7. 냉동식 (냉매) 드라이어

◆냉동식 드라이어의 분류

냉동식 에어 드라이어는 기능, 응축방식, 열교환 방식에 의해 대략 다음과 같이 구분되어 집니다.

기능에 의한 분류

1) 일반용 드라이어 : 범용으로 사용되는 냉동식 에어 드라이어 2) 고온용 드라이어 : 내부에 애프터쿨러와 필터가 추가로 구성되어 있는 제품 (입구온도가 높은 경우, 설치 장소가 협소한 경우에 적용이 유리한 냉동식 에어 드라이어)

응축방식에 의한 분류

1) 공랭식 드라이어 : 압축공기 냉각을 위해 필요한 냉매의 응축과정을 팬을 이용하여 주변의공 기를 강제 대류시킴으로 응축기 내부의 냉매온도를 하강시켜 냉매를 응축 하는 방식(에어컨 실외기와 같은 기능)

2) 수랭식 드라이어 : 주변의 공기 대신 외부로부터 공급된 냉각수를 이용하여 응축기 내부의냉 매온도를 하강시켜 냉매를 응축하는 방식(주변 공기의 상태에 영향을 받지 않으므로 냉매의 응축이 원활하여 시스템이 좀더 안정적임)

열교환 방식에 의한 분류

1) 직랭식 드라이어 : 열교환기 내에서 냉매가 직접 압축공기를 냉각시키는 방식 2) 간랭식 드라이어 : 냉매가 직접 압축공기를 냉각하지 않고, brine이나 기타 액체를 냉각하여 냉각된 매체가압축공기를 냉각시키는 방식(펌프 등의 추가 구성이 필요하지만, 직랭식에 비해 시스템이 좀 더 안정적임)

◆냉동식 AIR DRYER이 이해

냉동식 Air Dryer, 에어컨, 냉장고, 워터칠러 등은 기술적으로 중요한 공통 부분이 있습니다. 그것은 바로 냉동시스템의 4대 핵심요소와 그 상호 관계를 정확히 이해하는 것일 겁니다. 그림1은 모리엘선도(P-H Diagram)라고 하는 그림에 이들 4대 핵심요소(냉동콤 프, 응축기, 팽창장치, 칠러)와 그 상호 관계를 파악할 수 있도록 편집한 것입니다.

냉동식 Air Dryer는 냉매(Refrigerant)를 이용하여 칠러(Evaporator)에서 압축공기로부터 열 (熱,HEAT)을 흡수하여 응축기(Condenser)를 통해 외부(공기압축기실 혹은 냉각수)로 압축공기의 열을 이동시키는 장치입니다.

그 동안 10년 넘게 냉동식 Air Dryer에 대해 공부하고, 설계하고, 하자원인을 분석 정리하고, 그리고 직접 수리도 하고, 새로운 시스템도 개발 하면서 냉동식 Air Dryer를 이해하고자 힘쓰고 있습니다.

이제 만약 사람들이 저에게 냉동식 Air Dryer란 어떤 장치인지 한 문장으로 짧게 말하라고 한다면, “냉동식 Air Dryer란, 압축공기 중에 있는 열(熱)을 바깥으로 이동시키면서 제습을 하는 장치.” 라고 대답할 것입니다.

냉동시스템 전체를 관통하는 것 가운데 ‘열(熱)이 흐르는 방향’도 그 중에 포함될 것 같습니다. 따라서 냉동식 Dryer 설계자가 이 열(熱, HEAT)문제를 모르거나, 또는 잘못 알고 있는 것을 진실이라고 착각하고 있다면, 기본이 무시된 아주 부실한 하자투성이의 냉동식 Air Dryer가 될 수 밖에 없을 겁니다.

물론 이 문제는 Dryer 설계자들에게만 국한되지 않고, 냉동식 Air Dryer를 공장에 판매/설치 하는 사람들과 현장 공무 담당자들에게도 해당될 것 같습니다.

모든 냉동시스템에는 아래 네 가지 필수 요소(4大 핵심요소)가 있습니다.

1) 냉동 콤프레샤(Refrigerant Compressor) 2) 응축기(Condenser, 공냉식 또는 수냉식) 3) 팽창장치(Expansion device, 모세관 또는 팽창밸브) 4) 칠러(증발기, Evaporator) 등이 그것입니다.

이상 4가지 요소 가운데 어느 것 하나라도 오류가 있으면, 그 잘못된 요소를 중심으로 설계의도와는 전혀 다르게 냉동시스템 균형이 형성됩니다.

예를 들면, 50HP용 Dryer에서 냉동 콤프레샤, 모세관, 칠러 등 3가지 요소는 50HP용량에 맞게 선정되었지만, 나머지 요소인 응축기가 30HP용(흔히 범하는 응축기 오류)이라면 이 Dryer는 30HP 능력의 냉동시스템으로 형성되기 때문에 모델은 50HP이라도 실제는 30HP이므로 특히 하절기에는 문제가 될 수 밖에 없습니다.

