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1. 냉동의 원리
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일반적으로 물체에서 열을 빼앗아 그 물체의 온도가 하강하는 것을 냉각(cooling)이라하고,
냉각범위 물체의 온도를 대기온도 이하로 낮추는 것을 냉동이라 한다. 따라서 냉동을 하는데에는
특별한 장치를 필요로 하며, 그것을 냉동기라 부른다. |
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1. 냉동의 방법
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현재 사용하고 있는 냉동의 방법에는
(1) 융해열을 이용하는 방법,
(2) 승화열을 이용하는 방법,
(3) 증발열을 이용하는 방법,
(4) 압축기체의 팽창을 이용하는 방법,
(5) 펠티어(peltier)효과를 이용하는 방법 등이 있다.
펠티어 효과란, 서로 다른 두 금속의 도체선의 양 끝을 접합하고 이들 회로에 직류전류를 흐르게
하면 한쪽의 접검에서는 발열이 일어나고, 다른 쪽 접점에서는 흡열이 일어나는 현상을 말한다.
이 현상을 이용하는 냉동법을 열전 냉동이라고도 한다 |
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2. 냉동기의 원리
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① 압축기(compressor):증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 보낸다.
② 응축기(condenser) : 압축기로부터 나온 고온ㆍ고압의 가스냉매를 물 또는 공기로
냉각시켜 응축 시킨다.
③ 팽창밸브(expansion valve): 팽창밸브의 역할은 적정량의 액체냉매를 저압의 증발기측으로
보내고, 고압 냉매는 팽창밸브를 통과하는 사이에 급격히 저온ㆍ저압의 습증기로 된다.
④ 증발기(evaporator) : 냉동목적을 달성할 수 있는 곳으로서 냉매는 여기서 열을 얻어
증발하고 주위는 저온으로 된다. |
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3. 냉동 능력
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냉동능력은 증발기에서 흡수하는 열량(kcal/h)으로 표시하며, 일반적으로 냉동톤
(ton of refrigeration)의 단위를 사용한다.
1 냉동톤(RT)은 0℃의 물 1톤을 24시간 동안에 0℃의 얼음으로 만드는 냉동능력을 말한다.
따라서, 1RT는 얼음의 융해열이 79.7kcal/kg이므로.
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1,000×79.7 |
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1RT = |
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≒ 3,320kcal/h가된다.(CGS 냉동톤) |
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한편, 미국이나 영국에서는 1 ton(단 2,000lbs). 융해열 144Btu로 하고 있으므로 1냉톤은
다음과 같이 표시된다.
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144×2,000 |
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= 12,000Btu/hr(1 us RT라고 함) |
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24 |
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1Btu=0.252kcal이므로 이를CGS단위로 환산하면
1 us RT =12,000Btu / h× 0.252kcal/ Btu=3,024kcal/h가 된다. |
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한 국 |
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1 RT : 79,680 kcal /24h = 3,320.5kcal/h
1 RT는 Q=Wr에서Q = 1,000×79.68=79.680kcal 24h 79,680 ÷24 =3,302kcal/h |
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미 국 |
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1 US RT : 288,000BTU/24h=12,000BTU/h =3,024=3,024kcal/h
1 US RT는 Q=Wr에서 Q=2,000× 144=288,000BTU/24h 288,000÷24=12,000BTU/h |
예제: 내방부하 30,000kcal/h 를 담당하는 냉동기의 냉동능력은 몇 냉동톤에 해당하는가?
풀이: 1 냉동톤 =3,320kcal/h이므로
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30,000 |
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냉동기의 능력= |
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= 9.04(RT) |
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3,320 |
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4. 냉동 사이클에 의한 냉동능력
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냉동기기의 강도 및 안정성을 위하여 제작 공장에서 내앞 시험과 기밀시험이 실시된다.
내앞시험은 시험품의 본체 내에 물 또는 기름을 넣고, 그앞력을 최소 기밀시험압력(아래 참조)
의 1.5배 이상으로 유지하여 변형이나 누설의 유무를 조사하고 설계나 공작의 양부를 판단하는 시험으로서, 이것을 실시하는데 특히 시험용기 내에 공기나 잔존하지 않도록 주의하고, 용접이음에 대해서는 시험압력을 5분 이상 유지한 후 이음의 양측을 해머로 두드러 누설의 유무를 검사한다.
