Mechanics Introduction

 산업 역학에서 작업(work), 에너지(energy), 힘(force), 그리고 동력(power) 간의 관계를 이해하는 것은 작업의 효율성을 극대화하는 데 필수적입니다. 역학은 에너지, 힘, 그리고 동력이 함께 작용하여 작업을 수행하는 방식을 연구합니다. 작업은 물체를 일정 거리만큼 이동시키기 위해 힘이 사용될 때 발생하는 에너지로 정의됩니다. 이러한 원리는 특히 산업 환경에서 자재 처리, 포장, 하역 작업 등에서 널리 적용되며, 무거운 물체의 효율적인 이동을 가능하게 합니다.

에너지, 힘, 에너지의 종류

에너지, 힘, 그리고 작업은 역학의 근본 개념입니다. 운동 에너지(물체의 움직임으로 인한 에너지)와 위치 에너지(위치에 의해 저장된 에너지)가 주요 에너지 유형입니다. 예를 들어, 압축된 스프링은 위치 에너지를 저장하고 있으며, 스프링이 풀릴 때 운동 에너지로 전환됩니다. 에너지는 줄(joule) 단위로 측정되며, 다양한 에너지를 실용적으로 계산하기 위해 수학적 공식을 사용합니다. 힘은 물체의 운동 상태를 변화시키는 상호작용으로, 뉴턴(N) 단위로 측정되며 다음과 같이 정의됩니다:

이 관계식은 물체를 원하는 속도로 이동시키기 위해 필요한 힘을 계산하는 데 유용하며, 이는 기계 작동에서 매우 중요합니다.

산업 응용에서의 동력

동력은 시간당 작업률로, 주로 마력(HP) 단위로 측정됩니다. 동력은 다음과 같은 공식을 통해 계산할 수 있습니다:

이 측정값은 설정된 시간 내에 작업을 완료할 기계의 능력을 이해하는 데 필수적이며, 기계 선택과 부하 관리를 결정하는 데 영향을 미칩니다.

단순 기계: 기계적 이점을 통한 효율성 향상

단순 기계는 물체를 이동하거나 조작하는 데 필요한 힘을 바꾸어 작업을 쉽게 만드는 도구입니다. 여기에는 지레, 바퀴와 축, 도르래, 경사면, 쐐기, 나사가 포함됩니다. 이 기계들은 힘, 방향, 그리고 움직임을 바꾸어 주며, 이를 통해 기계적 이점을 제공합니다. 기계적 이점은 출력 대 입력 힘의 비율로, 이를 통해 작업을 더욱 효율적으로 수행할 수 있습니다.

단순 기계의 종류와 기계적 이점

1. 지레(Lever): 지레는 축을 기준으로 힘을 증폭시켜 적은 힘으로 물체를 들어 올리거나 이동시킬 수 있습니다. 지레는 축의 위치에 따라 세 가지로 구분됩니다:

• 제1종 지레(예: 가위)는 축이 입력 힘과 하중 사이에 위치해 있으며, 입력 힘과 하중이 반대 방향으로 움직입니다.

• 제2종 지레(예: 외바퀴 손수레)는 하중이 입력 힘과 축 사이에 위치하며, 입력 힘과 하중이 같은 방향으로 움직입니다.

• 제3종 지레(예: 집게)는 입력 힘이 하중과 축 사이에 위치하며, 입력 힘과 하중이 같은 방향으로 움직입니다.

2. 바퀴와 축(Wheel and Axle): 이 시스템은 토크를 증폭시켜 더 쉽게 이동할 수 있도록 도와줍니다. 특히 대형 바퀴는 더 작은 축에 비해 더 큰 기계적 이점을 제공합니다.

3. 도르래(Pulley): 단일 도르래는 힘의 방향을 바꾸며, 다중 도르래 시스템을 이용하면 무거운 물체를 들어 올리기 위해 필요한 힘을 줄일 수 있습니다.

4. 경사면(Inclined Plane): 경사면은 물체를 위나 아래로 이동시킬 때 필요한 힘을 줄여 줍니다. 경사면의 기울기와 높이가 기계적 이점을 결정합니다.

5. 쐐기(Wedge)와 나사(Screw): 쐐기는 물체를 분리하거나 고정하는 데 사용되며, 나사는 물체를 고정하거나 이동시키는 데 사용됩니다.

산업 환경에서의 기계 동력 전달

기계 동력 전달은 모터에서 기계의 다양한 부분으로 동력을 전달하는 역할을 합니다. 주요 전달 요소로는 다음이 포함됩니다:

• 베어링: 움직이는 부분 사이의 마찰을 줄여줍니다.

• 축과 커플링: 회전 동력을 전달하여 부드러운 작동을 가능하게 합니다.

• 벨트와 도르래: 벨트의 마찰을 이용해 동력을 전달하며, 주로 컨베이어 시스템에서 사용됩니다.

• 체인과 스프로켓: 일정한 속도를 요구하는 상황에서 사용됩니다.

