KR100315959B1 - 2단 원심압축기의 성능시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2단 원심압축기의 성능시험장치에 관한 것으로서, 그 목적은 2단 원심압축기의 성능 및 제반특성(온도특성, 압력특성, 소비전력, 전류 등)을 정확하게 측정할 수 있으며, 측정된 데이터를 분석하여 2단 원심압축기 및 냉매회로시스템의 개선에 활용할 수 있도록 함에 있다.
본 발명은 상기목적을 구현할 수 있도록 압축기시험사이클을 이루는 측정용 2단 원심압축기(11)와 응축기(12) 사이의 냉매라인(10)에 마련되며 2단 원심압축기 (11)의 1단압축부(11a)로 흡입되는 흡입냉매온도를 조절하는 흡입온도제어기(15); 상기 응축기(12)의 출구측과 흡입온도제어기(15)의 입구측의 냉매라인(10)에 마련되며 2차에 걸쳐 기체 및 액체상태로 분리되도록 1차측에서 기체로 분리된 냉매는 2차측 액체냉매로 유입되고 1차측에서 액체로 분리된 냉매는 2차측 기체냉매로 유입되게 분기냉매라인(10a,10b)을 통해 연결된 제1,제2기액분리기(13,14); 상기 응축기(12)의 출구측과 제1기액분리기(13) 입구측 사이의 냉매라인(10)에 마련된 제1팽창밸브(B1), 상기 제1기액분리기(13)의 기체 및 액체출구측과 제2기액분리기(14)의 입구측 사이의 분기냉매라인(10a,10b)에 마련된 제2,제3팽창밸브(B2,B3)가 구비됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치를 요지로 한다.

Description

2단 원심압축기의 성능시험장치{Performance tester of two-stage centrifugal compressor}
본 발명은 2단 원심압축기의 성능시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2단 원심압축기의 성능 및 제반특성을 측정할 수 있도록 함으로써 이러한 2단 원심압축기의 연구개발에 폭넓게 이용될 수 있도록 한 2단 원심압축기의 성능시험장치에 관한 것이다.
일반적인 2단 원심압축기는 등엔트로피 효율과 전체 효율에 있어서 냉동능력이 50RT이상에서 유리하기 때문에 주로 대용량으로만 사용되어왔다. 그러나 현재 과거에는 불가능했던 소형인 10RT이하의 원심압축기는 기초과학의 발달과 가공기술 및 인버터기술의 발달로 상용화가 가능하게 되었다. 이러한 10RT이하의 2단 원심압축기는 윤활유를 사용하지 않으면서 약 36,000RPM 이상의 회전속도를 갖고 있다는 점과 인버터를 통해 모터의 속도를 제어한다는 점에서 대형의 2단 원심압축기와는 성능 및 제반특성을 측정하는 시스템이 다르다.
또, 일반적으로 상용화된 압축기(왕복동식, 회전식, 스크롤식)들은 압축과정에서 부품간의 접촉이 발생하는 접촉식이며, 이러한 접촉식의 압축기는 필연적으로 마찰구조에 따른 윤활유가 필요하다.
이와 반하여 2단 원심압축기는 모터와 구동 연결된 임펠러가 모터의 회전력에 따라 작동유체에 운동에너지를 가하고 이러한 운동에너지를 디퓨져를 통해 압력에너지로 변환시키는 비접촉구조로써 그 동작조건이나 냉매에 따른 냉매회로 또는 냉동사이클이 다르며, 이 때문에 종래 압축기의 성능시험장치로는 적용이 어려울 뿐만 아니라 효과적인 성능 및 제반 압축기 특성들을 정확히 측정하거나 분석하는데 어려운 점이 많았다.
또한 원심압축기의 특성상 압축률을 발생하기 위해서 2단 및 그이상의 압축과, 압축기의 설계구조 및 냉매특성에 따라 단단 및 2단이상의 팽창사이클로 구성되기 때문에 이러한 시스템에 기존 냉매압축기의 성능시험장치로는 적용이 어려운 것이었다.
