냉동, 공조 및 냉방기술  

Refrigeration, air-conditioning and cooling technology

냉동, 공조 및 냉각수 순환 시스템은 빌딩 내에서 중요한 역할을 한다.
냉수는 산업기계의 냉각과 빌딩의 증발기 냉각을 위해 사용된다. 공조기는 열운반 매체를 필요로 하고 보다 빠른 열교환을 위해 순환펌프를 활용한다.
냉각탑의 경우, 유체는 펌프를 통해 유체 처리시설과 함께 또는 유체 처리시설 없이 업무를 수행한다. 열 운반매체는 유체이송을 위해 다양한 화학적,물리적, 기계적 그리고 경제적 요건을 충족시키는 펌프 및 시스템이 필요하다.

03. 펌프와 냉동기의 국제 준수 사항

모든 기술 장치에는 물리적인 제약이 있다. 냉동기는 결빙(icing)을 방지하기 위해 일정 처리량을 요구한다.
만약 증발기 제어를 위한 최소 필요 물 량이 흐르지 않으면, 안전 차단이 되지 않아 기계 손상이 발생한다.

빙축열조
유지보수가 간편한 빙축열 시스템을 갖춘 공조시스템이 최근 몇 년간 구축되었다. 재 냉각 용량을 포함하여 냉동기와 연결된 부하는 기본 부하에 대해서만 산정한다. 최대 부하의 약 50% 이상의 부하는 저장된 얼음으로 커버한다. 브라인은 열 매체로 역할을 한다. 시스템 구조에 따라, 시스템으로의 연결은 수력완충기 또는 시스템 절연기(열 교환기)를 통해 할 수 있다.
각 부하 상태에 대한 밸브의 스위칭 상태는 위 표에 나와 있다. 순환펌프를 통한 시스템 제어는 다양한 유량 저항이 나타난다. 저장냉수가 방출되면, 빙축열 조 펌프는 밸브 3과 4의 빙축열조의 저항을 극복해야 한다.

최대 부하로 운전시 추가 유량은 밸브 1의 위치에 따라 증발기 회로에 의해 유량이 강제적으로 추가되므로, 빙축열조 펌프는 더 큰 유량의 저항을 극복할 필요성이 있다.
증발기 펌프용으로 3가지 다른 부하 상태가 주어진다. 먼저 냉동기는 네트워크상에서 단독운전 하는 것이다. 밸브 2는 저항으로 표현된다. 만약 부하 작동이 필요하면, 밸브 1, 3 및 4뿐만 아니라 빙축열조의 저항도 있다. 만약 빙축열조가 충전되면, 밸브 1과 5 그리고 빙축열조에 대한 전원 손실은 증발기 펌프에 의해 극복되어야 한다. 이런 조건들 때문에 부피 또는 온도에 대한 증발기 펌프 제어는 증발기 후단에서 제어가 되어야 한다.

증발기 회로의 냉동기 보호

증발기 회로는 순환 펌프에 의해 영향을 받는다. 펌프 용량이 너무 작으면, 결상보호 또는 유량 제어기가 냉동기를 오작동 상태로 전환시켜 중지가 된다. 압축기를 가동 하기 전에 증발기 펌프를 가동 하고 followup 시간을 갖는다. 순환 펌프는 점화 / 시동 회로에 따라 정격 전력에 도달하려면 2초~1분 정도의 시간이 소요된다.
전원 차단 시, 일반적으로 순환 펌프는 2초 이내에 정지한다. 만약 3상 전원에서 1상이 누락되거나 전압이 부족하면, 전동기 작동이 저하된다. 순환 펌프는 모터 보호 계전기 해제를 하지 않고 정격 전원 하에서 가동한다.

이로 인해, 유량은 시스템에 의해 줄어들 수 있거나 또는 압축기 용량에 적합하지 않게 제어될 수 있으므로, 증발기 회로는 결상 보호 및 유량제어기를 반드시 갖추어야 한다. 패들(paddle), 차압 또는 유량 스위치를 유량 제어를 위해 사용할 수 있다. 또한 증발기 회로는 가압시스템과 안전 릴리프 밸브에 의해 정압 및 동압을 제어할 수 있다.