• 기어와 기어박스: 속도, 토크, 운동 방향을 변경하여 다양한 기능을 지원합니다.

기계 시스템 안전

산업 환경은 다양한 잠재적 위험으로 가득합니다. 고용주의 안전 지침, 작업 안전 분석(JSA) 문서, 그리고 OSHA의 규정을 준수하면 작업자 안전을 보장할 수 있습니다. 주요 안전 수칙으로는 다음이 포함됩니다:

• 잠금/태깅 절차를 통해 유지보수 중 에너지원을 차단합니다.

• 개인 보호 장비(PPE) 착용으로 움직이는 부품이나 날카로운 모서리에서 작업자를 보호합니다.

• 압착 위험 인식 및 안전 가드 유지로 작업 환경을 안전하게 관리합니다.

빌딩 자동화 시스템(BAS) 소개

 빌딩 자동화 시스템(BAS)은 현대 건물 관리에서 중요한 역할을 하며, 효율성, 편안함, 보안, 에너지 절약 등 다양한 측면에서 큰 이점을 제공합니다. 이 시스템은 주요 건물 기능을 자동화하여 수동 개입을 줄이면서 원활하게 제어하고 모니터링할 수 있도록 합니다. 아래에서 BAS의 정의, 목적과 이점, 다양한 BAS 유형, 주요 구성 요소, 계획 고려 사항, 그리고 최신 동향에 대해 설명합니다.

1. BAS란 무엇이며, 왜 중요한가?

빌딩 자동화 시스템(BAS)은 난방, 환기, 에어컨(HVAC), 조명, 보안, 에너지 관리 등 건물의 주요 기능을 모니터링, 제어, 최적화하는 중앙 집중식 시스템입니다. BAS의 주요 목적은 건물 내의 동적 상태에 적응하고 운영 효율성을 높이는 것입니다. BAS는 자동화를 통해 에너지 낭비를 최소화하고, 사용자 편안함을 높이며, 건물 보안을 강화합니다.

BAS의 이점:

• 에너지 절약: BAS는 조명, HVAC, 기타 시스템을 효율적으로 제어하여 에너지 사용을 최소화하고 비용을 절감합니다.
• 편안함 향상: 온도, 공기질, 조명을 자동으로 조절하여 사용자에게 쾌적한 환경을 제공합니다.
• 보안 강화: 보안 시스템을 통합하여 감시, 접근 제어, 긴급 대응을 수행합니다.
• 관리 간소화: 건물 관리자가 원격으로 시스템을 모니터링하고 제어할 수 있어 문제 발생 시 신속히 대응할 수 있습니다.

2. 빌딩 자동화 시스템의 유형

BAS는 건물 내 다양한 시스템을 제어할 수 있으며, 각각 특정 목적을 위해 설계되었습니다. 주요 BAS 유형은 다음과 같습니다:

• HVAC 시스템: 난방, 환기, 냉방을 조절하여 사용자의 편안함을 보장하고 공기질을 관리합니다. 온도, 계절, 날씨에 따라 자동으로 조정됩니다.
• 조명 시스템: 에너지 사용을 줄이고 안전과 사용자 편안함을 위해 자동으로 조명을 조절합니다. 예를 들어, 사람이 방에 들어가면 자동으로 불이 켜지고, 사람이 없으면 꺼져 에너지를 절약합니다.
• 보안 및 접근 제어 시스템: 감시 카메라, 경보 시스템, 접근 제어를 통해 안전을 강화하고, 무단 접근을 감시하여 관리자에게 알림을 제공합니다.
• 화재 및 생명 안전 시스템: 화재 비상 상황에서 자동 대응을 수행하여 화재 경보, 스프링클러, 비상 조명을 통해 대피를 돕고 관련 기관에 알립니다.
• 에너지 관리 시스템: 에너지 사용을 모니터링하고 최적화하여 낭비를 줄이고 효율성을 개선합니다. 과도한 에너지 소비가 감지되면 관리자에게 알림을 보내 문제를 해결할 수 있도록 합니다.

3. 빌딩 자동화 시스템의 주요 구성 요소

BAS는 다양한 구성 요소로 이루어져 있으며, 각각 시스템 기능에 중요한 역할을 합니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 센서: 온도, 습도, 점유 상태, 조도, 공기질 등 환경 변수를 모니터링하는 장치로, 설정된 조건에서 벗어나면 제어기에 신호를 보냅니다.
• 액추에이터: 제어기의 명령을 받아 특정 동작을 수행하며, 예를 들어 조명 켜기, 공기 흐름 조절 등의 작업을 수행합니다.
• 제어기: BAS의 "뇌"로, 센서로부터 입력을 받고 이를 액추에이터에 전달하여 필요한 동작을 수행하도록 합니다. 일반적으로 산업 환경에서는 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)가 사용되며, 일반적인 건물 환경에서는 DDC(직접 디지털 제어기)가 사용됩니다.
• 사용자 인터페이스: 건물 관리자가 시스템 정보를 모니터링하고 설정을 조정하며 알림에 응답할 수 있는 접근을 제공합니다. 컴퓨터, 제어 패널 또는 모바일 앱으로 구성될 수 있습니다.
• 통신 프로토콜: BAS 장치 간의 통신을 표준화하며, 주요 프로토콜로는 BACnet, Modbus, Zigbee 등이 있습니다.

