증발기(Evaporator)

증발기

- 팽창밸브에서 교축ㆍ팽창된 저온ㆍ저압의 냉매액이 피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 냉매액이 증발함으로써 실제 냉동의 목적을 이루는 열교환기의 일종.

 

팽창방식에 의한 분류

1. 직접팽창식(Direct Expansion Evaporator)

- 냉장실의 냉각관(증발관) 내에 직접 냉매를 순환시켜 피냉각 물체로부터 열을 흡수하는 방식으로 냉매의 잠열을 이용.

 

2. 간접 팽창식(Indirect Expansion Evaporator)

- 냉장실의 냉각관(증발관) 내에 간접 냉매인 브라인을 순환시켜 피냉각 물체로부터 열을 흡수하며 냉매의 현열을 이용하는 형식으로 브라인식 또는 간접 냉동방식이라 함.

 

3. 직접 팽창식과 간접 팽창식의 장ㆍ단점

3.1 직접 팽창식

3.1.1 장점

- 냉장실내 온도를 동일하게 유지하였을 때 냉매의 증발온도가 높다.

- 시설이 간단하다.

- 냉매 순환량이 적다.

 

3.1.2 단점

- 냉매누설에 의한 냉장품의 오염우려가 있다.(NH₃를 사용하는 경우)

- 냉동기 운전정지와 동시에 냉장실의 온도가 상승한다.

- 여러 냉장실을 동시에 운영할 때 팽창밸브 수가 많아진다.

 

3.2 간접 팽창식

3.2.1 장점

- 냉매누설에 의한 냉장품의 오염우려가 없다.

- 냉동기 정지에 따른 냉장실 온도의 상승이 느리다.

- 냉장실이 여러대라도 팽창밸브는 하나면 되므로 능률적인 운전이 가능하다.

 

3.2.2 단점

- 설비가 복잡하여 시설비가 비싸다.

- 순환 펌프 등을 사용하므로 소요동력이 증대하여 운전비가 많이 든다.

 

증발기 출구의 냉매상태에 따른 분류

1. 건식 증발기(Dry Expansion Type Evaporator)

- 증발기 내 냉매액이 25%, 냉매가스가 75% 존재한다.

- 증발관 내에 냉매액보다 가스가 많으므로 전열이 불량하다.

- 냉매액의 순환량이 적어 액분리가 불필요하다.

- 냉매공급이 위에서 아래로 공급(down feed type)되므로 유회수가 용이하여 유회수장치가 필요없다.

- NH₃ 사용시에는 유효 전열면적을 증대시키기 위해 냉매공급을 아래에서 위로 공급(up feed type)할 수 있다.

- 주로 공기냉각용으로 많이 사용한다.

 

2. 반만액식 증발기(Semi Flooded Type Evaporator)

- 증발기 내 냉매액이 50%, 냉매가스가 50% 존재한다.

- 냉매액이 건식보다 많아 전열이 양호하다.

- 냉매공급은 up feed 방식을 채택한다.

- 프레온 냉매 사용 시 냉각관에 Oil 이 체류할 수 있으므로 유회수에 유의해야 한다.

 

3. 만액식 증발기(Flooded Type Evaporator)

- 증발기 내 냉매액이 75%, 냉매가스가 25% 존재한다.

- NH₃ 냉동장치에서는 액압축을 방지하기 위해 액분리기를 설치한다.

- 프레온 냉동장치의 경우 충분한 능력의 열교환기 설치 시에는 액분리기를 설치하지 않아도 된다.

- 프레온 냉동장치에서는 증발기 내 Oil 이 체류할 수 있으므로 유회수 장치가 필요하다.

- 냉매액량이 많으므로 전열이 양호하다.

- 액체 냉각용에 주로 사용한다.

 

※ 만액식 증발기에서 냉매측의 전열을 좋게하는 방법

- 관이 냉매액과 접촉하거나 잠겨 있을 것

- 관경이 작고 관 간격이 좁을 것

- 관면이 거칠거나 핀(Fin)을 부착할 것

- 평균 온도차가 크고 유속이 적당히 클 것

- Oil이 체류하지 않을 것

 

※ 유체(피냉각물) 측의 전열을 좋게하는 방법

- 관 표면이 항상 액으로 잠겨 있을 것

- 관경이 작고 유속은 적당할 것

- 점도가 작고 난류일 것

- 냉각관 표면에서 증발한 수증기가 신속하게 제거될 것

 

4. 액 순환식(액 펌프식) 증발기(Liquid Pump Type Evaporator)

- 증발기 출구에 냉매액이 80%, 냉매가스가 20% 존재한다.

