하나의 게이지만으로도 설비 기술자는 칠러의 상태를 많은 부분 파악할 수 있다. 과열도(Superheat)는 이러한 핵심 지표 중 하나로, 증발기, 팽창 장치, 압축기가 어떻게 상호 작용하는지를 직접적으로 보여준다. 이 값을 정확하게 해석하면 트립(trip) 발생 이전에 냉매 공급 이상, 밸브 불량, 냉매 부족 상태 등을 미리 감지할 수 있다.

과열도 란 무엇인가

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과열도는 동일한 압력 조건에서 냉매 증기의 온도가 포화 온도보다 얼마나 높은지를 나타내는 값이다. 증발기에서는 액체 냉매가 끓어 기체로 변하며, 이 끓는 과정 이후에 추가로 흡수되는 열은 증기의 온도를 상승시키는데, 이 상승된 온도가 바로 과열도이다. 적절히 낮은 양의 과열도는 압축기가 순수한 기체 냉매만을 흡입하도록 보장한다. 그러나 과열도가 너무 낮거나 지나치게 높으면 시스템 이상을 나타내는 신호가 된다.

칠러에서 과열도 는 어떻게 계산하는가

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단계 1: 증발기 출구 또는 압축기 흡입 서비스 포인트에서 흡입 압력을 측정한다. 저압 게이지 또는 압력 트랜스듀서를 사용한다.
단계 2: 해당 압력을 사용 중인 냉매의 포화 온도로 변환한다. PT 차트 또는 서비스 앱의 조회 표를 이용한다.
단계 3: 동일한 지점 근처의 흡입 배관 표면 온도를 실제로 측정한다. 클램프 온도계 또는 접촉이 양호한 열전대(thermocouple)를 사용한다.
단계 4: 측정된 배관 온도에서 포화 온도를 빼면 그 값이 과열도이다.
예를 들어 흡입 압력이 40℉에 해당하는 포화 온도를 나타내고, 흡입 배관 온도가 48℉라면 과열도는 8℉이다. 이는 냉매가 증발기에서 완전히 기화된 후 압축기로 들어가기 전까지 8℉만큼 추가로 과열되었음을 의미한다.

칠러에서 과열도가 존재하는 이유

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과열도는 냉매의 마지막 액체가 모두 증발한 이후에도 추가적인 에너지를 계속 흡수하기 때문에 발생한다. 여러 현장 조건들이 이 값을 변화시킨다.

과열도가 상승하는 일반적인 원인

• 팽창 장치가 냉매를 부족하게 공급하면 과열도가 상승한다.
• 냉매 충전량이 부족하면 증발기 내 냉매 재고가 줄어들어 과열도가 증가한다.
• 냉각수 유량이 과도하면 열 교환 효율이 낮아져 회당 흡열량이 감소하고 과열도가 상승한다.
• 증발기 튜브가 오염되면 열 전달이 저하되어 과열도가 증가한다.
• 센서 설치가 부정확하거나 감온 벌브가 느슨하면 밸브가 잘못 반응하여 과열도 값이 변동된다.

과열도가 낮아지는 일반적인 원인

• 팽창 밸브가 냉매를 과다 공급하면 액체와 기체가 혼합된 상태로 증발기를 빠져나가며 과열도가 낮아진다.
• 밸브가 열린 상태로 고착되었거나 전자 팽창 밸브 설정이 잘못된 경우에도 동일한 현상이 발생할 수 있다.
• 급격한 부하 증가가 발생하면 제어 루프가 반응하기 전까지 일시적으로 과열도가 감소할 수 있다.

칠러 성능에 과열도가 미치는 영향

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압축기 안전 위험

과열도가 너무 낮으면 액체 냉매가 압축기로 유입될 수 있다. 액체는 압축이 불가능하기 때문에 압축기에 유입되면 기계적 충격을 발생시키고 윤활유를 희석시킨다. 이러한 영향은 즉각적인 고장을 유발할 수도 있고, 장기적으로는 장비 수명을 단축시키는 형태로 나타날 수도 있다.

냉각 용량 및 효율 영향

과열도가 너무 높으면 증발기의 표면이 효율적으로 활용되지 못한다. 동시에 증발되는 냉매의 양이 줄어들기 때문에 냉각 용량이 감소하고, 설정 온도에 도달하기 위해 칠러가 더 오랜 시간 운전해야 한다. 그 결과 에너지 소비가 증가하고 냉각수의 온도 품질 또한 저하될 수 있다.

공정 제어 동작에 미치는 영향

과열도가 변동하면 냉각수 온도 또한 불안정하게 나타나는 경우가 많다. 제어 시스템의 동작이 더 자주 흔들리게 되며, 제어 헌팅 현상이 증가한다. 정밀한 온도 제어가 필요한 공정에서는 불량률이 증가할 수 있다.

칠러에서 과열도를 조정하는 방법

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첫 번째 단계는 측정 및 기준값 기록이다. 안정적인 부하 상태에서 흡입 압력, 흡입 온도, 액관 온도, 서브쿨링 값을 기록한다. 장비가 충분히 안정될 때까지 운전하여 모든 값이 안정 상태에 도달하도록 한다.

먼저 냉각수 측을 점검한다

펌프 속도와 냉각수 유량을 먼저 확인한다. 스트레이너와 필터가 깨끗한 상태인지 점검한다. 증발기 전후의 접근 온도도 함께 확인한다. 냉각수 유량이나 열전달 상태에 문제가 있는 경우에는 먼저 이를 해결해야 하며, 이 단계에서는 밸브를 조정하지 않는다.

팽창 장치를 조정한다

열팽창 밸브의 경우, 과열도 설정값을 작은 단계로 조정한다. 조정 나사를 1/4바퀴씩 돌린 후 시스템이 안정화될 때까지 기다리고, 새로운 과열도를 기록한다. 목표 범위에 도달할 때까지 이 과정을 반복한다.
전자 팽창 밸브의 경우 컨트롤러를 통해 과열도 설정값을 입력하고 밸브의 반응을 확인한다. 밸브가 헌팅 현상을 보이거나 반응 속도가 지나치게 느린 경우에만 PID 파라미터를 튜닝한다.

목표 설정 범위

대부분의 산업용 칠러는 증발기 출구 기준 과열도가 5℉에서 10℉ 범위에서 안정적으로 운전된다. 이는 약 3℃에서 6℃에 해당한다. 적정 설정값은 장비 유형, 냉매 종류, 그리고 부하 특성에 따라 달라진다.

서브쿨링 및 부하 테스트로 검증한다

조정이 완료된 후에는 응축기에서 서브쿨링 값을 확인하고, 일반적인 부하 조건에서 냉각 용량을 검증한다. 저부하와 중부하 테스트를 각각 수행하고 결과를 기록한다. 과열도가 안정적으로 유지되고 서브쿨링 값도 일관되게 나타난다면 냉매 충전 상태와 팽창 장치 설정이 적절하다고 판단할 수 있다.

흔히 발생하는 함정에 주의한다

• 센서 드리프트가 발생하면 과열도 값이 잘못 표시될 수 있다.
•열전대가 느슨하게 부착되었거나 감온 벌브가 단열재 위에 위치하는 경우는 흔한 설치 오류이다.
•기준값을 잃은 전자 팽창 밸브는 재교정하기 전까지는 정상적인 과열도에 도달하지 못한다.

결론

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