실제 예시:

예를 들어, 회의실에 점유 센서와 온도 센서가 설치된 경우, 사람들이 들어오면 점유 센서가 불을 켜고, 온도 센서가 방 온도가 상승함을 감지하여 냉방을 시작하도록 제어기에 신호를 보냅니다. 회의가 끝나고 사람이 나가면 시스템이 불을 끄고 냉방을 중단하여 에너지를 절약합니다.

4. BAS 설치 시 고려 사항

BAS 설계 및 설치는 건물의 특정 요구를 충족하고 향후 변화에 적응할 수 있도록 철저한 계획이 필요합니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 목적과 목표: 에너지 효율성, 보안, 편안함 등 건물의 요구 사항을 정의하여 어떤 시스템을 포함할지 결정합니다(HVAC, 조명, 보안 등).
• 확장성 및 유연성: BAS가 손쉽게 업데이트되거나 확장될 수 있도록 하여 새로운 기술과 건물 확장에 대응할 수 있도록 합니다.
• 구성 요소 호환성: 하드웨어, 소프트웨어, 장치 간의 원활한 통신이 가능하도록 호환되는 제품을 선택합니다.
• 제어 방식: 중앙 집중형 제어기와 분산형 제어기 중 선택하여 건물의 크기와 복잡도에 맞는 제어 방식을 결정합니다.
• 최적의 위치 선정: 센서와 액추에이터를 효과적으로 배치하여 최대한의 커버리지를 확보하고 신뢰성을 높입니다.
• 사용자 인터페이스의 간소화: 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 단순화하고, 원격 접속을 통해 현장에 없더라도 시스템을 관리할 수 있도록 합니다.
• 에너지 효율성: 에너지 사용을 최적화하고 지속적으로 개선할 수 있는 기능을 포함합니다.
• 사이버 보안: 사이버 공격으로부터 시스템을 보호하기 위해 암호화, 인증, 침입 탐지 등의 보안 조치를 포함합니다.
• 규정 준수: 지역, 주, 연방 건물 코드와 규정을 준수하고, BAS 설계 및 설치 시 이를 따릅니다.
• 교육과 지원: 관리 및 유지보수를 담당하는 직원이 올바르게 시스템을 운영할 수 있도록 지속적인 교육과 지원 계획을 마련합니다.
• 비용 및 투자 수익 분석: 설치와 운영 비용을 절약할 수 있는 금액과 비교하여 BAS 설치가 경제적으로 타당한지 평가합니다.

5. 빌딩 자동화의 최신 동향

기술의 발전과 함께 BAS도 스마트하고 효율적인 솔루션을 포함하도록 진화하고 있습니다. 주요 동향은 다음과 같습니다:

• 사물인터넷(IoT): 기기들이 인터넷에 연결되어 실시간으로 데이터 수집 및 모니터링을 할 수 있어 건물의 지능형 반응성과 응답 속도를 향상합니다.
• 인공지능(AI) 및 머신러닝: AI는 시스템이 의사 결정을 내리도록 하고, 머신러닝은 데이터 패턴을 학습하여 고장 예측 및 유지 보수 필요를 예측합니다.
• 클라우드 컴퓨팅: 원격 접속 및 데이터 저장을 가능하게 하여 시스템 관리가 효율적이고 보안이 강화됩니다.
• 사이버 보안 강화: BAS가 점점 더 연결됨에 따라 보안도 중요해지고 있으며, 암호화, 인증, 침입 탐지 같은 도구로 민감한 데이터를 보호합니다.

히트펌프의 기본원리

 이 개요에서는 히트펌프의 기본 작동 원리와, 히트펌프가 가열 및 냉방 모드를 전환하는 데 사용하는 리버싱 밸브의 독특한 기능을 설명합니다. 히트펌프는 기본적으로 역순환 공기 조절기와 같이 작동하여 계절에 따라 실내를 냉방하거나 난방할 수 있도록 합니다. 냉방 모드에서는 히트펌프가 일반적인 에어컨과 유사하게 작동합니다. 압축기는 고온의 방출 가스를 실외 코일로 보내어 냉매가 탈열, 응축 및 서브쿨링을 거친 후 액상 라인을 통해 실내 코일로 이동합니다. 여기서 냉매는 실내 공기에서 열을 흡수하고 이를 실외로 전달합니다.