따라서, 원심압축기의 사이클을 변경시키거나 시스템에의 적용을 위한 시험에도 냉매회로의 변경이 용이하고, 시스템에 적절하게 적용시킬 수 있는 시험장치가 필요하다.
그러나, 종래에는 이러한 2단 원심압축기의 성능을 측정하기 위한 장치가 전혀 제안된 바 없으므로 이러한 압축기의 성능측정 및 제반특성을 시험하는데 장애가 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 2단 원심압축기의 성능 및 제반특성(온도특성, 압력특성, 소비전력, 전류 등)을 정확하게 측정할 수 있고 특히 흡입온도를 제어함과 동시에 응축압력을 변화시켜 압축률을 변경시킬 수 있으며, 원심압축기에서 사용하는 단단 또는 2단 이상의 압축은 물론 팽창사이클 조건에서도 시스템을 적용이 용이하고, 측정된 데이터를 분석하여 원심압축기나 냉매회로시스템을 개선시킴에 활용함으로써 연구개발의 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 2단 원심압축기의 성능시험장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2단 원심압축기의 성능시험장치를 나타낸 개략도,
도 2는 도 1의 성능시험장치에 온도계, 압력계, 유량계 등을 적용시킨 실시 예의 냉매회로도,
도 3은 본 발명의 2단압축/2단팽창 사이클을 나타낸 압력-엔탈피에 대한 그래프,
도 4는 본 발명의 성능시험장치에 적용된 흡입온도제어기를 나타낸 단면도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호설명〉
11: 2단 원심압축기 12: 응축기
13: 제1기액분리기 14: 제2기액분리기
15: 흡입온도제어기 16: 유량계
17: 응축기 팬 B1∼B3: 제1 내지 제3 팽창밸브
T1∼T11: 제1 내지 제11 온도계 P1∼P9: 제1 내지 제9 압력계
본 발명은 압축기시험사이클을 이루는 측정용 소형의 2단 원심압축기와 응축기 사이의 냉매라인에 마련되며 원심압축기의 1단압축부로 흡입되는 흡입냉매온도를 조절하는 흡입온도제어기; 상기 응축기의 출구측과 흡입온도제어기의 입구측의 냉매라인에 마련되며 2차에 걸쳐 기체 및 액체상태로 분리되도록 1차측에서 기체로 분리된 냉매는 2차측 액체냉매로 유입되고 1차측에서 액체로 분리된 냉매는 2차측 기체냉매로 유입되게 냉매라인을 통해 연결된 제1,제2기액분리기; 상기 응축기의 출구측과 제1기액분리기 입구측 사이의 냉매라인에 마련된 제1팽창밸브; 상기 제1기액분리기의 기체 및 액체출구측과 제2기액분리기의 입구측 사이의 분기냉매라인에 마련된 제2,제3팽창밸브가 구비됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치에 있다.
또 본 발명은 상기 2단 원심압축기→응축기→제1,제2기액분리기→흡입온도제어기로 이어지는 냉매회로 각부위치의 냉매온도 및 압력과 유량을 측정할 수 있는 온도계, 압력계, 유량계가 구비됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치에 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 첨부도면에 의거 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 원심압축기의 성능시험장치를 설명하기 위해 나타낸 냉매사이클회로이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 측정을 위한 소형의 2단 원심압축기(11)에는 하나의 사이클을 이루도록 응축기(12), 제1 내지 제3팽창밸브(B1∼B3), 제1,제2기액분리기(13,14) 및 흡입온도제어기(15)가 냉매라인(10)으로 연결되어 있다.
상기 2단 원심압축기(11)는 냉동능력이 10RT이하의 소형압축기로서, 그 전동부분 또한 윤활유 없이 고속 회전되게 마련되어 있으며, 상기 측정용 2단 원심압축기(11)의 입구부분인 냉매라인(10)에는 냉매의 흡입온도를 조절할 수 있는 흡입온도제어기(15)가 마련되어있다.
