김영민
(Young-Min Kin)
1iD
이민구
(Min-Goo Lee)
1iD
김종빈
(Jong-Bin Kim)
1iD
최태성
(Tae-Seong Choi)
1iD
박민수
(Min-Soo Park)
1iD
김재언
(Jae-Eon Kim)
†iD
-
(School of Electrical Engineering, Chungbuk National University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
PLC, Refrigerator Failure, Diagnostic Method, Evaporator and condenser, Expansion valve
1. 서 론
기술의 발전에 따른 의약 및 식품의 안전에 대한 요구가 증가하고 있으며, 적정 온도를 유지하는 데에 냉동기가 중요한 요소가 되었다. 이에 따라 식품
관련 해썹(HACCP: Hazard Analysis Critical Control Point)에서 2015년 원-스트라이크아웃제도를 실행하여 식품안전
규정을 강화하였으나, 최근 기후 변화에 의한 여름철 외기온도 상승으로 냉동기 운전에 가혹한 환경이 되어가고 있으며, 과거의 기준으로 제작된 냉동기에는
많은 문제가 발생 되고 있다.
생산 공정마다 냉동기를 분산적으로 설치하여 소형 냉동기의 대 수가 증가하고 있는 것에 반하여, 흡수식 냉동기, 터보냉동기, 히트펌프 설비 냉동기 등의
대형 냉동기에 관한 고장감시 및 분석, 진단에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다(1)(2)(3). 소형 냉동기의 고장진단에는 응축기와 증발기의 이상상태에 대한 입구와 출구의 온도 값을 측정하여 얻은 값을 기준으로 고장을 진단하는 방법이 일반적으로
적용되고 있으나, 많은 구성 요소들 간의 간섭영향으로 정확한 고장진단에는 어려움이 있다(4).
소형 냉동기에 대한 점검 및 보수는 많은 경험에 의해 이루어지고 있으나, 비숙련자의 경우 점검 및 보수에 많은 어려움과 처리지연시간이 수반된다. 이와
같이 지연된 유지보수는 의약 및 식품의 안전성에 문제를 일으키고, 점검오류에 의한 냉매유출은 지구온난화 에 악영향을 미치게 된다.
현장에 설치되는 냉동기의 제어에는 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 DDC(Direct Digital Controller)
등이 활용되고 있으며, PLC는 자유로운 프로그래밍에 의한 그 활용성이 넓지만, 그 활용도는 종전의 물리적 회로를 PLC로 변환시킨 수준에 머물러
있다.
안전한 의약 및 식품의 제조, 보관 및 유통을 위한 적정온도의 유지를 위한 냉동기를 최적의 상태로 운전하고, 고장발생 시 신속하게 고장을 진단할 수
있는 스마트폰에 의한 냉동기 상태 원격감시방법이 제안되었으나, 수집된 자료를 보고 수신자가 직접 고장진단여부를 판단해야 하므로 그 적용에는 한계가
있다(5).
원전에서도 냉각수를 제조하는데 냉동기가 활용되며, 미국대비 국내 고장 발생이 7배 정도 더 많다. 냉동기의 신뢰도 향상 방안으로 고장정비와 예방정비를
동시 수행해야 한다고 제안하고 있으며, 성능감시 활동과 정비경험 전파를 요구하고 있다(6).
따라서, 본 논문에서는 냉동기 유지관리의 문제점 분석 및 냉동기 구성요소별 고장 진단기준을 제시하고, 냉동기 고장진단 실증 실험 및 검증을 수행하였으며,
PLC를 활용하여 수집된 자료를 바탕으로 어떤 설정된 판단기준에 따라 각 구성요소에 대한 고장진단여부를 판단하고, 이를 냉동기 제어반에 점검등 점등
또는 중앙감시실의 HMI(Human Machine Interface)에 알람을 표시하여 작업자가 신속하게 고장진단 및 점검을 할 수 있는 방법을 제안하고자
한다.
2. 냉동기 유지관리 현황 및 문제점 분석
2.1 냉동기 유지관리 현황 및 문제점 분석
냉동기는 Willis Carrier가 1906년 미국에서 세계 최초로 에어컨에 대한 특허를 획득하였으며, 압축, 응축, 팽창, 증발 네 가지 과정을
순환하며 운전된다(7). 냉동기 운전은 역카르노 사이클을 표준으로 하며, 증기압축냉동사이클의 압력-엔탈피 선도로 설명될 수 있다. 그림 1에 증기압축냉동사이클의 압력-엔탈피 선도와 각 과정에 대한 계통을 제시한다(8).
P-H선도에서 1-2과정은 압축기에 의해 저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축하는 것을 의미하고, 2-3과정은 응축기에 의해 압축된 가스를
외부와 열교환 하여 고온고압의 냉매액으로 상변환이 이루어지는 것을 의미한다. 3-4과정에서 팽창은 모세관을 냉매액이 통과하여 교축작용에 의한 저온저압의
냉매액으로 변화되는 것을 의미하고, 4-1과정에서 증발은 증발기에 의해 외부와 열교환하여 저온저압의 냉매가스로 상변화가 이루어지는 것을 의미한다.
그림. 1. 증기압축냉동사이클의 압력-엔탈피선도와 ,계통
Fig. 1. Pressure-enthalpy Curve of Steam compression refrigeration cycle and system
2.2 냉동기 유지관리 현황 및 문제점 분석
소형 냉동기는 구조가 간단하고 설비 트러블에 있어 대형 냉동기보다 파급력이 적지만, 동일 용량 대비 그 대 수가 많아지게 되어 이 증가에 따른 점검
및 보수 업무가 늘어나게 된다.