냉방 모드의 주요 구성 요소 및 기능

냉방 모드에서 실외 코일은 응축기 역할을 하여 열을 밖으로 배출합니다. 그런 다음 냉매는 실내 코일로 이동하여 증발기 역할을 하며 실내 공기를 냉각시킵니다. 시스템은 피스톤 또는 열팽창 밸브(TXV)와 같은 측정 장치를 사용하여 냉매 흐름을 조절하고 코일 내의 효율적인 온도와 압력을 보장합니다. 액상 냉매가 실외 코일에서 실내 코일로 이동할 때, 측정 장치는 냉매가 효과적으로 끓고 열을 흡수할 수 있도록 합니다.

난방 모드로의 전환

히트펌프의 난방 기능은 네 방향 리버싱 밸브를 통해 압축기의 방출 가스를 실내 코일로 재배치합니다. 여기서 실내 코일은 응축기 역할을 하여 실내에 열을 방출하고, 실외 코일은 증발기 역할을 하여 외부 공기에서 열을 흡수합니다. 리버싱 밸브에는 항상 방출 가스를 받는 중앙 방출 포트가 있으며, 양쪽 포트는 난방 또는 냉방 모드에 따라 기능이 변경됩니다. 냉방 모드에서는 방출 가스가 실외 코일로 이동하지만, 난방 모드에서는 실내로 이동하여 공간을 따뜻하게 합니다.

온도 조절기와 리버싱 밸브의 조정

온도 조절기는 O 또는 B 터미널을 통해 리버싱 밸브의 위치를 조절하여 난방 또는 냉방 요구에 맞게 시스템을 제어합니다. 일부 리버싱 밸브는 난방 모드에서 고정되도록 설계되었으며, 특히 추운 기후에서 많이 사용됩니다. 반면에 따뜻한 기후에서는 냉방 모드에서 고정되도록 설계된 밸브가 일반적입니다. 이 기능은 시스템이 기후에 가장 적합한 모드로 기본 설정되도록 보장합니다.

측정 장치: 고정 보어 및 열팽창 밸브

히트펌프는 냉매 흐름을 제어하기 위해 고정 보어 피스톤 또는 TXV와 같은 다양한 측정 장치를 사용할 수 있습니다. 고정 보어 측정 장치는 간단한 피스톤을 사용하여 방향 냉매 압력에 따라 흐름을 조정하는 방식이지만, TXV는 보다 정밀한 제어를 제공하여 코일 내에서 효율적인 온도 및 압력 조정을 가능하게 합니다. 최신 TXV는 종종 외부 우회가 필요 없도록 내장 체크 밸브가 포함되어 있어 시스템이 더 단순해집니다.

냉방 모드에서는 냉매가 가장 낮은 저항 경로로 흐르며, 이 경우 TXV 또는 피스톤을 우회하여 과도한 측정을 방지합니다. 난방 모드에서는 체크 밸브가 냉매가 시스템을 통해 반대 방향으로 흐르도록 하여 두 모드 모두에서 효율적인 흐름과 열 전달을 보장합니다.

추가 구성 요소: 양방향 필터 드라이어 및 흡입 라인 어큐뮬레이터

히트펌프의 주요 추가 구성 요소에는 양방향 필터 드라이어와 흡입 라인 어큐뮬레이터가 포함됩니다. 양방향 필터 드라이어는 액상 냉매가 압력 강하 없이 어느 방향으로든 흐르도록 하여, 난방 및 냉방을 번갈아 사용하는 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 흡입 라인 어큐뮬레이터는 냉매가 액체 상태로 다시 압축기로 돌아가는 것을 방지하여 압축기를 보호합니다. 이 구성 요소는 제상 사이클 중에 압축기로 다시 들어올 수 있는 응축된 냉매를 저장하여 특히 중요합니다.

제상 사이클

추운 날씨에서는 난방 모드에서 히트펌프가 작동하는 동안 실외 코일에 서리가 생길 수 있습니다. 이 서리를 제거하기 위해 히트펌프는 일시적으로 냉방 모드로 전환하여 방출 가스를 실외 코일로 보내어 서리 축적을 녹입니다. 이 사이클 동안 실외 팬을 끄고, 내부 온도를 유지하기 위해 전기 히터가 작동합니다. 이 기능을 '보조 열'이라고 하며, 냉방 모드가 겨울철 난방을 유지하는 동안 집의 온도를 안정적으로 유지하게 합니다.

이 개요에서는 히트펌프가 난방 및 냉방을 효율적으로 전환할 수 있게 하는 기본 메커니즘을 설명했습니다. 리버싱 밸브, 측정 장치, 필터 드라이어 및 제상 사이클은 히트펌프를 다재다능하고 효율적인 난방 및 냉방 솔루션으로 만들어 줍니다.

칠러(냉동기) 구성 요소

 냉동기 시스템을 이해하는 데 있어 압력 엔탈피(PH) 차트는 각 구성 요소가 냉매의 압력과 엔탈피와 어떻게 상호작용하는지를 시각적으로 보여주는 중요한 도구입니다. 아래는 각 요소에 대한 세부 설명입니다.