- 액 펌프를 이용하여 증발기에서 증발하는 냉매량의 4~6배의 냉매액을 강제순환 시킨다.

- 냉매액을 강제순환시키므로 Oil의 체류 우려가 없고 다른 형식의 증발기보다 순환되는 냉매액이 많으므로 전열이 가장 우수하다.(타 증발기보다 약 20%정도)

- 증발기가 여러대라도 팽창밸브는 하나이면 된다.

- 저압측 수액기(액분리기)가 있어 압축기에서의 액압축이 방지된다.

- 오일의 체류 우려가 없고 제상의 자동화가 용이하다.

- 냉매량이 많이 소요되며 액 펌프, 저압 수액기 등 설비가 복잡하다.

 

※ 액펌프 설치 시 주의사항

- 액펌프가 저압수액기보다 약 1.2m 정도 낮게 설치되어야 한다.(공동현상* 방지)

- 액펌프 흡입관의 마찰저항을 줄이기 위하여 흡입관경은 충분한 것으로 한다.

- 흡입관의 저항을 고려하여 여과기를 가능하면 설치하지 않는다.

- 흡입배관에 녹이나 먼지가 흡입되는 것을 방지하여 펌프의 파손을 방지한다.

* 공동현상(Cavitation)

- 펌프의 흡입관에서 마찰저항이 커지면 이에 대응하는 포화온도 저하로 공동이 발생하여 펌프가 정규 Pumping을 하지 못하고 소음과 진동을 수반하는 현상

 

냉각에 의한 분류

1. 공기 냉각용 증발기

1.1 관코일식 증발기(Hair Pin Coil Evaporator)

- 증발기의 기본형으로 동관 및 강관 자체로 제작한다.

- 핀(Fin)이 부착되어 있지 않으므로 전열이 불량하며 관이 길어져 압력강하가 크다.

- 관내에 냉매, 외측에 공기가 흐르고 모세관이나 TEV가 많이 사용된다.

- 냉장고 및 쇼케이스(Show Case) 등에 많이 이용된다.

 

1.2 캐스케이드 증발기(Cascade Type Evaporator)

- 냉매액을 냉각관 내에 순차적으로 순환시켜 도중에 증발된 냉매가스를 분리하면서 냉각한다.

- 충분한 용량의 액분리기가 있어 압축기에서의 액압축은 방지할 수 있으나 NH₃ 냉동장치에서는 과열 우려가 있다.

- 코일 내 냉매, 외측에 공기가 흐르며, 플로트식 팽창밸브를 많이 사용한다.

- 공기 동결용 선반 및 벽 코일로 제작 사용한다.

 

1.3 멀티피드 멀티석션 증발기(Multifeed Multisuction Evaporator)

- 캐스케이드식과 비슷한 구조이다.

- 주로 암모니아 냉매를 사용하는 공기 동결용 선반에 사용된다.

 

1.4 판형 증발기(Plate Type Evaporator)

- Al 이나 SUS판 2장을 압접하여 그 사이에 통로를 만들어 냉매가 통과하도록 한 구조이다.

- 관 내에 냉매, 외측에 공기가 흐르며, 모세관이나 TEV를 많이 사용한다.

- 가정용 냉장고, 쇼케이스, Contact Freezer에 주로 사용한다.

 

1.5 핀 코일식 증발기(Pinned Tube Type Evaporator)

- 나관에 알루미늄핀을 부착한 코일에 송풍기를 조합한 구조이다.

- 송풍기를 이용한 강제 대류식으로 부하변동에 신속히 대응할 수 있다.

- 냉장실 온도와 냉매의 증발온도차를 줄일 수 있다.

- TEV를 많이 사용하고 소형 냉동창고, 쇼케이스, 에어컨 등에 사용한다.

* 유니트 쿨러: 핀코일 증발기에 팬을 설치하여 강제대류시키는 증발기

 

2. 액체 냉각용 증발기

2.1 NH₃ 만액식 쉘 엔 튜브식 증발기(NH₃ Flooded Shell & Tube Type Evaporator)

- Shell 내 냉매, Tube 내에는 브라인이 흐른다.