현장에서는 별도의 논문 등을 참고하는 경우는 드물고, 선임자로부터 받은 교육내용을 토대로 고장을 진단하고 유지관리를 수행하고 있지만, 정비된 교육자료에
기반한 OJT(On The Jap Training)가 이루어지기 어렵다. 일부에서는 냉동기 제작 및 설치 업체에서 제공되는 관리 매뉴얼에 따라 냉동기의
유지관리를 수행하고 있다(9).
압축기의 고장은 차단기 또는 EOCR 등의 트립에 의해 즉시 판정되지만, 응축기, 증발기, 필터드라이어, 전자변, 팽창변은 구성요소 별 서로 간섭영향을
주어 잘못된 판단을 할 수 있으며, 이로 인한 냉매의 배출(purge)이 진행될 수 있다. 냉매배출은 지구온난화 등을 야기하므로, 몬트리올의정서와
대기환경보전법에 의해 회수를 해야 하는 복잡한 절차를 진행해야 한다(10)(11).
냉동기는 고압, 저압, 압축기 토출온도, 현장온도의 4개의 제한된 데이터만으로 냉동기의 점검 및 보수가 진행되므로 고장진단에는 한계가 있다.
응축기와 증발기는 입구와 출구의 온도를 활용하여 이상상태를 진단하는 연구가 있었지만, 다른 구성요소에 대한 이상상태를 진단하지 못하여 현장에 적용하기
어려우며, 3단계 알고리즘을 활용하거나 뉴로 퍼지를 활용하여 전체적인 고장진단을 하는 연구가 진행되었으나, 별도의 고가 장비를 설치해야 하는 문제점이
있다(4)(12)(13). 다음에서 각 구성요소별로 문제점을 분석기술하기로 한다.
2.2.1 응축기
응축기의 점검은 압축기의 토출온도 상승 또는 고압의 상승일 때 점검을 실시한다. 응축기에 관련된 고장 외에도 냉매의 부족 또는 과충전, 필터드라이어
막힘, 팽창밸브 고장 등에 의해서도 비슷한 증상이 나타난다. 응축기 내부의 오염과 냉매의 충전 상태는 육안으로 점검하기 곤란하다.
2.2.2 증발기의 문제점
증발기의 점검은 압력이 낮게 형성되어 압축기에 서리가 발생하거나 현장온도의 상승이 발생될 때 점검을 실시한다. 증발기에 관련된 고장 외에도 냉매 충전량의
부적합, 필터드라이어의 막힘, 팽창밸브 고장, 전자변의 고장 등에 의해서도 영향을 받게 된다. 증발기 내부의 오염과 냉매의 충전 상태는 육안으로 점검하기
어려우며, 설치 위치가 창고나 생산현장의 가장 높은 곳에 설치되어 점검 시 안전상의 위험이 존재한다.
2.2.3 필터드라이어
필터드라이어의 점검은 냉동기를 점검할 때 실시한다. 필터드라이어의 막힘은 냉매 흐름에 영향을 주어 전자변을 제외한 다른 구성요소의 성능에 영향을 준다.
검사유리창을 통해 냉매의 흐름 상태를 확인하지만 장기간 사용하게 되면 오염되어 확인이 곤란하고, 과충전 또는 다량의 냉매 부족시 그 흐름을 확인할
수 없어 불필요한 분해 점검을 실시하게 된다.
2.2.4 전자변
전자변의 점검은 압력이 낮게 형성되거나 냉동기가 기동을 하지 않을 때 실시한다. 전자변의 차단동작에 의해 정지된 냉동기가 다시 기동을 위해서는 전자변의
개방동작으로 저압배관에 냉매가 유입되어야 하지만 소손 또는 전원라인 단선 등에 의해 동작이 불가할 경우 적정압력이 형성되지 않아 기동이 되지 않는다.
이 현상은 팽창변의 고장과 동일한 증상을 나타내어 팽창변과 전자변의 원인 추정에 혼란을 야기할 수 있다.
2.2.5 팽창밸브
팽창밸브의 점검은 압력이 낮게 형성되거나 압축기의 적상, 현장온도의 상승, 토출온도의 상승이 발생될 때 점검을 실시한다. 팽창밸브의 고장은 전자변과
거의 동일한 증상을 나타내므로 그 판별에 혼란을 줄 수 있다. 감온통의 감온 불량, 오리피스의 마모 등은 간헐적인 이상 동작으로 인해 가장 진단하기
어려운 구성요소이며, 이와 관련되어 점검을 위한 연구보다는 종류에 대한 성능평가 또는 동작효율에 관한 연구가 많다(14)(15).
3. 냉동기 고장진단 방법
본 장에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 먼저, 냉동기의 구성요소별 고장진단기준을 제시하고, 이를 기반으로 한 냉동기 전반적인 고장진단 알고리즘을
제시하기로 한다.
3.1 구성요소별 고장진단 기준
구성요소에 이상이 발생할 경우 입구와 출구의 온도 또는 압력의 값이 정상상태와 다르게 변화되므로 구성요소별 입구와 출구의 온도 또는 압력의 차이 값을
하기 식과 같이 산출하고, 이를 정상상태시의 값과 비교하여 고장진단기준 값을 선정한다.