압력 엔탈피(PH) 차트 기본 개념

PH 차트는 압력(P)이 세로축, 엔탈피(H)가 가로축에 표시된 그래프입니다. 이 차트 내에서 독특한 웨이브 모양인 ‘포화 곡선’이 냉매가 액체와 기체가 혼합된 상태에 있는 영역을 나타냅니다. 이 ‘포화 영역’의 꼭대기는 임계점으로, 완전히 과냉각된 액체 영역(왼쪽)과 과열된 증기 영역(오른쪽)을 나누는 지점입니다. 임계점은 증기 상태의 냉매가 액화할 수 있는 최대 압력을 의미하며, 냉동 사이클의 온도와 압력 범위를 안내하는 중요한 역할을 합니다.

압축기: 냉동 사이클의 핵심 동력

압축기의 역할은 증기 상태의 냉매를 고압 상태로 압축하여 사이클의 고압 쪽으로 이동시키는 것입니다. PH 차트의 증기 부분에 위치한 압축기는 증기의 압력과 온도를 증가시켜, 냉각을 위해 열을 방출할 수 있는 상태로 만듭니다. 냉동기에서 자주 사용되는 압축기 종류는 다음과 같습니다:

1. 왕복식 압축기는 피스톤을 사용하여 자동차 엔진과 유사하게 작동하나, 냉동기를 위해 대형화되어 있습니다.
2. 스크롤 압축기는 하나의 고정된 플레이트와 회전하는 플레이트가 나선형으로 움직이며 증기를 압축합니다. 효율이 높아 40톤 이하의 시스템에 주로 사용됩니다.
3. 스크류 압축기는 서로 맞물린 수컷과 암컷 로터가 반대 방향으로 회전하며, 40톤 이상의 대형 시스템에서 보다 효율적으로 증기를 압축합니다.
4. 원심식 압축기는 물 펌프의 임펠러와 유사하게 고속 회전으로 증기의 속도와 압력을 증가시키며, 대형 상업용 응용 분야에 적합합니다.

응축기: 열 방출과 액체 상태로의 전환

압축 후 냉매는 고압의 증기로 응축기에 진입합니다. PH 차트에서 고압 영역에 위치한 응축기는 과냉각을 시작하며, 냉매가 응축기에서 벗어나면서 완전한 액체 상태로 전환됩니다. 냉동기의 응축기는 옥외 코일과 유사하게 작동하지만 공기 대신 물을 이용하여 열을 흡수합니다. 냉매는 물이 들어있는 튜브를 둘러싼 배럴을 통해 흐르며, 냉매가 더 차가운 물에 열을 방출하여 증기에서 액체로 변환되도록 합니다. 이렇게 액체 상태가 된 냉매는 이후 팽창 밸브(계량 장치)로 이동합니다.

계량 장치: 압력 조절 및 흐름 보장

계량 장치는 응축기(고압 측)와 증발기(저압 측) 사이의 압력 차이를 만들어 냉매가 효율적으로 흐를 수 있도록 합니다. 계량 장치에는 **전자식 팽창 밸브(EEV)**와 온도 조절식 팽창 밸브(TXV) 등 여러 종류가 있으며, 일부 시스템 특히 오래된 시스템에서는 냉매 수준을 관리하는 플로트 밸브가 사용됩니다. PH 차트에서는 고압과 저압 영역을 나누는 수직선으로 표시되며, 완전히 액체 상태인 냉매만이 들어가야 합니다. 이 상태를 확인하기 위해 시야경을 확인하거나 액체 라인의 과냉각을 측정합니다. 시야경에 기포가 보이면 과냉각이 부족하다는 의미로, 증발기로 증기가 제대로 들어가지 않을 수 있습니다.

증발기: 냉각된 공기 공급

PH 차트의 저압 영역에 위치한 증발기는 열을 흡수하여 냉매 온도를 낮추고, 이를 통해 냉각된 물이나 공기를 실내 공간에 제공합니다. 증발기는 셸과 튜브 열교환기로 작동하며, 냉매가 물-부동액 혼합물이 든 튜브 주변을 흐릅니다. 이 물은 순환하면서 온도가 약 55°F에서 45°F로 낮아지며 냉매에 열을 전달합니다. 증발기의 과열 과정에서는 증발기에서 나온 냉매 증기가 그 포화점 이상으로 가열되며, 이를 통해 액체 냉매가 압축기로 들어가지 않도록 합니다.

요약하면, 각 냉동기 구성 요소는 PH 차트를 바탕으로 하여 전체 냉동 사이클에서 온도와 압력을 조절하고 관리하는 시스템을 이루어 냉동기의 효율과 냉각 용량을 극대화합니다.