상기 2단 원심압축기(11)는 각단의 효율이나, 모터냉각열량, 냉매유량, 마하수, 압축비, 레놀드수 등 성능에 미치는 인자들이 2단 원심압축기(11)의 흡입냉매온도에 지대한 영향을 주는 것이므로 시험목적에 따라 흡입온도를 변환시켜 가면서 성능변화를 특정하는 것이 중요하다.
상기 흡입온도제어기(15)는 도 4와 같이 그 내부의 냉매라인(10)을 통해 2단 원심압축기(1)로 흡입되는 냉매흡입온도를 시험목적에 따라 변환시킬 수 있도록 밀폐용기 내부에 소정레벨만큼의 2차냉매(15b)가 채워져 있으며 상기 밀폐용기의 하부에는 2차냉매(15b)를 가열하는 히터(15a)가 마련되어 있고 상기 밀폐용기의 상부에는 2차냉매(15b)를 냉각시키는 냉각유닛(15c)이 마련되어 있다. 상기 흡입온도제어기(15)의 히터(15a)와 냉각유닛(15c)은 2차냉매(15b)를 가열하고 냉각하면서 설정흡입온도로 2단 원심압축기(11)의 흡입온도를 맞추게 된다.
이와 같이 냉매의 흡입온도를 맞추는 과정은 냉매온도를 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a) 입구측 냉매라인(10)에 설치된 온도센서(T1)로부터 현재의 온도를 측정하여 컨트롤러에서 설정값과 측정치를 비교하여 편차에 해당하는 출력신호를 송출하게 되고 이 출력신호를 받은 작동기(Actuator)에서 컨트롤러의 출력신호를 받아 히터전압을 조절하여 피드백제어를 반복함으로써 설정온도를 맞추게 된다.
이렇게 시험목적에 맞도록 설정온도로 맞춰진 냉매는 2단 원심압축기(1)의 1단압축부(11a)측으로 유입되고, 모터(11b)를 냉각시킨 후 2단압축부(11c)의 입구로 유입되고, 2단 압축과정을 통해 2단압축부(11c) 출구측으로 보내지며. 2단압축부 (11c)의 출구측은 응축기(12)의 입구측과 연결되어 있다.
상기 응축기(12)는 시험조건에 맞춰 응축압력을 제어하기 위한 응축기 팬(17)이 마련되어 있고 이 응축기 팬(17)은 컨트롤러의 제어에 의해 구동됨으로써 공기를 강제적으로 통풍시켜 응축과정을 제어할 수 있으며, 상기 응축기 팬(17)의 조절은 응축기(12)의 후단에 설치된 디지털압력센서(P5)의 압력신호를 받아 응축기 팬(17)의 속도를 조절함으로써 응축압력을 조절 및 제어할 수 있게 된다.
상기 응축기(12)의 출구측에는 제1기액분리기(13)의 입구측과 연결되어 있고 상기 응축기(12)의 출구측과 제1기액분리기(13) 입구측 사이에는 2단 팽창시 냉매유량을 조절하기 위한 제1팽창밸브(B1)가 연결되어 있다.
또, 상기 제1팽창밸브(B1)와 연결된 제1기액분리기(13)에는 제1기액분리기 (13)의 기체 및 액체출구와 제각기 기체 및 액체입구가 분기냉매라인(10a,10b)에 의해 이어지는 제2기액분리기(14)가 연결되어 있고, 상기 제1,제2기액분리기(13,14) 사이의 분기냉매라인(10a,10b)에는 제2,제3팽창밸브(B2,B3)들이 설치되어 있다.
또, 상기 2단 원심압축기(11)→응축기(12)→제1 내지 제3팽창밸브(B1∼B3)→제1,제2기액분리기(13,14)→흡입온도제어기(15)로 이어지는 냉매회로의 각 부위에는 냉매온도 및 압력과 유량을 측정할 수 있도록 온도계(T1-T11), 압력계(P1-P9), 유량계(16)가 마련되어 있다.
도 2는 본 발명의 2단 원심압축기의 성능시험장치에 필수적으로 설치되는 계측기까지 나타낸 냉매사이클회로이다.
