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플래시 가스 (냉동)

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목차

1. 개요

플래시 가스는 냉동 시스템에서 액체 냉매가 팽창 밸브를 통과하기 전, 액체 라인에서 부분적으로 증발하여 발생하는 가스를 의미한다. 이는 냉매 부족, 열 흡수, 압력 손실, 냉매의 품질 저하 등 다양한 원인으로 발생하며, 액체 라인의 검사창을 통해 감지할 수 있다. 플래시 가스는 냉동 능력 감소, 시스템 효율 저하, 장비 수명 단축과 같은 부정적인 영향을 미치므로, 수액기 설치, 과냉각, 배관 설계, 단열 등을 통해 예방할 수 있다.

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플래시 가스 (냉동)

2. 원인

작동 압력에서의 특정 부피가 액체 라인의 가스가 차지할 수 있는 부피보다 낮을 때 발생하며, 이 공간을 차지하는 냉매의 부분 증발이 발생한다.

이는 다음으로 인해 발생할 수 있다.


  • 순환(로)에 냉매가 부족한 경우
  • 섹션이 너무 많거나 길이가 너무 긴 액체 라인인 경우


==== 열 흡수 및 압력 손실 ====

냉매 배관의 단열 불량, 과도한 길이, 좁은 직경 등으로 인해 냉매가 외부 열을 흡수하거나 압력 손실이 발생하면 플래시 가스가 발생할 수 있다.[4] 특히, 배관 내 마찰과 같은 내부 에너지원도 열 흡수를 유발할 수 있다.[4] 수직 배관의 과도한 높이, 부적절한 펌핑 장치 등도 압력 손실을 유발하여 플래시 가스 발생의 원인이 된다.[4]

플래시 가스 발생의 가장 흔한 원인에 대한 작은 그림


액체 라인에서 유체가 증발을 통해 상 변화를 겪는 가장 흔한 원인은 파이프라인의 과도한 길이, 파이프라인의 작은 직경, 그리고 과냉각의 부족이다.[4] 이러한 조건들은 저압 지점을 생성하여, 파이프라인이 단열재의 틈새 등으로 열에 노출될 경우, 유체의 상 변화를 시작하게 할 수 있다.[4] 만약 과냉각이 불충분하다면 냉매는 포화 증기 곡선에 가까운 열역학적 조건에 머물게 되어 플래시 가스 형성을 촉진한다.

액체 라인의 열 흡수와 압력 손실은 포화 유체의 조건을 변경하여 냉매가 끓어 플래시 가스를 생성할 정도로 영향을 미친다.

==== 냉매의 양과 품질 ====

냉매 부족 또는 누출은 배관 내 빈 공간을 증가시켜 플래시 가스 발생을 유발한다.[3] 이는 냉매가 증발이라는 상변화를 겪게 할 수 있다. 냉매 부족은 시스템 및 배관의 크기와 설계에 따라 과냉각 (및 과열)이 전반적으로 증가하는 반대 효과를 낼 수도 있다.

냉매의 열화(오염, 화학적 분해 등)는 냉매의 물리적 특성을 변화시켜 플래시 가스 발생 가능성을 높인다. 공비 혼합물인 구동 냉매를 사용할 때 누출, 화학적 분해 등으로 냉매 조성이 변화하면 시스템 성능 저하, 윤활유 순환 또는 조성 변경, 장비 고장을 유발할 수 있다.[3]

==== 팽창 밸브 이후의 가스 생성 ====

냉매는 팽창 밸브를 지나 증발기에 도달하기 전, 팽창 밸브 직후부터 증발하기 시작하는 것을 흔히 볼 수 있다. 이것은 플래시 가스로 간주될 수 있지만, 일반적으로 냉동 사이클에 문제를 일으키지는 않는다. 많은 냉동 시스템은 팽창 밸브를 냉각되는 방 안에 설치하여, 방에서 열을 흡수하여 팽창과 증발기 사이에서 이러한 종류의 플래시 가스를 생성함으로써 생산적인 냉동을 만들어낸다. 팽창 밸브는 밸브에 도달하는 유체가 끓고 있다면 작동을 제대로 조절하지 못하며, 이 경우 끓는 현상은 팽창 후에 발생한다.