칠러(냉동기) 시스템

 칠러 산업은 사무실, 병원, 대학, 공장 같은 대형 건물에 사용되는 상업 및 산업용 응용 프로그램을 포함합니다. 이러한 칠러 시스템은 규모가 크지만, 기본적인 구성 요소는 가정용 시스템과 유사합니다. 칠러는 다양한 공간이나 프로세스를 냉각하기 위해 냉수를 생성하는 시스템의 중요한 부분입니다. 칠러는 작동 압력에 따라 고압 및 저압 시스템으로 구분됩니다. 고압 시스템은 대기압보다 높은 압력에서 작동하는 압축기를 사용하며, 저압 시스템은 원심 압축기를 사용해 진공 상태 또는 대기압보다 낮은 압력에서 작동합니다.

칠러 시스템의 종류

1. 수냉식 칠러: 가장 일반적이고 효율적인 칠러 시스템으로, 수냉식 콘덴서가 냉각탑과 연결되어 있습니다. 냉매 압력을 안정적으로 유지하여 연중 에너지 소비를 줄입니다. 이 시스템에서 냉수는 증발기에서 AHU로 순환하여 열을 흡수하고 다시 칠러로 돌아와 재냉각됩니다.

2. 공냉식 칠러: 공냉식 칠러는 실외에 위치한 응축기를 사용해 고온의 냉매 가스를 액체로 응축시킵니다. 크기가 작고 상업용에서 적게 사용되지만, 적절한 수자원이 없는 경우 열 회수 시스템에 자주 사용됩니다.

3. 열 회수 장치: 이 시스템은 증발기와 콘덴서를 모두 활용하여 건물 내에서 열 에너지를 회수하고 재사용합니다. 시스템 요구에 따라 수냉식 또는 공냉식으로 사용 가능합니다.

칠러 시스템의 냉매

칠러 시스템에는 두 가지 유형의 냉매가 사용됩니다:

• 1차 냉매는 액체에서 기체로 그리고 다시 액체로 상태가 변하며 열 교환을 돕습니다.
• 2차 냉매는 화학적으로 처리된 물로, 상태 변화 없이 열을 전달하며, 마실 수 없는 형태로 처리되어 물 상태로 유지됩니다.

칠러의 구성 요소 및 계량 장치

1. 증발기: 칠러의 증발기 배럴에서 물이 튜브를 통해 순환하며, 저압의 냉매가 이 물을 둘러싸고 열을 흡수합니다. 여러 차례 증발기를 통과하면 시스템의 효율이 높아집니다. 배럴의 파이프 배치를 통해 몇 번의 통과가 이루어지는지 알 수 있습니다.

2. 콘덴서: 다른 수냉식 시스템과 유사하나 크기만 더 큰 콘덴서로, 냉매가 열을 흡수한 후 냉각탑으로 열을 보냅니다.

3. 계량 장치: 전자 팽창 밸브는 칠러 시스템에서 주로 사용하는 계량 장치로, 온도와 압력을 감지하여 최적의 증발기 효율을 유지하도록 냉매의 흐름을 조절합니다.

4. 압축기: 칠러에는 스크롤, 나사, 원심 압축기가 있으며, 최신 시스템에서는 왕복 압축기를 피하고 있습니다. 칠러 전용 압축기에는 나사 압축기와 자기 부상 원심 압축기가 포함되어 있어 더 높은 효율성을 제공합니다.

칠러 시스템의 펌프

칠러는 가정용 시스템에는 없는 특수 펌프가 필요합니다:

1. 증발기 루프 펌프: 이 펌프는 냉각된 물을 AHU로 보내어 공간에서 열을 흡수하게 하고, 재냉각을 위해 다시 칠러로 반환합니다.

2. 콘덴서 루프 펌프: 이 펌프는 칠러에서 열을 제거하여 냉각탑으로 보냅니다.

3. 열 방출 시스템 펌프: 이 펌프는 보조 냉매 또는 물 순환 시스템을 지원하며, 냉각탑과 칠러의 콘덴서를 연결하여 과도한 열을 시스템에서 배출합니다.

열 방출 시스템

열 방출 시스템의 주요 목적은 콘덴서에서 흡수한 열을 대기 중으로 방출하는 것입니다. 칠러 시스템은 세 가지 주요 방식으로 열을 방출합니다:

1. 냉각탑: 개방형 시스템으로, 건물의 물이 콘덴서로 흐르고 증발을 통해 열을 방출합니다. 유지 관리 문제로 인해 점차 대체되고 있습니다.

2. 유체 냉각기(폐회로 탑): 폐쇄형 시스템으로, 내부 코일을 통해 물을 순환시키며, 외부 스프레이 물과 접촉하지 않습니다. 팬을 이용해 증발 냉각으로 열 전달을 돕습니다.

3. 건식 냉각기(직접 교환): 이 폐쇄형 시스템은 콘덴서의 열 에너지를 주변 공기로 직접 전달합니다. 스프레이 펌프 없이 팬과 압력 조절 밸브만을 사용하여 열을 방출합니다.

공조 유닛(AHU)

공조 유닛은 대형 건물의 칠러 시스템에서 중요한 구성 요소입니다. 코일 앞에 위치한 작은 필터들이 들어오는 공기를 필터링한 후 냉각수 코일을 통해 열을 흡수합니다. 공조 유닛에는 동결 보호 장치가 포함되어 있어 들어오는 공기 온도가 36°F 이하로 떨어지면 코일의 기능을 멈추어 냉각수를 보호합니다.