여기서,
$\triangle T_{x},\:\triangle P_{x}$ : 구성요소 별 정상 시 입출구 온도, 압력차
$\triangle T_{x}',\:\triangle P_{x}'$ : 구성요소 별 고장 시 입출구 온도,압력차
$T_{n},\: T_{m}$ : 구성요소 별 정상 시 입구 또는 출구 온도
$P_{n},\: P_{m}$ : 구성요소 별 정상 시 입구 또는 출구 압력
$T_{n}',\: T_{m}'$ : 구성요소 별 고장 시 입구 또는 출구 온도
$P_{n}',\: P_{m}'$ : 구성요소 별 고장 시 입구 또는 출구 압력
n : 입구, m : 출구의 순번
(단위는 온도: [℃], 압력: [MPa])
표 1. 구성요소 별 온도와 압력의 표기 기준
Table 1. Display standard of temperature and pressure for each component
|
구 분
|
표시 기준
|
|
입출구 차
|
입구
|
출구
|
|
응축기
|
온도
|
$\triangle T_{c}$
|
$T_{1}$
|
$T_{2}$
|
|
압력
|
$\triangle P_{c}$
|
$P_{1}$
|
$P_{2}$
|
|
필터
드라이어
|
온도
|
$\triangle T_{e}$
|
$T_{2}$
|
$T_{3}$
|
|
압력
|
$\triangle P_{e}$
|
$P_{2}$
|
$P_{3}$
|
|
전자변
|
온도
|
$\triangle T_{f}$
|
$T_{3}$
|
$T_{4}$
|
|
압력
|
$\triangle P_{f}$
|
$P_{3}$
|
$P_{4}$
|
|
팽창변
|
온도
|
$\triangle T_{s}$
|
$T_{4}$
|
$T_{5}$
|
|
압력
|
$\triangle P_{s}$
|
$P_{4}$
|
$P_{5}$
|
|
증발기
|
온도
|
$\triangle T_{t}$
|
$T_{5}$
|
$T_{6}$
|
|
압력
|
$\triangle P_{t}$
|
$P_{5}$
|
$P_{6}$
|
응축기와 증발기, 팽창변은 그 역할이 온도와 압력이 변화하므로 식 (3-1)~(3-4)를 활용하여 측정 값을 계산한다. 정상상태에서는 일정한 값을 유지할테지만, 고장이 발생할 경우 차이가 발생하게 되어 적정 값을 선정하여 기준을 정할
필요가 있다. 외부의 조건과 편차 등을 감안하여 정상상태의 값에 여유율 3~5[%]를 주고 비정상상태에서의 온도 또는 압력 차이 값이 그 값을 초과하였을
때 점검할 수 있도록 하면 다음과 같이 판단기준을 제안한다.
필터드라이어와 전자변은 정상상태에서는 온도와 압력의 변화가 없으며, 기준 값을 정할 때 임의 선정이 가능하나, 필터의 차압 0.01~0.05[MPa]정도와
외부와의 영향과 편차 등을 고려하여 본 논문에서는 온도차 5[℃]와 압력차 0.2[MPa] 이상이 될 경우 이상상태로 판단하여, 상기 기준과 식 (3-1)~ 식 (3-4)를 활용하여 다음과 같이 판단 기준을 제안한다.
다음에서 전술의 온도 및 압력차 기준을 고려하여 각 구성요소별 고장진단기준을 제시하기로 한다.
3.1.1 응축기
응축기는 압축되어 상승된 냉매의 열을 외부의 공기와 열교환하여 고온고압의 가스를 액으로 상변환이 일어나며, 전과 후의 압력은 동일하여 온도만으로 기준을
선정한다. 응축기는 필터드라이어 또는 팽창변의 고장 등에서도 영향을 받으며, 응축기와 필터드라이어 고장에서만 응축기의 입구온도 $T_{1}$이 85[℃]를
넘어 식 (3-5)에 $T_{1}$과 식 (3-8), (3-9)을 활용하여 다음과 같이 응축기의 고장진단기준을 제안한다.
즉, 응축기의 입구 온도가 85[℃]를 넘으며 필터드라이어의 이상이 없고 응축기의 입출구 온도 차가 정상 상태에서 여유율을 적용한 값을 초과할 경우
검출된다.
3.1.2 증발기
증발기는 팽창되어 온도가 낮아진 냉매의 열을 현장의 공기와 열교환하여 저온저압의 액을 가스로 변화된다. 변화 전과 후의 압력은 변하지 않아 온도만을
기준으로 선정한다. 증발기는 다른 구성요소인 응축기, 필터드라이어, 전자변, 팽창변의 고장에도 영향을 받으며, 응축기의 고장으로는$T_{1}$의 온도가
85[℃ ]를 넘지 않으므로 응축기와는 기준이 반대가 된다. 식 (3-6)에 $T_{1}$과 식 (3-5), (3-7),~(3-11)을 활용하여 다음과 같이 증발기의 고장진단기준을 제안한다.
즉, $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않고 응축기의 입출구 온도 차이가 일정 값을 초과하며, 필터드라이어, 전자변, 팽창변이 정상인 상태에서
증발기의 입출구 온도 차가 일정 값을 초과할 때 검출된다.
3.1.3 필터드라이어와 전자변
필터드라이어와 전자변은 다른 구성요소의 영향에 의하여 입구와 출구의 온도 또는 압력이 변화되지 않고 동일하다. 필터드라이어와 전자변의 이상상태 판단
기준을 식 (3-8)~ (3-11)을 그대로 적용한다.
3.1.4 팽창변
팽창변은 고온고압의 냉매액이 모세관을 통과하며 교축작용에 의해 온도와 압력이 감소하며, 온도보다는 압력의 변화가 확실하여 압력만으로 기준을 선정한다.