자체 순환 펌프가 달린 여러 대의 증발기가 운전하는 동안 필요 유량을 만족하기 위해서, 다른 배관 작업 및 수력 완충기 설치를 권장한다.

순환펌프의 보호

만약 국제사항을 준수하지 않으면, 순환 펌프는 부정확한 압력, 유체, 힘, 온도, 회로, 전원공급, 진동, 위치 및 제어 / 운전 모드에 의해 손상 또는 파손될 수 있다.

유체 압력, 유압

케이싱과 임펠러는 순환 펌프의 흡입측에서 과다하게 낮은 정압으로 캐비테이션에 의해 손상되거나 파괴될 수 있다. 흡입 배관 내 가스 및 공기로 인하여 진동이 발생한다면 흡입측 부위에 기계적 파손이 일어난다.

파손은 바로 일어나지 않더라도 장기간의 피로 누적으로 손상될 수 있다. 글랜드리스 펌프에서는 베어링 윤활이 되지않으며 글랜디드 펌프의 경우, 메카니칼씰 표면의 냉각막이 사라진다. 이러한 현상은 압력 게이지 또는 진공계 흡입 압력을 모니터링하여 방지할 수 있다.

과다하게 높은 정압은 케이싱 파손 및 메카니칼씰 기능을 상실 시키는 원인이 될 수 있다. 메카니칼씰에 과다하게 높은 접촉 압력은 메카니칼씰의 온도 상승 및 마모 속도를 앞당길 수 있다. 최대 압력 제어기로 펌프의 운전을 멈추거나 감압장치를 펌프 앞에 설치하여 방지한다.
펌프의 흡입측과 토출측 사이에 과도하게 높은 차압은 구동 에너지에의한 펌프 내의 과열을 야기하고 베어링과 씰의 조기 마모의 원인이 된다. 위와 같은 상황으로 운전시 펌프성능이 낮아지므로, 효율적 펌프 운전을 할 수 없다. 이것은 차압 제어, 펌프가 없는 휠링 밸브 또는 오버플로우 제어기에 의해 관리된다.

펌프 데이터 시트에 표기된 흡입과 토출 사이의 차압은 전동기의 과부하 및 베어링에 한계치 이상의 힘을 야기한다.유체와 접촉되는 회전 부품의 윤활막이 파괴된다. 이러한 상태는 차압 제어 또는 펌프의 체적 제한장치에 의해 방지할 수 있다.

예를 들어 펌프가 펌프 이후 부하의 공급기로써 수력 완충기 후에 설치되며, 부분 부하의 경우, 이 펌프의 잔여 차압은 너무 높지 않다. 그 다음 부하 펌프가 기동하여 과운전을 하게 된다. 이러한 작동 상황이 예상되면, 이차 펌프 앞의 차압 제어기가 그 해답이다.

유체
시스템 내의 열 매체로서 브라인 혼합수를 사용한다면, 펌프의 성능 데이터는 더 이상 적합하지 못하다. 모든 제조회사들은 각자 카달로그에 물의 특성을 명시한다. 결국 밀도와 점도를 1로 가정하게 된다. 혼합수에 의한 밀도 변화는 또 다른 유량을 의미한다.
유체내 마모물질은 펌프 고장을 앞당기는 원인이 된다. 이러한 이유로, VDI 2035 또는 VDTUV 승인된 유체로 채운다. 자세한 내용은 카달로그 및 각 유체 유형에 대한 유인물을 참조한다.

예를 들어 어떤 시스템이 물로 가압되고 비워진 다음 6주 후 브라인으로 채우면, 브라인 억제제가 배관의 녹을 용해하여 펌프의 회전부분의 조기 마모를 가져온다. 개방형 시스템의 경우, 유체는 지속적으로 모니터링을 해야 되고 적절한 재료를 선택해야 한다.
물 혼합물을 사용할 때 시스템은 정확한 혼합비율로 프리믹싱 탱크(Premixing Tank)에 의해 채워져야 한다. 나중에 혼합물을 추가하면 어디에서나 만족하는 농도로 되지 않으며, 에너지 운반은 일정하지 않게 된다. 또한 부식의 위험이 증가하게 된다.

