[공조냉동기계] 압축기의 종류와 특징, 필수 암기공식 정리

1. 압축기의 기본 역할과 중요성

압축기는 냉동사이클에서 냉매의 압력과 온도를 높이는 핵심 장비입니다.

증발기에서 저온·저압 상태로 나온 냉매증기를 흡입하여 고온·고압으로 압축함으로써 응축기에서 열을 방출할 수 있도록 만드는 중요한 역할을 수행합니다.
압축기의 성능은 전체 냉동시스템의 효율을 좌우하므로 적절한 압축기 선택과 운전이 매우 중요합니다.

특히 압축기는 "체적형(용적형)"과 "터보형(원심형)"으로 크게 구분되며 각각의 특성에 따라 다양한 용도에 활용됩니다.

 

 

2. 밀폐구조에 의한 압축기 분류

(1) 개방형 압축기 (Open Type Compressor)

개방형 압축기는 압축기와 전동기가 분리되어 있는 구조로, 주로 대형 냉동설비에 사용됩니다.

압축기의 구동축이 외부로 나와 있어 "샤프트 씰(Shaft Seal)"이 필요하며, 이 부분에서 냉매 누설의 가능성이 있습니다.

 

개방형 압축기의 장점

• 회전수 조절 용이 : 풀리 교환을 통해 회전수를 변경 가능
• 수리 용이 : 모터와 압축기가 분리되어 있어 각각 독립적으로 수리 가능
• 다양한 원동기 사용 가능 : 전기모터 외에도 엔진, 터빈 등으로 구동 가능

 

개방형 압축기의 단점

• 냉매 누설 위험 : 샤프트 씰 부분에서 냉매 누설 가능성
• 큰 소음 : 외부 모터와 연결부로 인해 소음 발생
• 큰 설치공간 : 모터와 압축기가 분리되어 설치면적이 넓음

 

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(2) 밀폐형 압축기 (Hermetic Type Compressor)

밀폐형 압축기는 모터와 압축기가 하나의 밀폐된 케이싱 안에 들어있는 구조입니다. 

가정용 냉장고, 에어컨 등 소형 냉동기에 주로 사용되며, 서비스 밸브의 개수에 따라 세분화됩니다.

 

반밀폐형 (Semi-Hermetic)

• 서비스 밸브 2개 설치 (고압측, 저압측)
• 볼트 조립으로 분해 점검 및 수리 가능
• 중형 냉동설비에 적합

 

전밀폐형 (Welding Type)

• 서비스 밸브 1개 설치 (주로 저압측)
• 모터가 상부, 압축장치가 하부에 위치
• 수리 시 케이싱을 절단해야 함

 

완전밀폐형 (Hermetic Sealed Type)

• 서비스 밸브 없음 
• 가정용 냉장고, 창문형 에어컨에 주로 사용
• 일회용 성격이 강함

밀폐형 압축기의 장점

• 냉매 누설이 거의 없음 : 완전 밀폐구조로 누설 위험이 적음
• 소음이 적음 : 내장형 구조로 소음이 작음
• 소형 경량 : 컴팩트한 설계로 공간 절약이 가능
• 과부하 운전 가능 : 모터 냉각이 효과적

밀폐형 압축기의 단점

• 회전수 조정 불가 : 고정 회전수로만 운전
• 분해수리 곤란 : 밀폐구조로 인해 수리가 어려움
• 전원 필수 : 전기가 없는 곳에서는 사용할 수 없음

 

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3. 압축방식에 의한 압축기 분류

(1) 왕복동식 압축기 (Reciprocating Compressor)

왕복동식 압축기는 피스톤의 왕복운동을 이용하여 냉매가스를 압축하는 방식입니다.

가장 널리 사용되는 압축기로 고압 달성이 용이한 특징이 있습니다.

 

단동식과 복동식의 차이

• 단동식 (Single Acting) : 크랭크축 1회전당 1번의 흡입과 토출
• 복동식 (Double Acting) : 크랭크축 1회전당 2번의 흡입과 토출
     ※ 복동식은 피스톤의 상·하 양면을 모두 활용하여 효율을 높인 구조로, 같은 크기에서 더 큰 용량을 얻을 수 있음

 

왕복동식 압축기의 특징

• 고압 달성 용이 : 압축비가 높은 운전에 적합
• 다양한 용량 대응 : 소형부터 대형까지 광범위한 용량 제작 가능
• 맥동 현상 : 피스톤 왕복운동으로 인한 압력 맥동이 발생

 

(2) 회전식 압축기 (Rotary Compressor)

회전식 압축기는 로터의 회전운동으로 냉매를 압축하는 방식

편심 로터가 실린더 내에서 회전하면서 체적을 변화시켜 압축효과를 얻음

회전식 압축기의 장점

• 연속적인 압축 : 맥동이 적고 안정적인 토출
• 소형 경량 : 회전운동으로 컴팩트한 설계 가능
• 소음이 적음 : 왕복운동 대비 진동과 소음이 적음

 

(3) 터보식 압축기 (Turbo/Centrifugal Compressor)

터보식 압축기는 임펠러의 고속 회전으로 냉매에 속도 에너지를 주고, 이를 압력 에너지로 변환하여 압축하는 방식입니다.

