압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기로 구성되는 냉매시스템은

다양한 열 부하에 대응하기 위해 기능 추가 및 보강으로 시스템 성능을 향상시킨다.

본 내용에서는 그 추가 기능으로 활용되는 탠덤 압축기의 일부 압축기나

시스템 요소부품에 문제가 발생한 경우, 이를 정확하게 진단하며

시스템을 최적으로 제어하는 기술과 관련된 “탠덤 압축기의 운전과 제어”에 대해 기술하였다. <편집자 주>

1. 냉매시스템과 탠덤 압축기

일반적으로 공기조화나 냉동 기기에는 냉매를 순환시켜 냉각 및 열에너지를 발생하는 냉매시스템(refrigerant system)이 적용된다. 기본적인 냉매시스템은 냉매를 압축하는 압축기(compressor), 압축 냉매를 응축하는 응축기(condenser), 액체 냉매를 팽창시키는 팽창장치(expansion device), 그리고 냉매가 증발하는 증발기(evaporator)로 구성된다.

이와 같은 냉매시스템은 다양한 열 부하(thermal load)에 대응하기 위해 여러 가지의 선택 기능을 추가하거나 보강하여 시스템 성능을 향상시킨다. 이와 같은 추가 기능으로서 복수의 압축기로 구성된 탠덤 압축기(tandem compressor), 절약기 사이클(economizer cycle), 바이패스 회로(bypass circuit), 가변속 구동(variable speed drive) 및 재가열 기능(reheat function) 등이 있다.

여기에 이와 같은 기능에 대한 진단 및 예측 정보를 제공하는 제어 알고리즘(control algorithm)도 필요하다. 그러나 종래에는 탠덤 압축기의 일부 압축기나 시스템 요소부품에 문제가 발생한 경우, 이를 정확하게 진단하며 시스템을 최적 제어하는 기술은 찾기 어렵다. 다음은 이를 개선한 기술과 관련된 “탠덤 압축기의 운전과 제어”에 대해 기술한다.

2. 냉매시스템의 이해

가. 기능 보강된 냉매시스템

본 내용은 특징과 기능이 보강된 냉매시스템에 관련된다. 즉 탠덤 압축기와 같은 복수의 압축기, 절약기 사이클, 바이패스 회로, 가변속 구동 및 재가열 기능을 적용한 냉매시스템에 관한 것이다.

또한 이와 같이 강화된 특징들에 대한 진단 및 예측 정보를 제공하는 제어 알고리즘을 갖는 냉매시스템에 관한 것이다.

나. 냉동시스템의 이용 현황

난방, 환기, 공기조화 및 냉동시스템은 다양한 환경조건을 조절하는데 이용된다. 이 시스템은 일반적으로 폐쇄 회로를 순환하는 냉매를 사용하며, 에어컨, 열펌프, 냉장유닛 등에 응용된다. 다양한 환경조건으로부터의 열 부하 요구를 만족시키기 위해 많은 성능향상 기술과 시스템이 도입된다.

기본적인 냉매시스템에 있어서 압축기는 냉매를 압축하여 응축기로 보낸다. 응축기를 지난 냉매는 팽창장치를 경유, 증발기를 통과한 후 다시 압축기로 돌아온다. 이러한 기본 시스템은 환경조건에 대응하기 위해 여러 가지의 선택 기능을 추가하거나 보강한다.

이 중의 하나로 탠덤 압축기가 있다. 탠덤 압축기는 공통의 흡입 매니폴드(suction manifold)로부터 냉매를 공급받아 독립적으로 냉매를 압축하여 공통의 토출 매니폴드로 보내는 다수의 압축기다. 냉매시스템의 용량을 조절하기 위해 각 압축기는 독립적으로 동작하거나 정지한다. 많은 경우의 탠덤 압축기에는 성능과 신뢰성 향상을 위해 오일(oil) 및 증기평형 라인(vapor equalization lines)이 구성된다.

다. 냉매시스템의 성능 향상 방법

냉매시스템의 용량을 조절하는 방법 중에는 압축기의 무부하 기능(unloading function)이 있다. 부분부하 용량(part-load capacity)이 요구될 시, 이 기능을 적용한 압축기는 압축한 냉매의 일부를 흡입라인에 복귀시킴으로써 냉매시스템에 흐르는 압축 냉매의 양을 감소시킨다. 압축기 무부하 방식은 탠덤 압축기를 사용하지 않는 시스템에도 적용된다.