팽창변은 응축기에 의해 영향을 받으며, 팽창변의 고장으로는 $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않으므로 식 (3-7)에 $T_{1}$을 추가하여 다음과 같이 팽창변의 고장진단기준을 제안한다.
즉, $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않고 팽창변의 입출구 압력 차가 일정 값을 초과할 때 검출된다.
3.2 냉동기 고장진단 알고리즘
작업자가 직접 제한된 압력과 온도를 통해 이상원인을 추정하여 부품을 순차적으로 보수하며 찾아가던 방법은 점검 및 보수시간이 길게 소요되고, 잘못된
수리로 인하여 환경에 악영향을 끼친다. 또한, 구성요소에 상호 영향을 주어 정확한 고장진단을 하는 데 어려움이 있다.
따라서, 먼저 여섯 개의 온도센서와 압력센서를 구성요소의 입구와 출구에 설치하고, $T_{1}$~$T_{6}$, $P_{1}$~$P_{6}$의 측정
값을 PLC에 전달한다. PLC에서 식 (3-1)~(3-4)을 통해 온도와 압력 차를 산출하고, 이 값을 앞서 전술한 식(3-8)~(3-11) 식(3-12), (3-13), (3-14)을 통해 구성요소 별 진단을 실시한다. 진단 결과 정상이면 다시 처음으로 돌아가 온도와 압력 값을 연산을 반복한다.
고장으로 판단되면 점검등 점등 또는 HMI 화면 알람을 표시하며 냉동기의 트립 여부를 확인한다. 트립이 되지 않았으면, 작업자는 설비 점검 및 보수를
수행한다. 트립이 되면 냉동기가 정지되고 작업자는 알람을 통해 점검 및 보수를 진행한다. 그림 2는 냉동기 고장진단 개념을 표시한 블록도(a)와 방법을 제시한 알고리즘(b) 이며, 블록도의 온도 및 압력 계측이 알고 리즘에서 온도, 압력 입력에
해당된다. 블록도의 PLC 비교 연산이 알고리즘의 온도 압력 연산 및 구성요소 별 진단과 결과, 트립 여부 확인이 된다. 블록도의 결과 값 출력이
알고리즘의 점검등 점등 부분에 해당된다.
그림. 2. 냉동기 고장진단 블록도 및 알고리즘
Fig. 2. Refrigeration machine failure diagnosis block diagra (a) and algorithm (b)
4. 냉동기 고장진단 실증 실험 및 검증
4.1 냉동기 고장진단 실증 실험개요
실험용 냉동기는 압축기, 응축기, 증발기, 필터드라이어, 전자변, 팽창변이 하나의 실 안에 같은 고정대에 설치되어 있다. 배치는 압축기 뒤에 응축기가
있으며, 압축기 앞에는 필터드라이어와 전자변이 있다. 응축기 위에는 증발기가 설치되어 있으며 그 뒤에 팽창변이 설치되어 있다.
압축기는 코플랜드 社의 왕복동 압축기를 사용하였으며, 응축기는 공랭식의 설계온도 35[℃]에 출구온도 45[℃], 증발기는 설계온도 10[℃]에 출구온도
0[℃]이며, 응축기와 증발기 모두 팬 모터가 한 대로 설치되어 있어 인버터를 활용하여 주파수 변환을 통해 풍량을 조절한다.(16) 냉매는 R-22를 사용하며 충분히 충전된 상태에서 실험을 진행한다.(17) 필터드라이어는 블록형이며, 팽창변은 외부감온식 온도식 팽창변이다. 필터드라이어, 팽창변, 전자변은 댄포스 社의 제품을 사용하기로 한다.
온도센서는 PT100을 적용하고, 압력센서는 –1에서 3.5[MPa]까지 측정이 되며, 모두 4-20mA로 측정된다. HMI는 Intouch Program을
사용하여 측정 값을 그래프와 숫자로 표시되도록 한다. 하나의 부품을 실험하는 동안에는 다른 부품은 정상적인 상태를 유지하여 측정에 영향이 최소화 되도록
하고, 그림 3에 실험용 냉동기와 센서를 설치한 계통도를 제시한다.
그림. 3. 실험용 냉동기와 센서설치 계통도
Fig. 3. Experimental refrigerator and sensor installation schematic
4.2 실험조건 및 실험결과
4.2.1 응축기의 실험조건 및 실험결과
응축기의 고장을 가정하기 위하여 인버터를 통해 주파수를 변경하여 풍량에 변화를 주었다. 4대의 팬모터가 60[Hz]로 운전되는 것을 100[%]로
하면, 1대가 고장난 상태에서 세 대의 팬 모터가 운전되는 상황은 전체의 75%가 되므로 주파수를 45[Hz]로 하고, 2대가 고장난 상태에서 2대가
운전된는 상황은 전체의 50%가 되므로 주파수를 30[Hz]로 가정하였다.
상기의 경우에 대하여, 실험을 수행한 결과 팬모터의 풍량 감소에 따른 응축기 입구와 출구의 온도와 압력이 모두 그림4와 같이 상승하였다. 이로 인한 냉동 계통 전체의 냉매 온도가 상승하였으며, 응축기 입구의 온도가 크게 상승하여 입출구 온도 차가 증가하게 되었다.
표 2의 운전 데이터를 식 (3-1)~ 식 (3-4)을 통해 주파수 별로 입출구 온도, 압력차를 계산하고 식(3-12)을 대입하면 고장결과가 다음과 같이 검출되었다.