2. 1. 열 흡수 및 압력 손실

냉매 배관의 단열 불량, 과도한 길이, 좁은 직경 등으로 인해 냉매가 외부 열을 흡수하거나 압력 손실이 발생하면 플래시 가스가 발생할 수 있다.[4] 특히, 배관 내 마찰과 같은 내부 에너지원도 열 흡수를 유발할 수 있다.[4] 수직 배관의 과도한 높이, 부적절한 펌핑 장치 등도 압력 손실을 유발하여 플래시 가스 발생의 원인이 된다.[4]

액체 라인에서 유체가 증발을 통해 상 변화를 겪는 가장 흔한 원인은 파이프라인의 과도한 길이, 파이프라인의 작은 직경, 그리고 과냉각의 부족이다.[4] 이러한 조건들은 저압 지점을 생성하여, 파이프라인이 단열재의 틈새 등으로 열에 노출될 경우, 유체의 상 변화를 시작하게 할 수 있다.[4] 만약 과냉각이 불충분하다면 냉매는 포화 증기 곡선에 가까운 열역학적 조건에 머물게 되어 플래시 가스 형성을 촉진한다.

액체 라인의 열 흡수와 압력 손실은 포화 유체의 조건을 변경하여 냉매가 끓어 플래시 가스를 생성할 정도로 영향을 미친다.

2. 2. 냉매의 양과 품질

냉매 부족 또는 누출은 배관 내 빈 공간을 증가시켜 플래시 가스 발생을 유발한다.[3] 이는 냉매가 증발이라는 상변화를 겪게 할 수 있다. 냉매 부족은 시스템 및 배관의 크기와 설계에 따라 과냉각 (및 과열)이 전반적으로 증가하는 반대 효과를 낼 수도 있다.

냉매의 열화(오염, 화학적 분해 등)는 냉매의 물리적 특성을 변화시켜 플래시 가스 발생 가능성을 높인다. 공비 혼합물인 구동 냉매를 사용할 때 누출, 화학적 분해 등으로 냉매 조성이 변화하면 시스템 성능 저하, 윤활유 순환 또는 조성 변경, 장비 고장을 유발할 수 있다.[3]

2. 3. 팽창 밸브 이후의 가스 생성

냉매는 팽창 밸브를 지나 증발기에 도달하기 전, 팽창 밸브 직후부터 증발하기 시작하는 것을 흔히 볼 수 있다. 이것은 플래시 가스로 간주될 수 있지만, 일반적으로 냉동 사이클에 문제를 일으키지는 않는다. 많은 냉동 시스템은 팽창 밸브를 냉각되는 방 안에 설치하여, 방에서 열을 흡수하여 팽창과 증발기 사이에서 이러한 종류의 플래시 가스를 생성함으로써 생산적인 냉동을 만들어낸다. 팽창 밸브는 밸브에 도달하는 유체가 끓고 있다면 작동을 제대로 조절하지 못하며, 이 경우 끓는 현상은 팽창 후에 발생한다.

작동 압력에서의 특정 부피가 액체 라인의 가스가 차지할 수 있는 부피보다 낮을 때 플래시 가스가 발생하며, 이 공간을 차지하는 냉매의 부분 증발이 발생한다. 이는 순환(로)에 냉매가 부족하거나, 섹션이 너무 많거나 길이가 너무 긴 액체 라인인 경우에 발생할 수 있다.

3. 감지

플래시 가스는 액체 라인의 검사창에서 기체, 거품 또는 액체의 거품이 이는 현상을 관찰하여 시스템에서 감지할 수 있다. 검사창의 위치에 따라, 이는 과부하된 응축기를 나타낼 수도 있으며, 검사창에 이러한 지표가 없다고 해서 액체 라인에서 플래시 가스 형성을 확실히 배제할 수는 없다.

냉매의 포화 표를 고려할 때, 일정량의 응축기 과냉각이 생성되고 있음을 확인하고, 검사창에서 여전히 액체 라인에 기체가 보인다면, 이는 응축기와 검사창 사이에서 플래시 가스가 생성되고 있음을 나타낼 수 있다. 플래시 가스 현상은 액체 라인에서 오해를 불러일으키는 온도 강하를 유발할 수 있으며, 이는 과냉각으로 오해될 수 있다. 이는 냉매가 온도 감소로 얻은 열의 일부를 사용하여 파이프의 부피를 해당 압력에서 채울 수 있도록 자체적으로 증발을 완료하기 때문이다.