냉매시스템의 성능 강화에 있어서, 탠덤 압축기와 함께 사용할 수 있는 방법으로서 압축기 모터의 속도를 변화시키는 가변속 구동이 있다.

이 방식은 주파수 제어로 압축기 모터 속도를 변화시켜 압축된 냉매의 유량을 조절함으로써 시스템 용량제어가 가능하게 된다. 이 방식은 탠덤 압축기 이외에도 적용할 수 있다.

탠덤 압축기와 함께 사용하며 성능을 향상시키는 또 다른 방법은 절약기 사이클의 적용이다. 절약기 사이클은 응축기 하류와 팽창장치의 상류에서 냉매 일부를 분기시켜 별도의 절약기 팽창장치로 통과시킨다. 이 분기된 냉매는 절약기 열교환기 내에서 주 회로에 흐르는 냉매를 냉각시킨다.

이에 따른 과냉각(subcooling)으로 용량과 시스템효율이 증가한다. 절약기 사이클은 단일 압축기나 순차적인 다단압축 시에도 적용되는 등 탠덤 압축기가 사용되지 않는 경우에도 적용된다.

탠덤 압축기와의 결합 여부와 관계없이 적용하는 다른 선택 방법에 재가열 방법이 있다. 재가열 사이클에서는 증발기 상류 유로에 배치한 재가열 열교환기에 증발기를 통과하는 냉매보다 따뜻한 냉매를 통과시킨다. 증발기에서 설정온도보다 과냉된 냉각용 공기는 재가열 열교환기를 통과하며 설정온도로 가열된다. 이에 따라 냉각용 공기 속의 습기의 양은 적어진다. 이외에 많은 재가열 시스템이 이용된다.

지금까지 많은 방식의 진단기능이 알려져 있다. 그러나 종래기술 중에는 몇 개의 탠덤 압축기 중 일부 압축기 또는 연결된 시스템 요소에 문제가 발생할 경우, 압축기와 연결 요소의 단계적 운전을 기초로 하는 진단 및 예측 시스템은 없다. 또한 일부 탠덤 압축기의 비정상 동작 발생 시 냉매시스템의 최적운전을 위한 제어시스템은 개발되지 않았다.

라. 추가적인 성능 향상 방법

본 내용에 의한 냉매시스템은 탠덤 압축기와 절약기 사이클, 바이패스 회로, 가변속 구동 및 이들의 조합과 같은 추가적인 성능 향상 방법을 갖는다. 그리고 냉매시스템은 단일 압축기나 복수의 압축기와 연결되는 재가열 향상 기능도 포함된다. 또한 이와 같은 강화 기능에 대한 진단 및 예측 정보를 제공하는 제어 알고리즘을 갖는다.

탠덤 압축기가 구성된 냉매시스템은 탠덤 압축기 중 적어도 한 대가 독립적으로 동작하도록 작동하고 제어한다. 각각의 탠덤 압축기가 운전을 시작하면 많은 시스템 동작변수(system operating parameters)를 감시한다. 이 변수 중에는 압축기 시스템의 흡입 및 토출 매니폴드에서 측정된 압력과 온도가 포함된다. 예로서 다른 탠덤 압축기가 운전을 시작하면 흡입압력은 내려가고 토출압력은 올라간다.

어떤 압축기가 동작하는 동안 예상한대로 운전조건이 바뀌지 않으면 이 압축기는 오동작하는 압축기로 간주된다. 정비를 위한 경고신호가 발신되는 동안, 필요한 용량을 위한 텐덤 압축기 운전제어로부터 오동작 압축기를 배제하도록 제어 알고리즘을 새롭게 고친다.

무부하 기능, 압축기 모터의 가변속 구동, 절약기 기능 등이 추가 적용되는 탠덤 압축기에 대해 유사한 진단기능이 적용된다. 이와 같은 모든 기능은 개별적으로나 또는 조합하여 적용한다.

무부하 기능이 동작되면 흡입압력은 올라가고 토출압력은 떨어지며 토출온도는 상승한다. 이것 중 어떤 위치든지 적합한 변환기(transducer)를 설치하여 설정된 허용범위 이상으로 변화하는지를 탐지해야 된다. 만일 변화가 없으면 무부하 기능은 오동작하는 것으로 간주된다. 탠덤 압축기 중 최소 한 대에는 무부하 기능이 장착된다.