기준값: 45.1x(1.03~1.05)=46.45~47.36 [℃]
$\triangle T_{45c}일 때,\:$
$\triangle T_{30c}일 때,\:$
그림. 4. 응축기 고장진단 실증 실험에 의한 그래프
Fig. 4. Graph by condenser fault diagnosis demonstration experiment
표 2. 응축기 고장진단 실증 실험에 의한 데이터
Table 2. Data by condenser fault diagnosis demonstration experiment
|
구분
|
온도 값[℃]
|
구분
|
온도 차이[℃]
|
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
|
T1
|
81.8
|
86.8
|
96
|
$\triangle T_{c}$
|
45.1
|
47.1
|
50.3
|
|
T2
|
36.7
|
39.7
|
45.7
|
$\triangle T_{f}$
|
0.4
|
0.6
|
0.1
|
|
T3
|
36.3
|
39.1
|
45.6
|
$\triangle T_{s}$
|
0.4
|
0.5
|
0.2
|
|
T4
|
36.9
|
38.6
|
45.4
|
$\triangle T_{t}$
|
33.8
|
36.7
|
42
|
|
T5
|
2.1
|
1.9
|
3.4
|
$\triangle T_{e}$
|
2.6
|
3.7
|
4.4
|
|
T6
|
4.7
|
5.6
|
7.8
|
-
|
|
구분
|
압력 값[MPa]
|
구분
|
압력 차이[MPa]
|
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
|
P1
|
1.38
|
1.5
|
1.77
|
$\triangle P_{c}$
|
0.01
|
0.02
|
0.02
|
|
P2
|
1.37
|
1.48
|
1.75
|
$\triangle P_{f}$
|
0.01
|
0.01
|
0
|
|
P3
|
1.36
|
1.47
|
1.75
|
$\triangle P_{s}$
|
0.03
|
0.03
|
0.02
|
|
P4
|
1.33
|
1.44
|
1.73
|
$\triangle P_{t}$
|
1.01
|
1.11
|
1.37
|
|
P5
|
0.32
|
0.33
|
0.36
|
$\triangle P_{e}$
|
0.01
|
0.02
|
0.01
|
|
P6
|
0.31
|
0.31
|
0.35
|
-
|
응축기의 고장 시 필터드라이어의 온도와 압력이 기준치 이내로 연산되었으며, $T_{1}$의 값이 85[℃]를 초과하여 응축기의 고장진단 조건과 부합하여
이상을 표시할 수 있었다. 이 때, 45[Hz]로 75[%]의 효율로 운전될 경우 5[%] 여유율에서는 검출이 되지 않았으므로 3[%]의 여유율로
관리할 필요가 있다. 30[Hz]에서는 10[%]이상의 차이가 발생하였다.
그림4와 같이 응축기의 입구온도$T_{1}$, 출구온도$T_{2}$, 입구 압력$P_{1}$, 출구압력$P_{2}$이 주파수 변화에 따라 상승하였으며,
입구와 출구의 차이 값이 증가하였다. 표 2는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.
4.2.2 증발기의 실험조건 및 실험결과
증발기는 응축기와 구조가 동일하여 실험조건을 응축기와 동일하게 진행하였다.
실험결과 팬 모터의 풍량 감소에 따른 증발기 입구와 출구의 온도와 압력이 그림 5와 같이 감소하였다. 냉매 계통의 냉매 온도가 감소하여 증발기 입구 온도 또한 감소하게 되었고 그 차이 값이 증가하였다. 표 3의 운전 데이터를 식 (3-1)~ (3-4)와 식 (3-13)을 통해 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.
기준값: 2.8x(1.03~1.05)=2.88~2.94 [℃]
$\triangle T_{45e}일 때,\:$
$\triangle T_{30e}일 때,\:$
그림. 5. 증발기 고장진단 실증 실험에 의한 그래프
Fig. 5. Graph by evaporator fault diagnosis demonstration experiment
증발기는 75[%]의 효율에서는 검출이 불가하였지만 50[%]의 고장에서는 검출이 가능하였다. 50[%]에서는 10[%] 정도의 여유율을 주어도 검출이
가능하였으며, 다른 구성요소를 고려하였을 때 다른 구성요소는 정상상태로 판정되었으며, 증발기에 차이 값에 의해 점검등이 표시되었다.
그림 5와 같이 증발기의 입구온도$T_{5}$, 출구온도$T_{6}$, 입구 압력$P_{5}$, 출구압력$P_{6}$이 주파수 변화에 따라 감소하였으며,
입구와 출구의 차이 값이 증가하였다. 표3은 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.
