공조냉동기계기사 흡수식 냉동기 원리에 대해 간략히 알아보자

열역학 하면서 압축식 냉동기만 배웠었다.

 보통 냉동공학에서는 p-h 몰리에르 선도에 의한 압축식 냉동기만 배운다. 엑서지나 여타 냉동 사이클로 들어가도 역 카르노 기관에 의한 냉동사이클만 보통 가르치는데, 공조냉동기계기사를 에듀강닷컴 강의를 듣다 보니 흡수식 냉동기라는 재미있는 게 있어서 기억해 볼 겸 남겨본다.

 

구성요소

 구성요소는 발생기(재생기), 응축기, (팽창밸브), 증발기, 흡수기 이렇게 구성된다. 부 요소로는 쿨링타워와 FCU (Fan Coil Unit) 그리고 HEX (heat exchanger)가 있다. 냉매의 종류로는 물(H2O)또는 암모니아 (NH3)를 사용하는데, 전자의 경우 흡수재를 LiBr(리튬브로마이드), 후자의 경우 H2O를 사용한다. LiBr은 물먹는 하마라고 생각하면 된다. 

 

 흡수식 냉동기의 가장 큰 특징은 '버너에 의한 화학적 에너지 사용'이라는 것이다. (압축식 냉동기는 기계적 에너지 사용에 의한 냉동이다.) 그리고 난방의 전환이 가능하다.

 

냉동과정

 냉동과정은 조금 복잡하다. H2O로 가정하고 설명을 기억해 보면

 

1. 일단 발생기 (혹은 재생기)라는 곳에서 버너가 가열을 한다.

 

2. 그러면 H2O의 끓는점은 100℃이고, LiBr의 끓는점은 1265℃이므로 H2O만 발생기 위에 증발된다.

 

3. 발생기 (혹은 재생기)는 응축기와 연결되어 있다.

 

4. 그럼 증발된 H2O만 응축기로 이동을 한다. → 그럼 응축기에서는 '응축'을 시켜야 한다.

 

5. 이때, 보통 여름철 가정 외기온도 30℃내외인 실외에 'Cooling tower'라는 것을 설치한다.

 

 5-1. Cooling tower는 FAN이 설치되어 있고, 물이 들어 있는 배관을 통해 Cooling 되고 있다.

 5-2. 그럼 물의 온도는 최소 30℃이고, 그 물이 배관을 타고 응축기로 들어간다.

 5-3. 이때의 물을 '냉각수'라고 한다.

 

6. 그러면 응축기 위에 증발되어 있던 증기는 100℃에 가까웠는데, 30℃의 배관을 만나니, 응축이 된다. 

 (그럼 응축된 물이 그냥 30℃ 정도라고 생각해 보자.)

 

7. 그럼 그 응축된 물은 액체니까 밑에 또 배관을 타고 어디론가 이동한다.

 7-1. 이때, 팽창밸브가 있는 경우가 있다.

 7-2. 팽창밸브는 교축현상을 일으킨다. (P↓, T↓, h=constant)

 7-3. 응축된 물이 증발기에서 뿌려진다.

 

8. 그런데, 응축기에는 이미 진공이 잡혀있다. 6.5mmHg~7.6mmHg 정도

 (대기압이 760mmHg 인 것을 감안하면, 엄청 낮은 절대기압이다.)

 기압을 너무 낮춰놓고 교축도 되어 있었고 기타 등등의 작용으로 응축기로 바로 들어온 냉매의 온도도 5℃ 정도까지 떨어진다.

 

 8-1. 이때, FCU (FAN coil unit)이라는 장치가 '실내'에 설치된다. 증발기와 한 몸이라고 봐야 된다. (실제로 냉동을 해주는 장치)

 8-2. 여기서도 배관에 물이 돌고 있는데, FCU와 응축기를 순환하고 있다. 실내에 설치되었기 때문에 초기 25℃로 생각

 8-3. 그러면, 온도가 낮은 5℃의 냉매와 FCU 배관을 돌고 있는 물과 만난다.

 8-4. 그럼 FCU 배관 내 물은 물은 냉각이 된다. (5℃) 똑같이 가정

 8-5. 그럼 그 5℃의 냉(각) 수가 실내로 들어가고, FCU에서 FAN을 불어넣어 줘서 실내를 차갑게 만든다.

 8-6. 실내의 열과 섞여서 다시 그 냉(각) 수 온도는 증가하고 이게 증발기로 들어간다. 8-2 반복.

 

9. 그러면 아까 증발기로 갓 들어온 교축된 냉매는 일부는 증발하고 일부는 그대로 액체일 것이다. 

 9-1. 30℃의 물 배관과 만났는데, 압력이 매우 작은 상태이기 때문이다.

 9-2. 이때, 일부의 액체는 펌프를 통해 다시 팽창밸브 앞으로 보내거나 응축기로 다시 보내서 재 순환해서 사용한다.

 9-3. 냉매증기는 자연스럽게 흡수기로 넘어간다.

 9-4. 흡수기의 압력도 거의 진공에 가까운 수준이라고 한다.

 9-5. 이론적으로 흡수기의 압력이 증발기의 압력보다 낮아야 한다. (그래야 압력차로 인해 넘어감)

 

10. 그럼 흡수기로 넘어간 냉매증기는 흡수되어서 발생기로 넘어가야 한다. 어떻게?

 10-1. 이게 그래서 발생기(흡수기)에서 H2O가 끓고 남은 밑에 남은 LiBr가 배관을 통해 흡수기로 넘어온다.

 10-2. 이때, 열 교환기를 달아서 열 교환을 한다. (설명 뒤에 보류)

 10-3. 흡수기로 넘어온 LiBr는 위에 있는 냉매증기를 흡수해서 같이 흡수기 밑에 용액으로 녹아진다.

 10-4. 그럼 그 녹아진 용액은 발생기(재생기)로 펌프를 통해 보내지게 되는데, 얘도 열교환기를 지나간다.

 10-5. 그럼 어? H2O 끓고 남은 LiBr랑 (분리액) H2O를 빨아들여서 용해된 LiBr (용해액)를 왜 열 교환시킬까?

 

 10-5-1. 이게 액체와 액체 사이에서 용해가 잘 되려면 압력이 높거나 온도가 낮아야 한다. 

 10-5-2. 거꾸로 분리를 시키려면 압력이 낮거나 온도가 높아야 한다.

 10-5-3. 온도가 낮아서 서로 다닥다닥 붙어있으면 뭔가 인력에 의해 같이 들어온 친구들이 함께 잘 녹는 그림을 생각하면 된다.

 10-5-4. 반대는 거꾸로

 

 10-6. 그래서 발생기에 있었던 분리액의 목표는 흡수기에서 용해를 시킬 것이기 때문에 온도가 조금 더 낮아져야 한다.

 10-7. 흡수기에 있던 용해된 액은 발생기에서 분리가 되어야 하기 때문에 온도가 높아져야 한다.

 10-8. 그래서 이 둘을 열 교환시키면 개이득!

 

11. 그렇게 한 사이클이 완성된다.