마. 냉매시스템 요소의 동작과 정지

절약기 기능이 동작되면 흡입압력은 낮아지고 토출압력은 올라간다. 그리고 토출온도는 낮아진다. 운전변수 내에 이런 변화가 나타나지 않으면 절약기 회로 요소 중 하나가 오동작 한다는 것을 의미한다. 한 대 이상의 압축기에 절약기 기능이 장착되며, 이 압축기들이 절약기 열교환기와 절약기 팽창장치와 같은 보조(auxiliary)의 절약기 회로요소를 공유하거나 공유하지 않는다는 것에 주목해야 한다.

또한 압축기 속도가 상승할 때 흡입압력이 내려가지 않거나 토출압력이 올라가지 않으면 가변속 압축기가 오동작하는 것으로 간주한다. 그리고 재가열 기능이 동작하면 탠덤 압축기와의 연결에 관계없이 일반적으로 토출과 흡입, 양쪽 압력이 감소한다. 만일 이런 변화가 없으면 재가열 회로 안에 오동작하는 요소가 있는 것을 의미한다.

추가하여 각각의 냉매시스템 요소들이 동작하거나 정지하는 동안에 시스템의 대응 변수와 이 변수의 변동을 계속 감시하면, 관련 요소들의 성능저하에 대해 결론을 내릴 수 있고, 고장이 발생하지 않도록 예방 조치를 할 수 있다.

또한 어떤 기능이 작동하여 냉매시스템이 규격을 벗어나면 냉매시스템은 안전한 영역에서의 운전으로 수정(무부하 기능 작동이나 절약기능 해제 등)할 수 있다.

3. 냉매시스템의 성능 강화

본 내용에 따른 기능 추가 및 제어 시스템으로 냉매시스템의 성능이 강화되어 다양한 환경 요구 조건을 만족시킬 수 있다.

본 내용에 의한 진단 및 예측 시스템에 의해 각종 오동작 기능에 대한 진단 및 예측이 가능하다. 따라서 시스템의 고장 예방과 시스템에 대한 최적제어가 가능하다.

4. 냉매시스템에 대한 조언

에어컨, 열펌프, 냉장고와 같은 냉동·공조기기는 일반적으로 냉매(refrigerant)를 순환시켜 냉각 및 가열 에너지를 발생하는 냉매 사이클을 적용한 냉매시스템이다. 기본적인 냉매 사이클에서 압축기(compressor)에 의해 압축된 냉매는 응축기(condenser)에서 응축된 후 팽창장치(expansion device)를 경유, 증발기(evaporator)에서 증발한다.

변화하는 실내외 환경조건에 충분히 대응하기 위해서 냉매시스템은 기본 사이클에 여러 가지의 기능을 추가하거나 보강시켜야 한다. 이러한 기능에는 복수의 압축기로 구성된 탠덤 압축기(tandem compressor), 절약기 사이클(economizer cycle), 바이패스 회로(bypass circuit), 가변속 구동(variable speed drive), 재가열 기능(reheat function) 등이 있다.

또한 추가적으로 이와 같은 기능을 진단하고 예측하는 제어 시스템도 필요하다. 그러나 종래에는 복수의 압축기 중 일부 압축기나 주요부품에 문제가 발생한 경우, 진단 및 예측이 만족스럽지 않았다. 따라서 본 발명에 의한 기능의 오동작을 진단하고 예측하는 기술은 시스템의 성능과 신뢰성 향상에 큰 도움을 줄 것이다.

이와 같은 냉매시스템의 성능 향상과 진단 및 예측 기술은 사용자의 만족도 향상을 위해서 필요한 것이지만 에너지절약 측면에서 더욱 중요하다. 특히 부하의 크기에 따른 종래의 압축기 온오프 방식에 의한 단속운전에 비해 탠덤 압축기 및 압축기 모터의 가변속 구동에 의한 용량조절은 에너지절약 효과가 매우 크다.

또한 시스템 진단 및 예측 시스템도 정상 에너지 효율을 유지시키고 고장을 예방하는 데 매우 중요하다. 따라서 이상과 같은 냉매시스템의 성능 향상과 진단 및 예측 시스템 관련 기술은 특히 에너지절약 차원에서 개발이 확대되어야 한다.

* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원

* 출처 : Carrier Corporation, “Operation and control of tandem compressors and reheat function”, WO2008016348, pp.1~23

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