4. 예방

플래시 가스를 응축 부족과 혼동해서는 안 되지만, 리시버, 내부 열교환기, 단열재, 냉동 사이클 최적화 장치와 같은 특수 장비를 사용하면 응축을 개선하고 액체 라인의 가스를 방지할 수 있다.

냉매 라인에서 플래시 가스를 방지하기 위한 노력에는 냉각 시스템과 배관의 신중한 설계뿐만 아니라 이러한 유형의 어려움을 해결하는 데 도움이 될 수 있는 장비의 통합도 포함된다.
수액기 설치냉매 수액기를 포함하는 것은 액체 라인의 가스 비율을 줄이는 일반적이고 저렴하며 간단한 방법이다.[5] 수액기 이후 과냉각 단계를 통합하면 플래시 가스를 관찰할 가능성이 더욱 줄어든다.[5] 이 과냉각은 주 응축기의 일부 또는 열 교환기를 사용하여 별도로 수행할 수 있다. 일부 수액기는 과냉각된 액체에서 열을 끌어 압축기 흡입 가스를 과열시키는 내부 열 교환기를 통합할 수 있다. 또한 냉동 사이클 최적화 장치와 같은 다양한 종류의 독립적인 과냉각 디스플레이 및 응용 프로그램이 있는데, 이러한 장치는 냉매의 포화 곡선에서 온도를 낮춤으로써 액체 라인에서 플래시 가스를 방지하는 데 도움이 된다.[6]
과냉각일부 시스템은 증발기로 가는 냉매에서 플래시 가스를 분리하여 처리한다. 해당 냉매의 일부는 이미 증발되었고 과열만 증가시킬 것이기 때문이다.[6]
배관 설계플래시 가스 예방의 주요 특징 중 하나는 배관의 직경이다. 파이프가 너무 가늘고 길면 압력 손실과 마찰이 발생하기 쉽다. 증발기가 수액기보다 너무 높이 있으면 상승하는 파이프가 최상단 부분에 약간의 진공을 생성하여 유체가 비등하고 플래시 가스를 생성하게 된다. 반대로 무게와 압력을 생성하는 냉매 기둥은 플래시 가스를 발견할 가능성을 줄일 수 있다. 증발기가 수액기 아래에 위치한 판형 열교환기인 경우 압력으로 인해 냉매가 쉽게 끓지 않습니다.
단열액체 라인의 단열은 파이프를 통해 열이 흡수되고 있다는 것을 확인할 수 있는 경우 유용할 수 있다. 반대로, 액체 라인의 액체가 외부 공기보다 더 뜨거우면 해당 부분의 파이프를 단열하면 자연 과냉각이 부분적으로 감소하여 플래시 가스가 증가할 수 있다.

4. 1. 수액기 설치

냉매 수액기를 포함하는 것은 액체 라인의 가스 비율을 줄이는 일반적이고 저렴하며 간단한 방법이다.[5] 수액기 이후 과냉각 단계를 통합하면 플래시 가스를 관찰할 가능성이 더욱 줄어든다.[5] 이 과냉각은 주 응축기의 일부 또는 열 교환기를 사용하여 별도로 수행할 수 있다. 일부 수액기는 과냉각된 액체에서 열을 끌어 압축기 흡입 가스를 과열시키는 내부 열 교환기를 통합할 수 있다. 또한 냉동 사이클 최적화 장치와 같은 다양한 종류의 독립적인 과냉각 디스플레이 및 응용 프로그램이 있는데, 이러한 장치는 냉매의 포화 곡선에서 온도를 낮춤으로써 액체 라인에서 플래시 가스를 방지하는 데 도움이 된다.[6]

4. 2. 과냉각

냉매를 과냉각하면 플래시 가스 발생을 줄일 수 있다.[5] 주 응축기 또는 별도의 열교환기를 사용하여 과냉각을 수행할 수 있다.[5] 일부 수액기는 내부 열교환기를 통해 압축기 흡입 가스를 과열시키면서 액체 냉매를 과냉각하는 기능을 제공한다.[5] 냉동 사이클 최적화 장치 등 독립적인 과냉각 장치를 활용하여 냉매의 온도를 낮춤으로써 플래시 가스를 방지할 수도 있다.[6]

배관의 직경도 플래시 가스 예방에 중요한 요소이다. 파이프가 너무 가늘고 길면 압력 손실과 마찰이 발생하기 쉽다. 증발기가 수액기보다 높이 있으면 상승하는 파이프 상단에 진공이 생성되어 유체가 끓고 플래시 가스가 발생할 수 있다. 반대로 냉매 기둥의 무게와 압력은 플래시 가스 발생 가능성을 줄일 수 있다. 증발기가 수액기 아래에 위치한 판형 열교환기인 경우, 압력으로 인해 냉매가 쉽게 끓지 않는다.