표 3. 증발기 고장진단 실증 실험에 의한 데이터
Table 3. Data by evaporator fault diagnosis demonstration experiment
|
구분
|
온도 값[℃]
|
구분
|
온도 차이[℃]
|
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
|
T1
|
77.9
|
81.3
|
81.6
|
$\triangle T_{c}$
|
42.2
|
46.2
|
47.8
|
|
T2
|
35.7
|
35.1
|
33.8
|
$\triangle T_{f}$
|
0.5
|
0.2
|
0.3
|
|
T3
|
35.2
|
34.9
|
33.5
|
$\triangle T_{s}$
|
0.4
|
0.5
|
0.2
|
|
T4
|
34.8
|
34.4
|
33.3
|
$\triangle T_{t}$
|
33.5
|
34.2
|
34.7
|
|
T5
|
1.3
|
0.2
|
-1.4
|
$\triangle T_{e}$
|
2.8
|
2.7
|
3.1
|
|
T6
|
4.1
|
2.9
|
1.7
|
-
|
|
구분
|
압력 값[MPa]
|
구분
|
압력 차이[MPa]
|
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
60
[Hz]
|
45
[Hz]
|
30
[Hz]
|
|
P1
|
1.34
|
1.32
|
1.26
|
$\triangle P_{c}$
|
0.02
|
0.02
|
0.01
|
|
P2
|
1.32
|
1.3
|
1.25
|
$\triangle P_{f}$
|
0
|
0
|
0
|
|
P3
|
1.32
|
1.3
|
1.25
|
$\triangle P_{s}$
|
0.03
|
0.01
|
0.03
|
|
P4
|
1.29
|
1.29
|
1.22
|
$\triangle P_{t}$
|
0.98
|
0.99
|
0.96
|
|
P5
|
0.31
|
0.3
|
0.26
|
$\triangle P_{e}$
|
0.01
|
0.02
|
0.01
|
|
P6
|
0.3
|
0.28
|
0.25
|
-
|
4.2.3 필터드라이어의 실험조건 및 실험결과
다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 고압의 냉매로 밀봉되어 폐쇄된 배관 계통 내에 임의적으로 필터의 막힘을 구현하기 위하여 필터드라이어 입구 측에
밸브를 설치하고, 밸브의 개도를 50[%] 조정하여 냉매의 흐름에 영향을 주었다. 실험결과, 그림 6과 같이 입구와 출구의 온도와 압력이 감소하였으며, 입구와 출가의 차이 값이 증가하였다. 식 (3-1)~(3-4)를 식 (3-8)과 (3-9)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.
그림. 6. 필터드라이어 고장진단 실증 실험에 의한 그래프
Fig. 6. Graph by filterdrier fault diagnosis demonstration experiment
필터드라이어는 압력과 온도로 검출이 가능하였으며, 다른 구성요소의 영향을 받지 않는다. 기준 값은 임의로 정하였으나, 필요에 따라서 그 값의 변경이
가능하다.
그림 6과 같이 필터드라이어의 입구온도$T_{2}$, 출구온도$T_{3}$, 입구 압력$P_{2}$, 출구압력$P_{3}$이 감소하였으며, 표 4는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.
표 4. 필터드라이어 고장진단 실증 실험에 의한 데이터
Table 4. Data by filterdrier fault diagnosis demonstration experiment
|
구분
|
온도 값[℃]
|
구분
|
온도 차이[℃]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
T1
|
83.4
|
91.3
|
$\triangle T_{c}$
|
45.6
|
56
|
|
T2
|
37.8
|
35.3
|
$\triangle T_{f}$
|
-0.1
|
9.1
|
|
T3
|
37.9
|
26.2
|
$\triangle T_{s}$
|
0.7
|
2.4
|
|
T4
|
37.2
|
23.8
|
$\triangle T_{t}$
|
34.8
|
23.9
|
|
T5
|
2.4
|
-0.1
|
$\triangle T_{e}$
|
2.3
|
13.8
|
|
T6
|
4.7
|
13.7
|
-
|
|
구분
|
압력 값[MPa]
|
구분
|
압력 차이[MPa]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
P1
|
1.43
|
1.32
|
$\triangle P_{c}$
|
0.02
|
0.01
|
|
P2
|
1.41
|
1.31
|
$\triangle P_{f}$
|
0.01
|
0.37
|
|
P3
|
1.4
|
0.94
|
$\triangle P_{s}$
|
0.03
|
0.05
|
|
P4
|
1.37
|
0.89
|
$\triangle P_{t}$
|
1.04
|
0.6
|
|
P5
|
0.33
|
0.29
|
$\triangle P_{e}$
|
0.01
|
0.01
|
|
P6
|
0.32
|
0.28
|
-
|
4.2.4 전자변의 실험조건 및 실험결과
다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 전자변의 소손 또는 전원라인의 단선을 구현하기 위하여 전원라인에 셀렉터스위치를 설치하고, 전원의 인가 또는
차단을 수행하였다. 실험결과, 그림 7과 같이 전자변 차단 동작이후 압력과 온도가 급격하게 감소하여차이 값이 증가하였다. 식 (3-1)~(3-4)를 활용하여 식 (3-10)~ (3-11)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.
그림. 7. 전자변 고장진단 실증 실험에 의한 그래프
Fig. 7. Graph by solenoid valve fault diagnosis demonstration experiment
표 5. 전자변 고장진단 실증 실험에 의한 데이터
Table 5. Data by solenoid valve fault diagnosis demonstration experiment
|
구분
|
온도값[℃]
|
구분
|
온도 차이[℃]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
T1
|
82.4
|
81.7
|
$\triangle T_{c}$
|
45.2
|
45.2
|
|
T2
|
37.2
|
36.5
|
$\triangle T_{f}$
|
0.2
|
-0.3
|
|
T3
|
37
|
36.8
|
$\triangle T_{s}$
|
0.8
|
14.8
|
|
T4
|
36.2
|
22
|
$\triangle T_{t}$
|
34
|
20
|
|
T5
|
2.2
|
2
|
$\triangle T_{e}$
|
2.2
|
3.5
|
|
T6
|
4.4
|
5.5
|
-
|
|
구분
|
압력 값[MPa]
|
구분
|
압력 차이[MPa]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
P1
|
1.4
|
1.42
|
$\triangle P_{c}$
|
0.01
|
0.02
|
|
P2
|
1.39
|
1.4
|
$\triangle P_{f}$
|
0.01
|
0
|
|
P3
|
1.38
|
1.4
|
$\triangle P_{s}$
|
0.03
|
0.66
|
|
P4
|
1.35
|
0.74
|
$\triangle P_{t}$
|
1.02
|
0.45
|
|
P5
|
0.33
|
0.29
|
$\triangle P_{e}$
|
0.02
|
0
|
|
P6
|
0.31
|
0.29
|
-
|
전자변 또한 압력과 온도 모두 검출이 가능하였으며, 다른 요소에 영향을 받지 않는다. 기준 값은 임의로 정하였으나, 필요에 따라서 그 값의 변경이
가능하다.