이 요소들은 칠러 시스템의 핵심 운영을 이루며, 상업용 냉동 및 공조 시스템에서 요구되는 복잡한 기능과 효율성을 보여줍니다.

냉동기의 개요

 상업 및 산업용 냉동 시스템에서 필수적인 역할을 하는 냉동기, 흔히 "물 냉동기"로 불리는 시스템의 세부 작동 방식에 대해 설명합니다. 냉동기는 물이나 물-글리콜 혼합물과 같은 액체에서 열을 제거하여 건물 내 공조기(air handler)에 분배할 수 있는 냉수를 생성합니다. 여기서는 냉동기의 주요 구성 요소, 작동 원리, 다양한 압축기 유형, 기계적 압축 대신 화학 반응을 사용하는 고급 흡수식 냉동기에 대해서도 다룰 것입니다.

냉동기 기초

냉동 시스템은 물 또는 때때로 글리콜을 포함한 용액에서 열을 흡수합니다. 글리콜은 냉동기가 영하 온도에서 작동할 수 있도록 돕는 부동액 역할을 하며, 글리콜이 없을 경우 냉동기는 반드시 영상을 유지해야 합니다. 냉각 과정은 물 순환액에서 열을 흡수하는 증발기에서 시작되며, 이 냉각된 물은 건물의 여러 구역으로 공급되어 공기를 냉각시킵니다.

냉동기에서 일반적으로 사용되는 주요 냉매는 R134a, R22, R123입니다. 이들 냉매는 건물 내의 원격 코일로 순환되는 2차 냉매(물 또는 글리콜 혼합물)와 상호 작용하여 직접적인 냉매 노출 없이 냉수를 사용하여 다양한 공간을 냉각할 수 있도록 합니다.

침수 증발기 설계

많은 냉동기는 침수 증발기라는 구조를 갖추고 있으며, 이는 큰 탱크 내에서 냉매가 물 튜브 전체를 덮고 있는 구조입니다. 증발기 내부에는 냉매가 튜브 위로 유지되도록 하는 액위 센서가 있어 효율적인 열 전달이 가능하게 합니다. 원격 공조기에서 반환되는 따뜻한 물 또는 물-글리콜 혼합물이 이 튜브를 통해 흐를 때 냉매가 그 열을 흡수하여 증발하게 되고, 이 과정에서 물이 냉각됩니다. 이렇게 냉각된 혼합물은 다시 공조기로 펌핑되어 냉각 사이클이 지속됩니다.

주요 냉동기 구성 요소와 작동 흐름

1. 증발기: 건물의 냉각 코일에서 돌아오는 따뜻한 물-글리콜 혼합물로부터 열을 흡수합니다. 냉매가 끓어오르면서 물이 냉각되고, 이렇게 냉각된 물은 다시 공조기로 순환됩니다.

2. 압축기: 증발기에서 가열된 냉매 증기가 압축기로 들어와 압축 과정을 거칩니다. 압축기는 냉동기의 용량과 용도에 따라 설계와 기능이 다르며, 대형 시스템에는 원심 압축기가, 소형 또는 모듈식 시스템에는 스크롤 압축기가 많이 사용됩니다.

3. 응축기: 압축이 완료된 냉매 증기는 응축기로 이동하여 냉각탑의 차가운 물과 접촉해 열을 방출합니다. 이때 응축기에서 방출된 열은 차가운 물에 흡수되면서 냉매는 다시 액체 상태로 응축됩니다. 대형 시스템에는 물냉식 응축기(shell-and-tube 방식)가 사용되며, 소형 시스템에는 공기를 사용하는 공냉식 응축기와 팬을 사용하여 열을 발산하는 방식이 사용됩니다.

냉동기에서 냉매의 압력과 온도 값은 효율적인 작동을 위해 매우 중요합니다. 예를 들어, R134a 냉매 시스템은 약 135 psi의 고압 방출 압력과 105°F의 응축 온도를 유지하고, 저압 쪽은 약 35 psi의 압력으로 40°F의 증발 온도를 제공합니다. 이러한 파라미터는 냉각수 회로에서 응축기까지의 열 흐름을 유지합니다.

압축기 종류

냉동기는 용량에 따라 다양한 압축기를 사용할 수 있습니다:

• 원심 압축기: 고속 임펠러를 사용하여 냉매 증기를 압축하며, 100톤 이상의 대용량 냉동기에 적합합니다.

• 스크류 압축기: 슬라이드 밸브나 가변 주파수 드라이브(VFD)를 장착하여 용량을 조절할 수 있으며, 압력 조절이 중요한 환경에서 적합합니다.