액체 라인의 단열은 파이프를 통해 열이 흡수되는 경우 유용할 수 있다. 하지만 액체 라인의 액체가 외부 공기보다 더 뜨거우면 단열은 자연 과냉각을 감소시켜 플래시 가스를 증가시킬 수 있다.

4. 3. 배관 설계

배관 직경은 플래시 가스 발생에 큰 영향을 준다. 너무 가늘고 긴 배관은 압력 손실과 마찰을 증가시켜 플래시 가스를 유발하기 쉽다.[6] 증발기가 수액기보다 높은 위치에 있으면, 상승 배관 상단에 진공이 발생하여 유체가 비등하고 플래시 가스가 발생할 수 있다.[6] 반대로, 냉매 기둥의 무게와 압력은 플래시 가스 발생 가능성을 줄일 수 있는데, 증발기가 수액기 아래에 위치한 판형 열교환기가 이에 해당한다.[6]

4. 4. 단열

액체 라인의 단열은 외부 열 흡수를 줄여 플래시 가스 발생을 예방하는 데 도움이 된다.[5][6] 그러나 액체 냉매가 외부 공기보다 뜨거운 경우, 단열은 오히려 자연적인 과냉각을 감소시켜 플래시 가스 발생을 증가시킬 수 있다.

5. 시스템에 미치는 영향

플래시 가스를 방지할 때는 시스템의 다른 모든 기능과 이 기능에 미치는 영향을 고려해야 한다. 파이프라인 직경을 늘리면 오일 순환에 영향을 미치고 가스 압축기에 영향을 미칠 수 있다. 냉매 기둥이 액체 라인에서 무게 압력을 생성하는 것은 플래시 가스에 대한 해결책이 될 수 있지만, 팽창 및 증발에 영향을 미칠 수 있다. 증발기가 넘쳐 액체가 가스 압축기에 도달하면 심각한 합병증이 발생하여 압축기를 파괴할 가능성이 높다(특히 압축기가 수신기 아래에 있는 경우).

5. 1. 오일 순환

배관 직경을 늘리면 오일 순환에 영향을 미쳐 가스 압축기에 문제를 일으킬 수 있다. 냉매 기둥이 액체 라인에서 무게 압력을 생성하는 것은 플래시 가스에 대한 해결책이 될 수 있지만, 팽창 및 증발에 영향을 미칠 수 있다. 증발기가 넘쳐 액체가 가스 압축기에 도달하면 심각한 합병증이 발생하여 압축기를 파괴할 가능성이 높다(특히 압축기가 수신기 아래에 있는 경우).

5. 2. 팽창 및 증발

냉매 기둥이 액체 라인에서 무게 압력을 생성하는 것은 플래시 가스에 대한 해결책이 될 수 있지만, 팽창 및 증발에 영향을 미칠 수 있다. 증발기가 넘쳐 액체가 가스 압축기에 도달하면 심각한 합병증이 발생하여 압축기를 파괴할 가능성이 높다(특히 압축기가 수신기 아래에 있는 경우). 파이프라인 직경을 늘리면 오일 순환에 영향을 미치고 가스 압축기에 영향을 미칠 수 있다.

5. 3. 가스 압축기

증발기에서 액체 냉매가 넘쳐 가스 압축기로 유입되면 심각한 손상을 유발할 수 있다. 특히 압축기가 수액기 아래에 있는 경우에는 더욱 그렇다.

6. 플래시 가스의 영향

플래시 가스가 액체 배관에 존재할 때 나타나는 주요 영향은 냉동 능력의 순손실이다.[2] 일반적으로 이는 두 가지 방식으로 발생한다. 첫째, 플래시 가스가 포함된 냉매와 같은 기체-액체 혼합물을 주입하는 경우 팽창 밸브가 제대로 작동하지 않는 경우가 많다. 둘째, 냉매가 기체 형태로 플래시되는 데 필요한 열의 일부는 냉매를 이동시키는 가스 압축기에 의해 가해지는 압력과 같은 기계적 작업에서 나온다.