원심식 압축기라고도 불리며, 대용량 냉동설비에 주로 사용됩니다.

 

터보식 압축기의 특징

• 대용량 적합 : 500HP 이상의 대형 설비에 주로 사용
• 오일프리 : 윤활유가 냉매에 혼입되지 않아 깨끗한 가스 생산
• 고속 회전 : 증속기어를 통해 고속으로 회전

터보식 압축기의 장점

• 맥동 없는 토출 : 연속적이고 안정적인 압축
• 소형 경량 : 동일 출력 대비 크기가 작음
• 써징 현상 : 유량이 설계치의 70-80% 이하로 떨어지면 불안정 운전

 

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4. 흡수식 냉동기의 원리와 특성

흡수식 냉동기는 열에너지를 이용하여 냉동효과를 얻는 시스템으로 기계적 압축 대신 흡수와 재생 과정을 통해 냉매를 순환시킵니다.

(1) 흡수식 냉동기의 구성요소

4가지 주요 구성요소

• 증발기 (Evaporator): 6.5mmHg, 5℃에서 냉매(물) 증발
• 흡수기 (Absorber): 55mmHg에서 LiBr 용액이 냉매증기 흡수
• 재생기 (Generator): 온수로 가열하여 냉매와 흡수제 분리
• 응축기 (Condenser): 55mmHg, 40℃에서 냉매증기 응축

 

흡수식 냉동기의 작동원리

냉매인 "물(H₂O)"과 흡수제인 "브롬화리튬(LiBr)"을 사용하여 압력차를 이용해 물이 저온에서 증발할 수 있도록 합니다.

증발기와 재생기는 6.5mmHg의 진공상태, 흡수기와 응축기는 55mmHg의 압력을 유지합니다.

 

흡수식 냉동기의 장점

• 에너지 효율 : 자동제어로 연료비가 비교적 적음
• 무소음 운전 : 기계적 압축기가 없어 소음이 거의 없음
• 안전성 : 과부하 상황에서도 사고 우려가 없음

 

흡수식 냉동기의 단점

• 넓은 설치면적 : 설비의 부피가 커 넓은 설치 면적을 필요로 함

• 비싼 설비비 : 부속설비의 크기가 커 설비비가 비쌈

• 초기 운전 : 열원으로 가열하는 동안 시간이 필요해 초기 예냉 시간이 길다

 

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5. 압축기 필수 암기 공식

(1) 체적 관련 공식

압축비

압축비는 고압 절대압력을 저압 절대압력으로 나누어 계산합니다.

여기서 응축기가 고압에 해당하고, 증발기는 저압에 해당해요.

몰리에르 선도에서 저압측과 고압측 압력을 확인할 수 있으며, 공식은 아래와 같습니다.

이론 피스톤 압출량 공식

• D : 실린더 직경 (m)
• L : 피스톤 행정 (m)
• N : 회전수 (rpm)
• n : 실린더 개수

 

체적효율 공식

체적효율은 일반적으로 0.7~0.9 범위의 값을 가지며, 압축비가 클수록, 클리어런스가 클수록, 흡입가스 과열이 클수록 감소합니다.

실제 흡입체적을 이론 흡입체적으로 나누어 계산합니다.

 

 

(2) 동력 관련 공식

이론동력 공식

• G : 냉매순환량 (kg/h)
• h₁, h₂ : 흡입, 토출 엔탈피 (kcal/kg)

 

실제동력 공식

• ηc : 압축효율 (0.8~0.95)
• ηm : 기계효율 (0.85~0.95)

 

 

6. 압축기 효율 및 선택 기준

(1) 압축기 3대 효율

• 체적효율 (ηv) : 실제 흡입량과 이론 흡입량의 비율
• 압축효율 (ηc) : 이론 압축일과 실제 압축일의 비율
• 기계효율 (ηm) : 지시동력과 축동력의 비율

     ※ 이 세 효율은 압축기 성능 평가의 핵심 지표로, 시험에서 자주 출제되는 중요한 개념입니다.

(2) 용량별 압축기 선택 가이드

• 소형 (가정용) : 밀폐형 왕복동식 또는 회전식
• 중형 (상업용) : 반밀폐형 왕복동식 또는 스크롤식
• 대형 (산업용) : 개방형 왕복동식 또는 터보식

 

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압축기는 냉동사이클의 심장부로서 그 종류와 특성을 이해하는 것이 필요합니다.

밀폐구조에 따른 분류(개방형, 반밀폐형, 밀폐형)와 압축방식에 따른 분류(왕복동식, 회전식, 터보식)를 구분하고, 각각의 장단점을 숙지해야 합니다. 이는 필기 뿐만 아니라 실기 필답형에서도 종종 종류와 특징을 답하는 문제가 출제되기 때문입니다.
특히 기출문제만 풀어보더라도 압축기 관련 공식들은 계산 문제에서 높은 빈도로 출제됩니다.