- Float Valve를 사용하여 증발기 내의 액면을 일정하게 유지한다.

- 압축기에서 액압축의 우려가 있으므로 액분리기를 설치한다.

- 브라인 동결로 인한 Tube의 동파에 주의해야 한다.

- 주로 공업용 브라인 냉각장치를 사용한다.

 

2.2 Freon 만액식 쉘 엔 튜브식 증발기(Freon Flooded Shell & Tube Type Evaporator)

- Shell 내 냉매, Tube 내에는 브라인이 흐른다.

- 증발기 내의 유회수가 곤란하여 특별한 유회수 장치가 필요하다.

- Shell 상부에 열교환기를 설치하여 액압축 방지와 과냉각을 증대시켜 냉동능력을 증대시켜 준다.

- Shell 하부에 액 헤더를 설치하여 냉매액의 분포를 고르게 한다.

- 냉매측의 열전달이 불량하므로 Low fin tube 를 사용한다.

- 브라인 또는 냉수 등의 동결로 인한 Tube의 동파에 주의한다.

- 공기조화장치, 화학공업, 식품공업 등의 브라인 냉각에 사용한다.

 

2.3 건식 쉘 엔 튜브식 증발기(Dry Shell & Tube Type Evaporator)

- Shell 내 브라인이 Tube 내에는 냉매가 흐른다.

- 건식이므로 냉매량이 적어 열통과율이 나쁘므로 전열을 양호하게 하기 위해 Inner fin tube를 사용한다.

- 건식이므로 냉각관의 동파 위험이 없고 별도의 수액기를 필요로 하지 않는다.

- 쉘 내 오일이 체류하지 않아 유회수 장치를 필요로 하지 않는다.

- 온도식 자동 팽창 밸브(TEV)를 많이 사용한다.

- Freon용 공기조화장치의 칠링 유니트(Chilling Unit)에 많이 사용한다.

 

※ 브라인의 동파 방지대책

- 증발압력조정밸브(EPR)를 설치한다.

- 동결방지용 TC를 설치한다.

- 단수릴레이를 설치한다.

- Brine에 부동액 첨가하여 사용한다.

- 냉수순환펌프와 압축기를 Inter-lock 시킨다.

 

2.4 보오델로 증발기(Baudelot Type Evaporator)

- 냉각관 상부에 설치된 피냉각액 저장조로부터 물이나 우유 등 피냉각액을 작은 구멍을 통해 흘러내리게 하면 피냉각액은 냉각관 외부를 막상(膜狀)을 이루며 위로부터 아래로 흘러내려 냉매와 열교환을 한다.

- Tube 내 냉매, Tube 외측에 피냉각물(브라인)이 흐른다.

- 구조는 대기식 응축기와 비슷하다.

- 냉각관이 스테인레스로 제작되어 위생적이고 청소가 용이하다.

- NH₃는 만액식, Freon은 반만액식을 사용하며 저압측 플로트를 사용한다.

- 식품 공업에서 물 및 우유, 각종 기름 등을 냉각하는데 사용한다.

 

2.5 쉘 엔 코일식 증발기(Shell & Coil Type Evaporator)

- 코일 내에 냉매, 쉘 내에 브라인이 흐른다.

- 열통과율이 나쁘며 주로 프레온 소형 냉동장치에 사용한다.

- 건식 증발기에 사용되며 TEV를 주로 사용한다.

- 음료수 냉각용으로 주로 사용한다.

 

2.6 헤링본식(탱크형) 증발기(Herring Bone Type Evaporator)

- 주로 NH₃ 만액식 증발기는 제빙장치의 브라인 냉각용 증발기로 사용한다.

- 상부에 가스헤더가 있고 하부에 액헤더가 있다.

- 탱크 내에는 교반기(Agitator)에 의해 브라인이 0.75m/s 정도로 순환한다.

- 주로 플로트 팽창밸브를 사용하며 다수의 냉각관을 붙여 만액식으로 사용하기 때문에 전열이 양호하다.

 

※ CA 냉장(Controller Atmosphere Storage Room)

- 청과물 저장시 보다 좋은 저장성을 확보하기 위해 냉장고 내의 산소를 3~5% 감소시키고 탄산가스를 증가시켜 청과물의 호흡을 억제하여 신선도를 유지하기 위한 냉장