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명칭 |
화학식 |
최소 기밀
시험압력
(고압축) |
최소기밀
시험압력
(저압축) |
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탄산가스 |
CO² |
105 |
70 |
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프레온12 |
CCI₂F₂ |
16.5 |
10 |
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프레온13 |
CIF₃ |
70 |
50 |
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프레온22 |
CHCIF₂ |
20 |
10 |
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프레온21 |
CHCI₂F |
5 |
3.5 |
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프레온114 |
C₂CI₂F₄ |
5.5 |
3.6 |
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암모니아 |
NH₃ |
20 |
10 |
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크롤메틸 |
CH₃CI |
15 |
9 |
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아황산가스 |
SO₂ |
12 |
7 |
기밀시험은 공기 또는 불연성 가스를 사용해서, 그 압력을 표에 나타낸 최소 기밀시험 압력이상으로 유지하고, 가스체의 누설을 검사하는 시험으로서, 가스 누설의 유무를 조사하는 데는 시험품을 수조에 넣든가, 외면에 비눗물을 도포하여 거품의 발생에 의해서 판단하면 된다.
냉동기의 설치, 배관을 한 후에 하는 누설시험은 공기, 탄산가스, 질소 등의 불연성가스를 사용해서 최소 기밀시험의 90% 이상의 압력으로 시험하고, 누설의 유무를 장치의 외면에 비눗물을 발라서 찾아낸다, 누설 개소는 그 대소에 관계없이 가스를 뺀 후 떼어서 수리하고 다시 같은 시험을 반복한다.
이와 같이 해서 장치에 누설이 없는 것을 확인한 후, 다시 가스를 봉입한 채로 24시간 방치하고, 그 압력이 저하하지 않았는가를 조사한다. 이때 기온의 변화에 특히 주의해야 한다.
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냉동기의 운전 중에는 항상 장치 전체에 걸쳐서 냉매 누설의 유무를 조사하고, 누설개소는 즉시 수리해야한다. 냉매 누설의 검출 방법으로 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 암모니아의 경우
① 냄새에 의하여 발견한다
② 황을 태워서 검사한다 (아황산가스는 암모니아의 누설개소에서는 백색의 연기가 된다)
③ 페놀프탈레인지를 적셔서 누설 부분에 대면 홍색이 된다
④ 응축기용 냉각수*브라인, 압축기의 물 재킷 들의 물에 네슬러 시약을 적하하면 누설이 적을 때는 황색이 되고, 심할 때는 갈색이 된다
(2) 프레온 냉매의 경우
① 비눗물을 장치의 외면에 발라서 거품발생의 유무에 의하여 검출한다.
② 할라이드 등에 의하여 그 불꽃이 녹색이 되는 것에 의해 검출한다.
(3) 메틸 클로라이드, 메틸렌 클로라이드의 경우
할라이드 등의 불꽃을 녹색으로 변색함으로써 검출할수 있느나, 폭팔의 위험이 있으므로 주로 비눗물에 의해 검출한다
(4) 아황산가스
누설 개소에 암모니아를 접촉하면 백색의 연기를 발생하는 것을 이용해서 검출한다.
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냉동장치 내에는 냉매를 충전하기 이전에 미량의 공기가 남아있고, 또 운전 중에 저압부의 기밀이 나빠져서 공기가 침입하는 경우가 있으므로 , 제 8장 에서 기술한 가스퍼저를 조작함으로써 불응축 가스를 제거하여 응축 기능을 좋게한다.