여기에서는, 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a) 입구측에는 제1온도계 (T1)와 제1 압력계(P1)가 설치되어 있고 상기 제1온도계(T1)를 통해 흡입온도제어가 이루어지며, 상기 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a) 출구에는 제2온도계(T2) 및 제2압력계(P2)가 설치되어 있다.
또, 2단 원심압축기(11)의 압축부인 1단압축부(11a)의 출구와 2단압축부 (11c)의 입구사이에는 제3온도계(T3)와 제3압력계(P3)가 설치되어 있으며, 2단 원심압축기(11)의 2단압축부(11c) 출구와 응축기(2)사이에는 제4온도계(T4)와 제4압력계(P4)가 설치되어 있다.
또, 상기 응축기(12)와 제1팽창밸브(B1) 사이에는 제5온도계(T5) 및 제5압력계(P5)가 설치되어 있고, 이때 제5압력계(P5)는 디지털센서가 부착된 컨트롤러를 통해 응축기 팬(17)의 속도를 제어할 수 있다. 상기 제1팽창밸브(B1)와 제1기액분리기 (13) 입구측 사이에는 제6온도계(T6) 및 제6압력계(P6)가 설치되어 있으며, 제2,제3 팽창밸브(B2,B3)의 출구와 제2 기액분리기(14)의 입구측 사이에는 제각기 제7,제8온도계(T7,T8)가 설치되어 있다.
또, 상기 제2기액분리기(14)의 출구와 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a) 입구 사이에는 제9온도계(T9)와 제7압력계(P7)가 설치되어 있고, 제9온도계(T9), 제7압력계(P7)들과 제1온도계(T1), 제1압력계(P1)들 사이에는 유량계(16)가 설치되어 있으며, 이때 제1온도계(T1)의 디지털 신호를 흡입온도제어기(15)로 피드백하여 흡입온도를 제어하게된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 도 1,2 및 도 4에 나타낸 바와 같이 성능을 측정하고자 하는 2단 원심압축기(11)를 성능시험장치에 설치하고 2단 원심압축기(11) 및 냉매회로상의 각 구성요소들을 구동시킨다.
상기 2단 원심압축기(11)에서는 압축된 기체가 응축기(12)를 통과하면서 액체상태로 되고, 이 액체상태의 냉매가 제1팽창밸브(B1)를 지나면서 액체상태와 기체상태를 갖는 혼합액으로 되며, 이러한 혼합액을 제1기액분리기(13)에서 액체상태와 기체상태로 분리하여 1차 팽창시킨다.
즉, 제1팽창밸브(B1)를 통과한 냉매는 액체상태와 기체상태가 혼합된 상태이며, 제1기액분리기(13)에서 액체상태와 기체상태로 분리하여 제2,제3팽창밸브 (B2,B3)를 통하여 제2기액분리기(14)로 보내지며, 이 과정에서 2차 팽창이 이루어진다.
이와 같이 2단압축 2단팽창되는 본 발명의 성능시험장치가 구동되면 도 3과 같은 압력- 엔탈피 그래프를 얻는다.
2단 원심압축기(11)의 성능을 측정하기 위해서는 본 발명의 냉매회로를 이루는 각 부품의 입구 또는 출구에 설치된 제1 내지 제11온도계(T1-T11)와 제1 내지 제9압력계(P1-P9)를 통하여 각 부위의 온도 및 압력을 측정한다.
또, 유량계(16)에서는 해당부위의 유량을 측정하여 다른 측정값(압력과 온도)과 같이 압축기의 성능을 계산한다.
각단의 효율은 도 3과 같이 엔탈피를 구하여 계산한다.
일례로, 2단 원심압축기(11)의 1단측 효율은 그 입구측의 온도와 압력(T1과 P1)을 측정한 값으로 엔탈피를 계산한 후, 등엔트로피로 계산한 값과 출구측에서 측정한 값의 계산치를 이용하여 구한다.
1단의 비압축일은 입구측과 출구측의 엔탈피 차로 구한다.
L1= h1- h2[J/Kg]
1단측의 압축일은 비압축일에 유량을 곱하여 구한다.
