스크류 냉동기 대체 냉매 레트로핏 시 팽창밸브(TXV/EEV) 용량 재선정 가이드

대형 스크류 냉동기를 저GWP(지구온난화지수) 친환경 대체 냉매로 전환(Retrofit)할 때, 압축기 오일과 냉매만 교체하고 기존 팽창밸브(TXV/EEV)를 그대로 사용하는 사례가 흔히 발생합니다. 그러나 냉매 고유의 물리적·열역학적 특성 변화를 고려하지 않고 기존 팽창밸브를 유지할 경우, 냉동 능력 급락, 헌팅 현상, 더 나아가 액백(Liquid Slugging)으로 인한 압축기 영구 손상이 초래될 수 있습니다.

본 리포트에서는 대체 냉매 전환 시 발생하는 열역학적 변화와 이에 따른 팽창밸브 용량 재선정 메커니즘, 그리고 설비 안전성 확보 방안을 기술적으로 분석합니다.

스크류 냉동기 레트로핏 TXV·EEV 용량 재선정 매뉴얼

목차

1. 대체 냉매 전환에 따른 열역학적 특성 변화

[대체 냉매(HFO) 도입] ➔ [체적당 냉동 능력 감소 및 비체적 증가] ➔ [필요 질량 유량 증가] ➔ [팽창밸브 유량 병목 또는 과다 분사 발생]

질량 유량(Mass Flow) 및 비체적(Specific Volume)의 변화

• 유량 요구량 증가: 기존 프레온계 냉매(R-22, R-134a 등) 대비 차세대 대체 냉매(R-1234ze, R-513A 등)는 체적당 냉동 능력이 상대적으로 낮고 비체적이 큰 편입니다.
• 동일 냉동 톤(RT) 유지 조건: 동일한 냉동 능력을 발휘하기 위해서는 단위 시간당 증발기로 들어가는 냉매의 질량 유량(m)을 기존 대비 증대시켜야 합니다.

차압( ΔP ) 감소 및 유량 병목 현상

• 전후단 차압 축소: 대체 냉매는 증발 잠열과 밀도 특성의 차이로 인해 응축기와 증발기 사이의 전후단 차압( ΔP ) 형성이 상대적으로 낮게 나타납니다.
• 병목 현상: 밸브 전후단의 압력차가 줄어들면 동일한 오리피스 면적을 통과할 수 있는 액체 냉매의 유량이 물리적으로 감소합니다. 이를 방치하면 밸브 개도율이 100%여도 증발기로의 유량 공급이 부족해지는 현상이 발생합니다.

2. 팽창밸브 오매칭에 따른 리스크 분석

구분	과소 선정 (Under-sizing)	과대 선정 (Over-sizing)
주요 현상	증발기로의 냉매 유량 공급 부족	밸브 개도 반응 과다 및 헌팅(Hunting) 발생
시스템 영향	흡입 압력 저하 및 과열도(Superheat) 수치 이상 급상승	미기화 액체 냉매의 증발기 통과 (액백 현상)
설비 리스크	압축기 헤드 과열 및 모터 소손(Seizure)	스크류 로터 액압축에 따른 물리적 파손

3. 팽창밸브 스펙 튜닝 및 제어 표준

기계식 팽창밸브(TXV) 적용 시

• 오리피스(Orifice) 재선정: 증가된 필요 질량 유량을 수용할 수 있도록 밸브 노즐 내부 구경 스펙을 상위 단계로 확장해야 합니다.
• 감온통(Bulb) 내 충진 가스 교체: 변경된 대체 냉매의 P-T(압력-온도) 곡선과 일치하는 크로스 차지(Cross-Charge) 스펙 감온통을 매칭하여 아날로그 감도 오차를 보정해야 합니다.

전자식 팽창밸브(EEV) 적용 시 (권장)

• 정밀 제어 구조: 스테핑 모터를 이용하여 펄스 단위로 개도율을 제어하므로 부하 변동 및 물성 변화 대응력이 뛰어납니다.
• 파라미터 리셋: EEV 전용 메인 디지털 컨트롤러에 신규 냉매의 P-T 라이브러리 데이터를 입력·리셋하여 PID 연산 알고리즘 제어를 정상화해야 합니다.

4. [사례 연구] 1,000RT급 스크류 냉동기 레트로핏 정상화 사례

• 적용 대상: 1,000RT급 대용량 스크류 칠러 플랜트 (대체 냉매 레트로핏 현장)
• 기존 문제점: 냉매 교체 후 시운전 시 흡입 압력 요동(헌팅) 및 압축기 헤드 온도 150℃ 초과로 인한 고온 차단(Trip) 발생.
• 원인 분석: 기존 기계식 TXV가 대체 냉매 도입에 따라 요구되는 질량 유량 증가분(+24%)을 소화하지 못해 유량 병목 및 압축기 과열 유발.
• 엔지니어링 조치:
  1. 기존 기계식 TXV 철거 및 대용량 서보모터 구동형 멀티 EEV 시스템으로 개조
  2. 컨트롤러 내 대체 냉매 P-T 곡선 파라미터 재설정
  3. 부하 변동에 대응하는 고정밀 과열도 추적 가변 제어 로직 적용
• 적용 결과:
  1. 압축기 헤드 온도가 정상 범위( 72℃)로 안착
  2. 흡입 압력 안정화 및 공정 라인 정상 가동 복귀

참고 문헌 (References)

1. ASHRAE: Handbook-Refrigeration: Chapter 45. Liquid Overfeed Systems and Expansion Control Devices for Alternative Refrigerants (2025).
2. 한국설비기술협회(KARSE): 산업용 대형 스크류 냉동기 친환경 대체 냉매(HFO) 레트로핏 시 부품 선정 및 에너지 효율 검증 표준 (2026).
3. 유럽냉동공조협회(AREA): Technical Guidelines: Sizing and Selection of Electronic Expansion Valves (EEV) for Low-GWP Refrigerant Retrofits (2025).
4. 베트남 공상부(MoIT): 하이테크 석유화학 및 전자 플랜트용 칠러 설비의 온실가스 감축 전환 시 유틸리티 안전성 평가 규정 (2026).