이들 냉동시스템의 4대 핵심요소와 그 상호 관계를 정확히 이해하는 것은 설계자, 생산자, A/S요원 모두에게 필수 기본 지식입니다.

우리가 무슨 일을 하더라도, 그 분야에서 반드시 알아야 할 필수 기본 지식이 있게 마련입니다. 그런데, 그게 뭔지도 모른다거나 알려고 하질 않는다면, 힘들 수 밖에 없을 겁니다.

유체(流體)는 기체와 액체 사이에서 그 상태가 변화되는 상변화(相變化)라는 과정이 있습니다. 이 상변화 과정에서는 열 흡수이나 열 방출이 있어도 온도는 변하지 않고 일정합니다.

왜냐하면 유체의 분자간 결합을 끊거나 연결하는데 열이 사용되었기 때문입니다.

이런 열은 잠열(숨은 열, Latent Heat)이라 하며, 유체의 상태변화 시 나타나는 열입니다. 그래서 냉동시스템에서는 이 잠열을 이용하기 위해 증발기와 응축기가 필요한 것이고, 증발기와 응축기 사이에 존재하면서 상태변화를 시키기 위해 콤프레샤와 팽창장치가 있습니다.

이 잠열은 상당히 큽니다.

가령 물(Water, H 2 O)의 경우, 0℃ 물 1kg을 100℃ 물로 가열하는데 필요한 열량(현열)은 100kcal 이지만, 100℃ 물 1kg을 100℃ 수증기로 끓이는 데 필요한 열량(잠열)은 539kcal 입니다.

냉동시스템은 이런 잠열을 응용한 것인데, 칠러(증발기, Evaporator)는 냉매가 액체상태에서 기체상태로 상변화되는 곳이므로 많은 열을 흡수하는 흡열반응이 일어나는 곳이고, 반대로 응축기(Condenser)는 기체 냉매가 액체상태로 상변화 되는 곳이므로 많은 열을 방출하는 발열반응이 일어나는 곳입니다.

냉동식 Air Dryer는 이렇게 액체냉매를 기체로 바꾸었다가, 다시 반대로 기체냉매를 액체로 바꾸는 상변화 과정을 일으키도록 하면서 압축공기를 차갑게 냉각시켜 압축공기 중에 있는 수분을 응 축시켜 물로 만든 후에 드레인 밸브를 통해 외부로 배출시킴으로써 제습을 하는 장치입니다.

그림 1은 냉매의 상태를 압력과 열에너지에 대해 액체영역, 기체영역 및 기·액 혼합영역(상변화 영역)으로 나누어 표현한 ‘모리엘 선도’ 입니다.

여기서 열이 흐르는 방향을 보면, 칠러(증발기, Evaporator)에서 압축공기로부터 열을 빼앗아 응축기(Condenser)를 통해 외부로 방열하는 열 흐름인데, 이때 냉동 콤프레샤 모터에 해당하는 전기에너지까지 합한 열을 응축기가 방열해야만 합니다.

따라서 그림1에서 볼 수 있는 것처럼 열을 흡수하는 칠러 부분의 폭보다 열을 방출하는 응축기 부분의 폭이 약20%~30% 정도 더 넓습니다.

즉, 응축기의 응축능력은 냉동 콤프레샤의 냉동능력보다 약 20%~30% 정도 더 커야 합니다.

냉동식 Air Dryer 고장 원인의 70%~80%가 바로 이 응축 능력 부족 문제로부터 시작됩니다.

또한 주위온도가 너무 높으면, 주위온도와 냉매온도 차이가 작아 응축기에서 냉매로부터 주위로 빠져나갈 열량이 적게 되기 때문에 응축능력이 현저히 떨어지게 되므로, 용량이 작은 응축기를 사용한 것과 마찬가지가 될 것입니다.

또 Air Compressor가 흡입하는 공기의 온도가 높으면, 당연히 압축공기의 온도도 높을 것입니다.

이런 환경은 아마도 냉동식 Air Dryer에서 가장 나쁜 운전 조건이 될 것입니다. ■ 계속 모리엘선도 상에 있는 4大 핵심 요소들은 서로 대칭 관계가 있음을 알 수 있습니다.

즉, ① 응축기(Condenser) 對 칠러(Evaporator) 그리고 ② 냉동콤프 對 팽창장치 가 그것입니다.

① 응축기 : 기체냉매 → 액체상태로 상변화

칠러		열을 방출하는 발열과정액체냉매 → 기체 상태로 상변화열을 흡수하는 흡열과정
냉동콤프		저압(Low Pressure) → 고압(High Pressure)으로 압력변화저온(Low Temperature) → 고온(High Temperature)으로 온도변화
팽창장치		고압(High Pressure) → 저압(Low Pressure)으로 압력변화고온(High Temperature) → 저온(Low Temperature)으로 온도변화