증발 부족과 작업에서 열로의 에너지의 부적절한 변환은 파이프를 따라 압력과 온도를 증가시키고, 공정의 열역학적 가역성을 감소시키며, 전체 사이클에서 발생하는 엔트로피의 전체 크기를 증가시킨다. 이는 사이클의 냉동 효율이 카르노의 이론적 이상 효율에서 멀어질수록 악화됨을 의미한다.

성능 손실은 시스템이 더 적은 냉동을 생성하기 위해 더 많은 에너지를 사용함을 의미한다. 게다가, 이러한 종류의 효율 손실은 기어의 활용을 저하시킬 뿐만 아니라, 특히 팽창 밸브와 가스 압축기와 같은 주요 구성 요소의 작동 수명을 단축시킬 수 있다.

6. 1. 냉동 능력 감소

플래시 가스가 액체 배관에 존재하면 냉동 능력의 순손실이 발생한다.[2] 이는 주로 두 가지 방식으로 나타난다. 첫째, 플래시 가스가 포함된 냉매와 같은 기체-액체 혼합물을 주입하면 팽창 밸브가 제대로 작동하지 않을 수 있다. 둘째, 냉매가 기체 형태로 플래시되는 데 필요한 열의 일부는 냉매를 이동시키는 가스 압축기의 기계적 작업에서 비롯된다.[2]

증발 부족과 에너지의 열로의 부적절한 변환은 파이프를 따라 압력과 온도를 증가시키고, 공정의 열역학적 가역성을 감소시키며, 전체 사이클에서 발생하는 엔트로피의 크기를 증가시킨다.[2] 이는 사이클의 냉동 효율이 카르노의 이론적 이상 효율에서 멀어지는 결과를 초래한다.[2] 성능 손실은 시스템이 더 적은 냉동을 생성하기 위해 더 많은 에너지를 사용함을 의미하며, 팽창 밸브와 가스 압축기 등 주요 구성 요소의 작동 수명을 단축시킬 수 있다.[2]

6. 2. 시스템 효율 저하

플래시 가스가 액체 배관에 존재하면 냉동 능력이 순손실된다.[2] 팽창 밸브가 제대로 작동하지 않거나, 냉매가 기체 형태로 플래시될 때 필요한 열의 일부는 냉매를 이동시키는 가스 압축기의 압력과 같은 기계적 작업에서 나온다.

증발 부족과 작업에서 열로의 에너지의 부적절한 변환은 파이프를 따라 압력과 온도를 증가시키고, 공정의 열역학적 가역성을 감소시키며, 전체 사이클에서 발생하는 엔트로피를 증가시킨다.[2] 이는 사이클의 냉동 효율이 카르노의 이론적 이상 효율에서 멀어지게 하여, 시스템이 더 적은 냉동을 생성하기 위해 더 많은 에너지를 사용하게 만든다.[2] 또한, 팽창 밸브와 가스 압축기와 같은 주요 구성 요소의 작동 수명을 단축시킬 수 있다.[2]

6. 3. 장비 수명 단축

플래시 가스는 팽창 밸브와 가스 압축기와 같은 주요 구성 요소의 작동 수명을 단축시킬 수 있다.[2] 이는 시스템이 더 적은 냉동을 생성하기 위해 더 많은 에너지를 사용하게 만들어 성능 손실을 야기한다.

참조

[1] 웹사이트 Engineering Toolbox, Terminology. Flash-Gas http://www.engineeri[...]
[2] 서적 Refrigeration and Air Conditioning Technology 2005
[3] 웹사이트 HVAC Information - Troubleshooting. Flash-Gas http://www.hvacrinfo[...]
[4] 간행물 ACRP Remote Air-Cooled Condenser, Application and Placement 2007
[5] 간행물 Holdover Plates, Transport Refrigeration Systems http://www.herculesv[...] Hercules Manufacturing Company 2009
[6] 웹사이트 SWEP, Refrigeration Systems. Two Stages http://www.swep.net/[...]
[7] 웹사이트 엔지니어링 도구 상자, 용어. 플래시 가스 http://www.engineeri[...]
[8] 서적 냉동 및 공조 기술 2005
[9] 웹사이트 HVAC 정보 - 문제 해결. 플래시 가스 http://www.hvacrinfo[...]


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