N1= L1×G [W]
1단 임펠러의 비유량계수는 1단 임펠러의 직경과 입구의 온도 및 압력을 이용해서 계산한 밀도와 임펠러의 원주속도 U21을 이용하여 구한다.
이렇게 하여 2단 원심압축기(11)의 성능 및 제반특성(온도특성, 압력특성, 소비전력, 전류 등)을 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 2단 원심압축기 (11)와 냉매회로시스템의 최적작동조건을 찾을 수 있고 이러한 연구개발에 활용할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 상기와 같은 실시 예에서는 2단 팽창과정을 통한 시험장치로 설계하고 있으나 2단 팽창의 경우와 마찬가지로 추가되는 팽창밸브와 기액분리기를 액체상태와 기체상태로 구분하여 연결되도록 증감시키면 3단 또는 1단의 팽창과정을 가지는 사이클에도 적용이 가능하게 된다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 2단 원심압축기의 성능시험장치는 압축기의 성능 및 제반특성(온도특성, 압력특성, 소비전력, 전류 등)을 정확하게 측정할 수 있고 특히 냉매흡입온도를 제어함과 동시에 응축압력을 변화시켜 압축률의 변경이 용이하게 되는 효과가 있다.
또 본 발명은 원심압축기에서 사용하는 단단 또는 2단 이상의 압축은 물론 팽창사이클 조건에서도 시스템을 적용이 용이하고, 측정된 데이터를 분석하여 원심압축기나 냉매회로시스템을 개선하는데 활용함으로써 연구개발의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 특유의 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 압축기시험사이클을 이루는 측정용 2단 원심압축기(11)와 응축기(12) 사이의 냉매라인(10)에 마련되며 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a)로 흡입되는 흡입냉매온도를 조절하는 흡입온도제어기(15); 상기 응축기(12)의 출구측과 흡입온도제어기(15)의 입구측의 냉매라인(10)에 마련되며 2차에 걸쳐 기체 및 액체상태로 분리되도록 1차측에서 기체로 분리된 냉매는 2차측 액체냉매로 유입되고 1차측에서 액체로 분리된 냉매는 2차측 기체냉매로 유입되게 분기냉매라인(10a,10b)을 통해 연결된 제1,제2기액분리기(13,14); 상기 응축기(12)의 출구측과 제1기액분리기(13) 입구측 사이의 냉매라인(10)에 마련된 제1팽창밸브(B1), 상기 제1기액분리기(13)의 기체 및 액체출구측과 제2기액분리기(14)의 입구측 사이의 분기냉매라인(10a,10b)에 마련된 제2,제3팽창밸브(B2,B3); 및 필요 개소에 냉매의 온도, 압력 및 유량을 측정하도록 설치된 온도계, 압력계 및 유량계를 구비하여 2단 원심압축기의 성능을 시험하기 위한 장치에 있어서,
    상기 흡입온도제어기(15)는 내부에 2차 냉매가 소정 레벨 채워진 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 2차 냉매를 가열시키는 히터(15a) 및 상기 밀폐 용기의 2차 냉매를 냉각시키는 냉각유닛(15c)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2단 원심압축기(11)의 1단압축부(11a) 입구측, 그 내부의 바이패스유로, 상기 1단압축부(11a)의 출구측, 2단압축부(11c)의 출구측, 응축기(12)의 출구측, 제1팽창밸브(B1)의 출구측, 제2기액분리기(14)에 각각 온도계 (T5)와 압력계(P5)가 마련되고, 제2,제3팽창밸브(B2,B3)의 출구와 제2기액분리기(14)의 입구측 사이에 제각기 제7,8 온도계(T7,T8)가 마련되며, 상기 흡입온도제어기 (15)와 제2기액분리기(14) 출구측의 압력계(P7) 사이에 유량계(16)가 마련된 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 응축기(12)의 응축기 팬(17)은 응축기(12)의 응축압력을 제어할 수 있도록 그 후단의 압력계(P5)에서 특정된 압력값에 따라 속도가 제어됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기의 성능시험장치.
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