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냉동기에 냉매를 충전할 때에는 건조행정에서 장치를 진공으로 한 상태에서 충전하면 편리하다. 진공이 되어 있지 않은 장치에 대해서는 압축기의 토출 밸브를 닫고 운전하고, 압축기와 토출 밸브의 중간에 있는 개구에서 장치중의 공기를 대기 중으로 송출하여 장치 내를 진공으로 한다. 냉배 충전구는 일반적으로 표 와같이 수액기의 액출구 밸브와 팽창밸브사이에 있으며, 이 충전구에 냉매 봄베를 연결하여 냉각수를 보내고, 수액기의 액출구 밸브를 닫고난후 충전밸브를 서서히 열어 냉매액을 주입한다. 이때 장치 내는 진공으로 되어있으므로 상당량의 냉매가 유입하나, 시간의 경과와 더불어 진공도가 줄고, 유입 비율이 적어지므로, 이때에 압축기의 운전이 이루어 진것이 된다. 이후 일단 충전밸브를 닫고 수액기의 액출구를 열어 보통의 운전상태로 되어있는가를 조사하고, 냉매가 부족하면 주입을 반복한다. 충전이 끝나면 충전 밸브, 봄베 토출밸브를 닫고, 봄베의 무게를 측량해서 냉매량을 기록해둔다 |
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냉매 중에 물이 혼입하면 금속에 대한 부식성이 증가하고,패킹이나 전기절연 재료를 침식하여 윤활유가 열화하는 등 악영향이 있으므로, 냉동장치의 누설 시험이 끝나면 각부의 방열을 실시하고, 냉매를 충전하기 전에 장치안을 건조시키는 것이 중요하다
건조 방법으로는 진공 펌의 흡입구를 냉동장치의 충전 밸브에 연결하고, 냉동기 계통내 모든 연락밸브를 열고, 그다음에 진공 펌프를 운전해서 장치내의 진공도를 높여, 수분의 증발을 촉진시켜서 건조시키는, 진공 건조법이 많이 채용되고 있다.
이때 압축기에 윤활유를 넣어 두고, 기름에서도 동시에 수분이 제거되도록한다.
진공도가 5mmHg이 되고나서 약 4시간 진공펌프를 운전하면 대체로 건조는 완료된것으로 보나, 만일을 위해 진공펌프를 떼어낸 후, 약 10시간 방치해서 장치내의 진공도가 변하지 않으면 기밀도와 건조는 충분하다고 할 수 있다. | 냉동 가스 및 배관 - 냉매 누설의 점검 >
냉동기의 운전 중에는 항상 장치 전체에 걸쳐서 냉매 누설의 유무를 조사하고, 누설 개소는 즉시 수리해야 한다.
냉매 누설의 검출 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 암모니아의 경우
- 냄새에 의하여 발견한다.
- 황을 태워서 검출한다(아황산가스는 암모니아의 누설 개소에서는 백색의 연기가 된다)
- 페놀프탈레인지를 적셔서 누설 부분에 대면 홍색이 된다.
- 응축기용 냉각수/브라인, 압축기의 물 재킷 등의 물에 네슬러 시약을 적하하면 누설이 적을때는 황색이 되고, 심할 경우에는 갈색이 된다.
(2) 프레온 냉매의 경우
- 비눗물을 장치의 외면에 발라서 거품 발생의 유무에 의하여 검출한다.
- 할라이드 등에 의하여 그 불꽃이 녹생이 되는 것에 의해 검출한다.
(3) 메틸 클로라이드, 메틸렌 클로라이드의 경우
- 할라이드 등의 불꽃을 녹색으로 변색함으로서 검출 할 수는 있으나, 폭발의 위험이 있으므로 주로 비눗물에 의해 검출한다.
(4) 아황산가스
- 누설 개소에 암모니아를 접축하면 백색의 연기를 발생하는 것을 이용해서 검출한다.
< 냉매의 과열, 과냉>
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 과열 (Super heating) 이란
5톤 용량의 증발기 내부는 액 냉매와 기체 냉매가 혼합된 저압의 포화냉매로 되어있습니다.
팽창변 통과 직후의 냉매는 90% 이상이 액 냉매인데, 증발기를 통과하면서 실내에서 열을 흡수 하여
증발하면서, 기체 냉매로 변합니다.