그림 7과 같이 전자변의 입구온도$T_{3}$, 출구온도$T_{4}$, 입구 압력$P_{3}$, 출구압력$P_{4}$이 감소하였으며, 온도가 다시 상승하기
시작한 것은 냉동기가 저압 정지로 인하여 외부 온도와의 열평형을 위한 온도 상승이 발생하였다. 표 5는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.
4.2.5 팽창변의 실험조건 및 실험결과
다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 고장의 대부분을 차지하는 모세관 내 이물로 인한 막힘, 감온통의 손상에 의한 봉입 가스의 누출로 동작 불가를
구현하기 위하여 냉동기가 가동 중인 상태에서 감온통의 연결관을 절단하여 내부에 봉입된 가스를 방출시켰다. 실험결과, 그림 8과 같이 팽창변의 입구 온도는 감소하는 반면 출구 온도는 냉매의 부족하여 상승하게 되었다. 압력은 모두 감소하였으며, 표 6의 값을 식 (3-1)~(3-4)를 활용하여 식 (3-14)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.
그림. 8. 팽창변 고장진단 실증 실험에 의한 그래프
Fig. 8. Graph by expansion valve fault diagnosis demonstration experiment
표 6. 팽창변 고장진단 실증 실험에 의한 데이터
Table 6. Data by expansion valve fault diagnosis demonstration experiment
|
구분
|
온도값[℃]
|
구분
|
온도 차이[℃]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
T1
|
81.6
|
83.3
|
$\triangle T_{c}$
|
39.3
|
43.5
|
|
T2
|
42.3
|
39.8
|
$\triangle T_{f}$
|
0
|
0.3
|
|
T3
|
42.3
|
39.5
|
$\triangle T_{s}$
|
1
|
-0.2
|
|
T4
|
41.3
|
39.7
|
$\triangle T_{t}$
|
35.9
|
34
|
|
T5
|
5.4
|
5.7
|
$\triangle T_{e}$
|
2.7
|
3.2
|
|
T6
|
8.1
|
8.9
|
-
|
|
구분
|
압력 값[MPa]
|
구분
|
압력 차이[MPa]
|
|
정상
|
막힘
|
정상
|
막힘
|
|
P1
|
1.62
|
1.58
|
$\triangle P_{c}$
|
0.02
|
0.01
|
|
P2
|
1.6
|
1.57
|
$\triangle P_{f}$
|
0
|
0
|
|
P3
|
1.6
|
1.57
|
$\triangle P_{s}$
|
0.05
|
0.01
|
|
P4
|
1.55
|
1.56
|
$\triangle P_{t}$
|
1.18
|
1.32
|
|
P5
|
0.37
|
0.24
|
$\triangle P_{e}$
|
0.01
|
0
|
|
P6
|
0.36
|
0.24
|
-
|
기준값: 1.18(1.03~1.05)=1.22~1.24 [℃]
이상이 발생되었을 때,
다른 구성요소의 영향을 고려하여도 $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않아 검출이 가능하였으며, 압력으로 팽창변의 상태를 판단하였다.
그림 8과 같이 팽창변의 입구온도$T_{4}$, 입구 압력$P_{4}$, 출구압력$P_{5}$이 감소 하였으며, 출구온도$T_{5}$만 상승하였다. 표 6은 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.
4.3 검증
4.3.1 응축기의 검증
응축기는 필터드라이어와 팽창변에 영향을 받으므로 표 4와 표 6의 데이터를 식 (3-12)에 적용하면 다음과 같이 고장조건이 산출되었다.
필터드라이어의 고장일 경우,
(46.97~47.88)<56 = 응축기 점검등 OFF
팽창변의 고장일 경우,
(40.48~41.27)<43.5 = 응축기 점검등 OFF
필터드라이어의 고장시에는 필터드라이어의 조건이 응축기의 고장조건에 부합되지 않아 응축기의 고장이 검출되지 않았으며, 팽창변의 고장시에는 $T_{1}$이
85[℃]를 초과하지 못해 응축기의 고장이 검출되지 않았다.
4.3.2 증발기의 검증
증발기는 모든 부품에 영향을 받아 표 2, 표 4, 표 5, 표 6의 데이터를 활용하여 식 (3-13)에 적용하면 다음과 같이 고장조건이 산출되었다.
응축기의 50[%] 고장일 경우,
(5>0.2 or 0.2>0.02) and
(46.45~47.36)<50.3 and (1.04~1.06)<1.37 and
(34.81~35.49)<42 = 증발기 점검등 OFF
필터드라이어 고장일 경우,
5>2.4 or 0.2>0.05) and
(46.97~47.88)<56 and (1.07~1.09)>0.6 and
(2.37~2.42)<13.8 = 증발기 점검등 OFF
전자변 고장일 경우,
(5<14.8 or 0.2<0.66) and
(46.57~47.46)>45.2 and (1.07~1.09)>0.45 and
(2.27~2.31)<3.5 = 증발기 점검등 점등 OFF
팽창변 고장일 경우,
(5>-0.2 or 0.2>0.01) and
(40.48~41.27)<43.3 and (1.22~1.24)<1.32 and
(2.78~2.84)<3.2 = 증발기 점검등 OFF
응축기 고장시 온도차 T1과 팽창변의 압력 차이 조건이 증발기의 고장조건에 부합하지 않았으며, 필터드라이어 고장시 온도차T1과 필터드라이어의 압력차/온도차가
증발기의 고장조건에 부합되지 않아 증발기의 고장이 검출되지 않았다. 전자변 고장시 전자변의 온도차와 압력차가 증발기의 고장조건에 부합하지 않았으며,
팽창변 고장시 팽창변의 압력차 조건이 증발기의 고장조건에 부합되지 않아 증발기의 고장이 검출되지 않았다.