힘
펌프는 온도에 따른 팽창 또는 진동에 의해 힘이 발생하는 배관라인 시스템에 설치되며, 흐르는 유체를 통하여 진동이 전달된다. 안전상의 이유로 펌프는 연결에 따른 부하 및 인장력이 없는 배관 시스템에 설치된다. 배관 고정에 대한 사항은 기술규격을 참조한다.
흐르는 상태의 유체는 곡관부 또는 밸브장치에 의해 야기된 유동의 방향 변화로 인해 역동적 힘이 발생한다. 이러한 이유로, 펌프는 흡입부와 토출부에 리퓨즈와 정류기와 함께 안정화된 구역에 설치 되어야 한다. 특히, 대유량인 경우 더욱 더 위 사항을 준수해야 한다.

온도
제어장치 고장으로 유체가 설계사양을 벗어나면 과다한 유체 온도로 인하여 캐비테이션 또는 과다한 유량이 발생한다. 유체 온도가 계획보다 낮으면 유량이 떨어진다. 두 가지 경우 모두, 전동기에 과부하가 발생하며 모터 보호장치가 펌프를 보호하기 위해 정지시킨다. 오늘날 시스템은 비용을 고려하여 관리자 없이 운전하므로, 경보 장비와 함께 온도를 모니터링 할 것을 권장한다.
펌프 주변 온도는 전동기 및 케이싱에 직접 작용한다.케이싱은 갑작스러운 온도 변화만 제외하고, 주변 온도에 민감하지 않다. 전동기는 특수설계 없이는 0℃ 이하 또는 40℃ 이상으로 작동할 수 없다. 따라서 기계 설치실은 환기가 잘 되거나 서늘해야 한다. 전동기에 직접 열이 방사되는 것에 주의 해야 한다.

회로
Y/△ 기동용 모터는 Y결선으로 영구 가동하지 않을 수 있다. 220V 구동장치는 380V 환경에 사용 될 수 없다. 저전압은 모터의 손상을 발생시킬 수 있다. 메인전원은 전동기에 적절하게 연결되어야 한다.(카달로그 참조)
모든 펌프는 유체에 에너지를 공급한다. 이러한 운동에너지는 에너지보전법칙에 따라 열로 전환된다. 유체가 있는 한, 펌프로부터 열이 전달된다. 스트레이트 밸브 또는 부하의 혼합 밸브는 닫히게 되고 열의 전도가 차단된다. 절연은 에너지 절감 규정을 따르며, 보온병의 원리와 동일하게 펌프부가 데워진다.

실제로 특히 냉각 부분의 경우, 가압 시스템은 110℃ 이상의 온도에 대해 대응되도록 설계되어 있지 않다. 하지만 펌프의 토출 밸브가 완전히 닫힌 상태에서는 초과할 수 있다. 유체를 냉각시키기 위해서는 오버플로우 장비가 도움이 된다. 모든 제어 밸브의 닫힘 위치를 모니터링하여 펌프 운전을 정지시키는 것이 더 중요하다. 또한 유체 신호 전달기로 차단할 수 있다. 이때 펌프는 제어 밸브의 열림을 확인 하기 위하여 강제시동으로 간헐적으로 다시 운전될 수 있다.

압력제어기로 운전점 압력을 감지하지 못하고, 작은 펌프의 유량지점에 도달 시 요구 압력을 만족하지 못한다면 동일 용량의 펌프를 사용하여 직렬운전하여야 한다.
유량제어기로 운전점 유량을 감지하지 못하고 작은 펌프가 운전하여도 요구 유량을 만족하지 못 할 경우에는 동일 용량 펌프를 사용하여 병렬 운전하여야 한다.
밀폐형 시스템에서, 토출 양정은 배관내 손실을 제외하고 펌프의 흡입측으로 전달 된다. 이러한 이유로, 가압 시스템은 항상 펌프의 흡입면에 있거나 유량을 조절하여 흡입측 압력을 감소 시킬 수 있는 제어 장치가 있어야 한다. 만약 설치 이유로 인해 이것이 불가능하면, 가압 시스템의 구성 압력은 펌프의 체절 양정까지 증가할 것이다.

<출처 월간PUMP 2015년 10월>