냉동 압축기의 오일 회수 문제는 냉동 시스템 분야에서 항상 중요한 화두였습니다. 오늘은 스크류 압축기의 오일 회수 문제에 대해 이야기해 보겠습니다. 일반적으로 스크류 압축기의 오일 회수 불량의 주된 원인은 작동 중 윤활유와 냉매의 기체 혼합 현상입니다. 냉동 시스템 작동 중 냉매와 냉동기의 윤활유는 서로 용해되기 때문에, 기계 작동 및 냉매의 움직임에 따라 윤활유가 에어로졸이나 액적 형태의 기체로 응축기로 배출됩니다. 오일 분리기의 효율이 떨어지거나 시스템 설계가 부적절하면 분리 효과가 저하되어 시스템의 오일 회수가 불량해집니다.
1. 오일 회수 불량으로 인해 어떤 문제가 발생할까요?
스크류 압축기의 오일 회수율이 저조하면 증발기 배관에 다량의 윤활유가 잔류하게 됩니다. 오일막이 일정 수준 이상으로 두꺼워지면 시스템 냉각 성능에 직접적인 영향을 미치고, 시스템 내 윤활유 축적이 더욱 심화되어 악순환이 발생하며, 이는 운영 비용 증가와 신뢰성 저하로 이어집니다. 일반적으로 시스템 내에서 오일-공기 혼합물로 순환하는 냉매 가스량은 전체 냉매량의 1% 미만으로 제한됩니다.
2. 저조한 오일 회수율에 대한 해결책:
컴프레서로 오일을 되돌려 보내는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 오일 분리기로 오일을 되돌려 보내는 것이고, 다른 하나는 공기 회수 파이프로 오일을 되돌려 보내는 것입니다.
오일 분리기는 압축기 배기 파이프에 설치되어 일반적으로 작동유의 50~95%를 분리할 수 있습니다. 오일 회수 효과가 우수하고 회수 속도가 빠르므로 시스템 배관으로 유입되는 오일의 양을 크게 줄여 오일 회수 없이 운전할 수 있는 시간을 효과적으로 연장합니다.
특히 배관 길이가 긴 냉동창고 냉동 시스템, 침수식 제빙 시스템, 그리고 극저온 동결건조 장비의 경우, 장비 가동 후 10분에서 수십 분 동안 오일 회수가 전혀 없거나 아주 미미하게 발생하는 경우가 흔합니다. 시스템 불량으로 인해 오일 압력이 낮아지면 컴프레서가 정지할 수 있습니다. 이러한 냉동 시스템에 고효율 오일 분리기를 설치하면 오일 회수 없이 컴프레서가 작동하는 시간을 크게 연장할 수 있어, 가동 후 오일 회수가 없는 위기 상황을 컴프레서가 안전하게 극복할 수 있습니다. 분리되지 않은 윤활유는 시스템으로 유입되어 배관 내 냉매와 함께 순환하게 됩니다.
윤활유가 증발기에 유입되면, 낮은 온도와 낮은 용해도 때문에 윤활유의 일부가 냉매와 분리됩니다. 또한, 낮은 온도와 높은 점도로 인해 분리된 윤활유는 배관 내벽에 쉽게 달라붙어 흐름이 원활하지 않습니다. 증발 온도가 낮을수록 오일 회수가 더욱 어려워지므로, 증발 배관과 회수 배관의 설계 및 시공은 오일 회수에 유리해야 합니다. 일반적으로는 하강식 배관 설계를 적용하고 높은 공기 유속을 확보합니다. 특히 저온 냉동 시스템의 경우, 고효율 오일 분리기를 사용하는 것 외에도 윤활유가 모세관과 팽창 밸브를 막는 것을 방지하고 오일 회수를 돕기 위해 특수 용제를 첨가하는 것이 일반적입니다.
실제 적용 사례에서 증발기 및 회수 가스 배관의 부적절한 설계로 인한 오일 회수 문제는 드물지 않습니다. R22 및 R404A 시스템의 경우, 침수형 증발기의 오일 회수가 매우 어렵기 때문에 시스템 오일 회수 배관 설계에 특히 주의해야 합니다. 이러한 시스템에서 고효율 오일 분리 장치를 사용하면 시스템 배관으로 유입되는 오일의 양을 크게 줄여 장비 가동 후 가스 회수 배관에서 오일이 회수되지 않는 시간을 효과적으로 연장할 수 있습니다.
압축기가 증발기보다 높은 위치에 있는 경우, 수직 리턴 배관에 오일 리턴 벤드를 설치해야 합니다. 오일 리턴 트랩은 오일 축적을 최소화하기 위해 최대한 소형으로 설계해야 합니다. 오일 리턴 벤드 사이의 간격은 적절해야 하며, 벤드 수가 많을 경우에는 윤활유를 첨가해야 합니다. 가변 부하 시스템의 리턴 라인에서도 주의를 기울여야 합니다. 부하가 감소하면 공기 리턴 속도가 감소하는데, 속도가 너무 낮아지면 오일 리턴이 원활하지 않게 됩니다. 저부하 시에도 오일 리턴이 원활하게 이루어지도록 수직 흡입 배관에 이중 라이저를 사용할 수 있습니다.
또한, 압축기를 자주 가동하는 것은 오일 회수에 좋지 않습니다. 연속 운전 시간이 매우 짧고 압축기가 정지하는 경우가 많아 회수 배관에 안정적인 고속 공기 흐름이 형성될 시간이 부족하기 때문에 윤활유가 배관 내에만 남아 있게 됩니다. 회수되는 오일량이 운전 오일량보다 적으면 압축기에 오일 부족 현상이 발생합니다. 운전 시간이 짧을수록, 배관 길이가 길수록, 시스템이 복잡할수록 오일 회수 문제는 더욱 심각해집니다. 따라서 정상적인 상황에서는 압축기를 자주 가동하지 않는 것이 좋습니다.
오일 부족은 심각한 윤활 부족을 초래합니다. 오일 부족의 근본 원인은 스크류 컴프레서의 가동 시간이나 속도가 아니라 시스템의 오일 회수 불량입니다. 오일 분리기를 설치하면 오일을 신속하게 회수하여 오일 회수가 없는 컴프레서의 수명을 연장할 수 있습니다. 증발기 및 회수 라인 설계 시 오일 회수를 고려해야 합니다. 잦은 시동 방지, 정기적인 제상, 냉매 적시 보충, 마모 부품(베어링 등)의 적시 교체와 같은 유지 관리 조치 또한 오일 회수에 도움이 됩니다.
냉동 시스템을 설계할 때 오일 회수 문제에 대한 연구는 필수적입니다. 모든 측면을 고려해야만 안전하고 신뢰할 수 있는 냉동 시스템을 보장할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 2월 21일