4.3.4 팽창변의 검증
팽창변의 입구와 출구의 압력의 차이에 변화가 발생하는 영향을 주는 것은 응축기 고장 뿐으로 표 2의 데이터를 식 (3.1.4.1)에 적용하면 다음과 같이 팽창변의 고장조건이 산출되었다.
응축기의 25[%] 고장일 경우,
= 팽창변의 점검등 OFF
응축기의 고장시 $T_{1}$의 조건이 맞지 않아 팽창변의 고장이 검출되지 않았다.
5. 결 론
본 논문에서는 안전한 의약 및 식품의 생산 및 보관, 유통을 위한 냉동기의 운전에 갈수록 가혹해지는 기상 조건과 현장에서 발생되는 관리의 불합리성에
대해 도움이 될 수 있는 방법으로 PLC를 활용하여 온도 또는 압력을 측정하고 연산하여 판단하도록 하였다.
냉동기는 구성요소에 따라 상호 영향을 주어 점검 및 판단을 복합적으로 해야 할 필요가 있었다. 제시한 고장진단 방법에 대한 실험결과 모두 해당되는
고장만을 검출하고 다른 고장에 의한 영향으로는 검출되지 않았다. 냉동기 고장진단에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
응축기와 증발기는 온도를 기준해야 하며, 팽창변은 압력을 기준으로 해야 했다. 필터드라이어와 전자변은 온도와 압력 모두 적합하게 되어 필요에 따라
선택하여 사용 가능하다. 응축기는 응축기의 온도 차와 입구온도 $T_{1}$, 필터드라이어의 정상조건을 통해 고장검출이 가능하였으며, 증발기는 증발기의
온도 차와 응축기 입구온도 $T_{1}$, 필터드라이어, 전자변, 팽창변의 정상조건을 통해 고장검출이 가능하였다. 팽창변은 압력 차와 응축기 입구온도
$T_{1}$을 통하여 고장검출이 가능하였으며, 필터드라이어와 전자변은 자신의 요소만으로 검출이 가능하였다. 기준 값을 선정함에 있어 냉동기가 설치된
현장에서 여러번의 테스트를 진행하여 그 조건에 맞는 기준 값을 선정할 필요가 있다.
봄, 가을 철에 진행되어 가장 가혹한 조건인 하절기와 최대 효율이 발생되는 동절기의 온도가 냉동기에 미치는 영향을 파악할 수 있는 추가적인 실험을
하여 사 계절을 지닌 대한민국의 현장에 더욱 최적화된 방법을 확인 할 필요가 있다.
Acknowledgements
This research was supported by Basic Science Research Program through the National
Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(No. 2020R1A6A1A12047945)
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Fluid Machinery and Systems, Vol. 9, No. 4
Jong-Kwan Sun, Su-Nam Chae, Dong-Soo Jung, 2002, Effects of Refrigerant and Oil Charges
on the Performance of an Refrigeration System, Korea Journal of Air-Conditioning and
Refrigeration Engineering, pp. 617-625
저자소개
He received the B.S. Entered Korea Cyber University undergraduate in 2017 and 2021.
MS. degree at Chungbuk National University Graduate School of Industry in 2021. CJ
CheilJedang in 2017.
E-mail : kymckdwh@naver.com
He received the B.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National University,
Korea, in 2022. He is currently working toward his M.S. degree in electrical engineering
at Chungbuk National University. His research interests include operation and design
of power distribution systems with distributed generation.
E-mail : lmg1006@naver.com
He received the B.S. degree in Electric Engineering from Chungbuk National University,
Korea, in 2022. He is currently working toward his M.S. in Electric Engineering at
Chungbuk National University. His research interests include operation and design
of power distribution systems with distributed generation.
E-mail : bin30129@naver.com
He received the B.S. and M.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National
University, Korea, in 2017 and 2019. He is currently working toward his Ph.D. degree
is electrical engineering at Chungbuk National University. His research interests
include operation and design of power distribution systems with distributed generation.
E-mail : chlxotjd@naver.com
He received the B.S. and M.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National
University, Korea, in 2015 and 2017. He is currently working toward his Ph.D. degree
is electrical engineering at Chungbuk National University. His research interests
include operation and design of power distribution systems with distributed generation.
E-mail : pms432@naver.com
He received the B.S. and M.S. degrees from the University of Hanyang in 1982 and 1984,
respecttively. He was affiliated with KERI as a researcher from 1984 to 1989; a senior
resear- cher from 1989 to 1996; and a team leader of advanced distribution systems
and custom power lab from 1997 to 1998. He received his Ph.D. from Kyoto University,
Japan in 1996. He has been a professor at Chungbuk National University since 1998.
His current interests are design of Distributed Energy Resources; analysis of power
quality; operation and design of AC & DC power distribution systems with DER and advanced
distribution systems such as microgrid, LVDC and MVDC.
E-mail : jekim@cbnu.ac.kr