이론 대로 한다면 증발기 출구/압축기 입구에서의 냉매 상태는 완전히 기체화 되어 압축에 지장이
없어야 합니다. |
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그러나 급격한 실내 부하변동이 있을 경우 증발기를 완전히 통과한 냉매에도 약간의 액체 상태가 있을
수 있는데, 이 액체 상태의 냉매가 압축기로 들어가면 압축기를 망가뜨릴 위험이 있습니다. |
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이를 방지하기 위하여 증발기를 통과한 냉매가 압축기로 가는 과정에서 약 5도 정도 온도가 상승 하게
하여, 액체 냉매가 있을 수 없도록 하는 것이 냉매의 과열입니다.
증발기 내에서의 포화 온도가 0도라면, 압축기에 들어가는 과열 냉매온도를 5도 정도로 해야 하는데,
이 온도 차이 5도 가 과열도 입니다.
이 과열도는 냉매가 증발기에서 압축기로 가는 과정 (압축기 흡입관)에서 일어나도록 하여야 합니다. |
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냉방기 설계에서 이 5도의 과열도를 유지할 때 5톤 용량이 나오도록 해야 합니다. |
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과열도가 설계치 보다 높으면 ?
냉매를 너무 적게 주입하면 증발기의 마지막 부분까지 포화냉매로 가득 차지 못하고, 증발기 내부에서
부터 냉매가 과열하게 되어, 증발기 후반 부분은 과열 냉매가 차 있게 되는데, 이 부분 은 증발기의
역할을 못하게 되므로, 이 냉방기의 냉동 능력은 당연히 설계된 5톤에서 크게 모자 라게 됩니다. |
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또, 가령 과열도가 10도 라면, 5도 때 보다, 기체 냉매의 부피가 늘어나므로, 압축기가 순환시키는
냉매의 량이 상대적으로 줄어들어, 전체 냉동 능력은 더 저하됩니다.
압축기가 더 높은 온도에서 운전을 하게 되어, 압축기 모타의 효율도 떨어지게 됩니다.
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과냉 (Sub Cooling)이란
응축기에서 압축되어 액화될 때의 온도를 포화 응축온도라 하는데, 이 때 포화 응축온도가 가령
60도라면, 이 응축된 액체 냉매의 온도가 60도 보다 낮아지는 것을 과냉이라 합니다.
그러나 응축기에서 과냉된 부분은 이미 액체 냉매로 되어있어, 액체 상태의 냉매가 차지하고 있는
응축기 부분은응축 역할을 못하기 때문에, 이 부분 만큼 응축기의 크기를 늘려서 제작하여야 합니다. |
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과냉도가 5도 보다 낮아지면 ?
과냉된 액체냉매의 온도가 55도라면 과냉도가 5도 (60-55)가 되는 것입니다. P-H diagram상으로는
냉동효율이 올라가나, 응축기의 생산비가 높아지므로 5도 정도의 과냉도를 유지하면서 결과적으로
냉방기의 용량이 5톤 이 나오도록 하는 것이 설계의 포인트입니다. 과냉도가 꼭 5도로 하란 법은
없습니다.
시스템 전체의 바란스가 맞으면서 규정대로의 냉방능력만 나오면 과냉도가 다소 높거나 낮아도 상관
없습니다.
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과냉이 전혀 안된다면 ?
과냉이 되지 않은, 포화 냉매를 그대로 팽창변으로 보내면 배관의 저항으로 액체냉매의 일부가 증발하면
서 기체 상태로 되는데 (flash gas ), 기체 상태의 냉매가 섞인 냉매가 팽창변으로 가게 됩니다.
이는 팽창변의 정상적인 작동을 방해하고, 냉동 능력을 급감시키므로 반드시 액체 상태로 팽창변까지
보내야 합니다.
그래서 flash gas의 발생을 방지하기 위하여 5도 정도의 과냉도를 유지하도록 시스템 설계를하는 것이
좋은 것입니다.
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적절한 과열도와 과냉도 유지
적절한 과냉과 과열의 유지는 냉방기가 설계된 대로의 용량이 나오도록 하는데, 매우 중요한 역할을
합니다.