• 왕복식 및 스크롤 압축기: 일반적으로 소형 모듈형 냉동기에 사용되며, 개별 용량이 작아 여러 대의 압축기를 함께 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 스크롤 압축기는 필요한 경우 개별 유닛을 켜거나 끄는 방식으로 용량을 조절합니다.

각 압축기 유형은 다양한 냉각 요구 사항에 맞춰 고유한 역할을 합니다. 예를 들어, 원심 압축기는 고속 회전하는 임펠러를 사용하는 반면, 스크류 압축기는 슬라이드 밸브로 출력을 동적으로 조절할 수 있습니다.

냉수와 응축수 회로

냉수 회로는 냉각된 물을 증발기에서 건물의 공조기로 운반하여 공기의 열을 흡수합니다. 증발기와 냉수 간의 온도 차이를 **접근 온도(approach temperature)**라고 하며, 기술자가 이를 진단 지표로 사용합니다. 좁은 접근 온도는 효과적인 열 전달을 의미하며, 광범위한 접근 온도는 스케일이나 광물질 퇴적물이 축적되어 냉각 효율을 저해하고 있다는 신호입니다. 접근 온도가 증가하면 이는 튜브를 청소하여 축적물을 제거해야 함을 나타냅니다.

응축 측면에서 냉매 증기는 약 105°F에서 응축되며, 이 열은 응축수로 전달됩니다. 응축수는 약 95°F로 냉각탑에 전달되어 증발 냉각을 통해 온도가 약 85°F로 낮아집니다. 냉각탑에서 팬이 물방울에 공기를 불어넣으면 일부 물이 증발하면서 나머지 물의 온도를 낮추게 되고, 이렇게 냉각된 물은 응축기로 돌아가 사이클을 완료합니다.

냉동기의 안전 장치

냉동 시스템에는 작동 중 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위한 여러 안전 장치가 통합되어 있습니다:

• 유량 스위치: 물의 흐름이 중단되면 이를 감지하여 냉동기 작동을 멈추어 동결을 방지합니다.
• 저온 차단 장치: 설정된 온도(일반적으로 34-36°F) 이하로 시스템이 작동하지 않도록 하여 증발기 내부의 물이 얼지 않도록 합니다.
• 고온 모터 및 베어링 차단 장치: 중요 온도 초과 시 압축기를 정지시켜 모터와 베어링을 보호합니다.
• 압력 릴리프 장치: 응축기와 증발기 배럴에 위치하여 과도한 압력을 완화하여 시스템의 손상을 방지합니다.

이외에도 짧은 사이클을 방지하는 타이머(anti-short cycle timer)는 냉동기 정지 후 재가동을 지연시켜 안정화를 도모하고, 부품의 마모를 줄여줍니다.

흡수식 냉동기

흡수식 냉동기는 기계적 압축 대신 화학 반응을 사용하여 냉각을 제공하는 점에서 기존 냉동기와 매우 다릅니다. 이 시스템은 보통 암모니아(R717)나 리튬 브로마이드와 증류수를 냉매로 사용합니다. 암모니아 시스템은 산업 환경에서 흔히 사용되지만, 암모니아의 위험성 때문에 엄격한 안전 조치가 요구됩니다. 리튬 브로마이드 시스템은 안전하고 다루기 쉬운 특성 때문에 널리 사용됩니다.

흡수식 냉동기의 주요 구성 요소와 작동 과정은 다음과 같습니다:

1. 증발기: 진공 조건에서 증류수가 냉매로 사용되며 약 40°F의 낮은 온도에서 끓어오르면서 냉수 회로에서 열을 흡수합니다.
2. 흡수기: 증발기에서 증발된 물 증기가 리튬 브로마이드 용액에 흡수되어 약한 용액이 생성되고, 이를 생성기로 보내집니다.
3. 생성기: 증기나 가열된 물 또는 가스를 이용하여 리튬 브로마이드 용액에서 물 증기를 제거하여 농축된 용액을 다시 흡수기로 보냅니다.
4. 응축기: 물 증기가 냉각탑에서 온 냉각수와 접촉하여 응축되면서 다시 액체로 변하고, 증발기로 돌아가 사이클이 지속됩니다.

흡수식 냉동기의 증발기는 높은 진공 상태(약 13,000 마이크론)에서 작동하며, 낮은 압력 덕분에 물이 낮은 온도에서도 끓을 수 있습니다. 이렇게 냉각된 냉수는 건물의 공조기로 순환되며, 응축수는 냉각탑으로 이동해 열을 제거합니다.

흡수식 냉동기에서도 접근 온도는 진단 정보로 사용됩니다. 튜브에 미네랄이나 스케일이 축적되면 열 전달 효율이 저하되어 접근 온도가 넓어지며, 이는 유지보수가 필요하다는 신호입니다.

이와 같은 냉동기 원리를 이해함으로써 기술자들은 전통적인 냉동기와 흡수식 냉동기를 효과적으로 관리하고 유지보수하며, 다양한 응용 분야에서 신뢰할 수 있는 효율적인 냉각을 보장할 수 있습니다.