는 냉매가 증발기 출구에서 전부 가스가 되도록 팽창밸브로서 그 양을 조절하고 있다.
② 만액식 증발기(flooded evaporator)
증발기내에 냉매액이 항상 가득 차 있는 것으로서, 증발된 가스는 액중에서 기포가 되어 상승하므로 분리된다. 따라서 피냉각물체와 전열면이 거의 냉매액과 접촉하고 있기 때문에 전열작용이 건식보다 양호하지만 냉매가 많이 필요하다. 또 증발기내에 액을 가득 채우기 위해서 액면 제어장치가 필요할 뿐만 아니라 액과 증기를 분리시키는 액분리기가 필요하다. 그리고 증발기로 냉매와 같이 들어간 냉동기유는 암모니아의 경우 증발기 하부에서 간단히 제거시킬 수 있으나, CFC계 냉매인 경우에는 냉매와 혼합되기 때문에 냉동유 회수장치가 필요하다.
③ 반만액식 증발기(semi-flood evaporator)
건식과 만액식의 중간 정도의 장치이다. 전열효과는 건식보다는 좋으나 만액식에는 미치지 못한다. 그리고 증발기 흡입관과 압축기 사이에는 액분리기를 설치할 필요가 있다.
④ 냉매액 강제순환식 증발기(lizuid recirculation type evaporator)
증발기에서 증발하는 액화냉매량의 4∼6배의 냉매를 강제적으로 순환시키는 방법이다. 즉, 저압수액기에 있는 냉매액을 펌프로 증발기내로 유동시켜 증발기내에 냉동유가 고일 염려가 없기 때문에 열통과율도 좋다.
이 형식은 원심식 냉동기와 저온용 냉동장치에 많이 사용된다. 구조가 복잡하고 냉매펌프가 필요하기 때문에 제작비가 비싸나, 최근의 산업용 냉동장치에서는 거의 이 형식의 증발기를 사용한다.
(2) 증발기의 종류
① 셸튜브식 증발기(shell and tube type evaporator)
관내에는 냉매가 흐르고 관외에는 피냉각물(물, 브라인 등)이 흐르도록 되어 있는 구조이다.
② 셸코일식 증발기(shell and coil type evaporator)
관을 코일모양으로 말아서 관내에 냉매가 흐르도록 한 것이다. 이 형식은 모양에 따라 입형과 횡형으로 구분할 수 있으며 제작은 간단하나 유속이 늦고 열통과율이 나쁘다. 주로 소형장치에 사용된다.
③ 플레이트형 증발기(plate type evaporator)
2장의 금속판에 냉매가 통하는 요철을 통로로 만들고 이들을 서로 접합하여 용접한 것이다. 구조가 간단하기 때문에 소형 가정용 냉장고나 쇼케이스 등에 널리 사용된다.
④ 핀코일식 증발기(finned coil evaporator)
이 형식은 대부분 송풍기로서 공기를 강제적으로 유동시키는 것으로 유니트 쿨러라고도 한다. 공기조화기, 냉장고 등의 공기 냉각용으로 많이 사용된다.
⑤ 나관코일식 증발기(bare tube coil type evaporator)
냉동용 증발기의 기본형이라고도 할 수 있을 정도로 옛날부터 널리 사용되고 있다. 즉, 산업용 냉장고의 천장 코일, 벽코일, 동결실의 선반코일 등이 있다.
⑥ 탱크용 증발기(herringbone type evaporator)
제빙에 사용하는 브라인 냉각용으로 널리 사용되며, 보통 헤링본 코일이라고 하는데, 암모니아용으로 많이 사용된다.
(3) 증발기에서의 전열
Q = K·A·Δtm
여기서 Q : 증발기의 냉동능력, kcal/h
K : 증발기의 열통과율, kcal/m2·h·℃
?tm : 냉매와 냉각유체와의 평균온도차, ℃
A : 증발기의 냉각면적, m2
또한 피냉각물체의 냉각 열량은 다음의 식으로 구할 수 있다.
Q = W·C(t1 - t2)
여기서 Q : 유체(공기 또는 물)의 냉각열량, kcal/h
W : 유체의 유량, kg/h
C : 유체의 비열, kcal/kg·℃
t1,t2 : 증발기 입구 및 출구에서의 냉각 유체온도, ℃
위의 두 식을 이용하면 증발기의 냉동, 냉각면적, 냉각유체의 온도 등을 구할 수 있다.
(4) 증발기의 열통과율
냉동장치가 운전되고 있을 때의 증발기 열통과율 K값은 이때의 냉동부하 R, 냉각온도 tr 및 냉매증발온도 t1에 의해 다음과 같이 산정할 수 있다.
K = R / {A(tr - t1 )}
(5) 공기 냉각 코일
공기조화 장치에서 공기를 냉각할 때 냉각관내에서 직접 냉매를 증발시키는 직접팽창식과 냉수 또는 브라인 등 2차 냉매를 통하게 하는 간접식이 있다. 그러나 여기에서는 증발기가 직접 작용하는 전자에 대해 설명한다.
공기 냉각기는 표면에서의 열전달이 나쁜 공기측의 표면적을 늘리기 위해 외측에 핀을 설치한 핀관을 냉각관으로 사용하고 있다. 그 대표적인 예로는 플레이트 핀 코일이 있다.
직접팽창식 증발기를 설계할 때에는 다음사항에 유의해야 한다.
① 냉각코일을 통과하는 풍속은 2.0∼3.0 m/s의 범위가 적당하지만, 풍속 2.5m/s가 일반적 으로 가장 바람직한 수치이다.
② 냉각코일이 최대효율을 발휘하기 위해 냉매의 흐름과 공기의 흐름은 대향류(counter flow) 가 되도록 배려한다.
③ 냉매의 증발온도가 높을수록 압축기의 운전동력은 적게 들지만, 냉각코일은 큰 전열면적이 필요하기 때문에, 양쪽에 대해서 가장 효과적인 균형을 잡을 수 있도록 설계한다.
④ 코일을 통과하는 풍속이 2.5m/s 이상일 때는 공기중에 응결된 수분이 비산하기 쉬우므 로 분리기를 병용한다. 분리기를 사용하지 않을 때는 풍속 2.0m/s 이하로 억제한다.
⑤ 관길이가 길고 폭이 좁은(단수가 적은) 코일이 관길이가 짧고 폭이 좁은(단수가 많은) 코일보다도 경제적이다