아무리 큰 증발기와 응축기를 쓰고, 성능 좋은 압축기와 송풍기를 쓰더라도, 시스템의 과열과 과냉을
적절히 유지 하지 않으면, 냉방 능력은
매우 심각하게 떨어 질 수 있는데, 국내 제조사나 서비스 업계 모두가 이 간단한 원리를 간과하고 있
습니다.
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과냉 방지는 설계한 대로의 적적한 량의 냉매를 주입하면 어느 정도 방지되나, 과열 방지는 조금 문제가
다릅니다. |
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아무리 적절한 량의 냉매를 주입하였다 하더라도, 증발기에 있는 냉매는 실내 온도와 외기 변화에 따라
상태가 달라집니다.
주위 상태에 따라, 증발기에 들어있는 포화 액체 냉매의 량이 많아 질 수도 있고, 적어 질 수도 있습니다.
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TXV를 쓰면, 주위의 온도 변화에 상관없이, 항상 일정한 과열도을 유지시켜 줍니다.
또, 증발기에 들어있는 냉매의 량을 항상 일정하게 해주므로, 덩달아 응축기에 들어 있는 냉매의 량도 일정해 질 수밖에 없습니다. |
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모세관을 쓰면 주위 온도의 변화에 따라, 과열도도 달라집니다.
증발기에 있는 냉매의 량이 수시로 변합니다. 덩달아 응축기에 있는 냉매의 량도 달라집니다.
따라서 모세관은 큰 냉방기에 쓸 수 없는 것입니다 |
◎ 오 일 트 랩
공냉식 냉동장치에서 압축기가 실외에 있고 , 증발기보다 위에 있을 경우 냉매 배관방법중
높이차가 10M이상일 때 가스측 배관에 오일트랩을 설치해야 한다.
보통 건물 1층의 높이가 3~3.5M이므로 3층 이상의 높이차가 날 경우 가스측 배관중간에
오일트랩을 설치하고 10M가 초과 되 경우 10M마다 오일트랩을 설치한다.
◎ 오일트랩의 역활
1.배관에는 냉매와 냉동기유(압축기 윤활용)가 흐르고 있다.
2.냉동기유는 배관 내부에 어느 정도 남아있다.
3.냉동기유는 냉매가 액상인 경우 잘 흐르며 , 가스인 경우 , 특히 높이차가 10M이상인 경우
는 가스입자가 크게되어 잘흐르지 않게 된다.
4.압축기는 냉동기유가 되돌아 오지 않아서 파손된다. 파손을 막기 위해서 오일트랩을 설치할
필요가 있다.
◎ 오일트랩이 냉동기유를 운반하는 원리
프레온 냉매는 냉동기유와 혼합하여 배관내를 흐르고 트랩의 낮은 부위에 냉동기유가 고이게
된다.
[그림 1]과 같이 냉동기유가 고이면 배관 통로가 막힌다.
그럴 경우 파이프의 굴곡반경(R)이 크면 고인 고인 유량도 많게 되고 일시에 많은 냉동기유
가 압축기로 유입되어 오일햄머(Oil Hammer)등을 일으키는 원인이 된다.
따라서 트램의 굴곡반경을 작게하지 않으면 않된다.
막힌 배관 통로는 ㉠측(압축기 출입구) 과 ㉡측과의 사이에 압력차가 생겨 그로인해 압축기로
흡상된다.
◎ 오일트랩의 형태
- 오릴트랩(배관 U 트랩) 은 대형냉동기의 배관공사에서 직상관일경우 10미터마다 오일 회수
용 트랩을 반드시 설치해야하며 특히 소형냉동기(5마력이하)는 6미터마다 트랩을 설치 할 필
요가 있다고 생각합니다
- 프레온 냉매특성이 바로 냉매와 냉동유의 용해성이 강해 거의같이 계통내를 순환 한다고 해도
과언이 아니지요 , 증발기가 압축기보다 아래에 있을경우 이러한 오일트랩에 고여있는 오일을 회수해야하는데 이론적으로 흡입압력에 상당하는 냉매가스속도 ,배관 구경(hole),등을 고려해 높이라 생각합니다 | | | | | | | | | |
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