안녕하세요. 오늘은 지난번에 알아보았던 냉동사이클에 이어서 지역난방 시스템에서 냉방 시 사용되는 흡수식 냉동기에 대해 알아보려고 합니다. 사실 압축기를 사용하는 냉동기와는 달리 조금 복잡할 수도 있지만 계통도와 함께 하나씩 알아가다 보면 보다 쉽게 이해할 수 있을 거라 생각합니다. 원리, 계통, 그리고 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. 흡수식 냉동기란
흡수식 냉동기는 증발기에서 흡열 증발을 통해 냉수를 냉각 시킨 냉매와 흡수제를 흡수기에서 혼합시킨 후, 이 혼합물을 재생기에서 외부 열원으로 가열하여 고압의 냉매 증기로 분리한 뒤 응축기에서 응축시키는 사이클을 가진 냉동기를 의미하며, 기존 기계적 압축을 통해 냉매 증기를 생성한 냉동기와 달리 냉매와 흡수액의 화학적 성질의 차이를 이용하여 열압축(화학적 압축)하여 냉매 증기를 생성하는 냉동기입니다.
위와 같은 정의로는 잘 와닿지 않습니다. 그러나 먼저 큰 그림에서 흡수식 냉동기가 어디에 설치되는지 확인해 보도록 하겠습니다.
흡수식 냉동기에서 위에서 볼 수 있듯이 노란색 음영처리된 위치에 설치되며 냉각탑, 냉수펌프, 냉방헤더, 지역난방 중온수 배관과 연결되어 있는 것을 알 수 있습니다. 저기 위치에서 흡수식 냉동기는 어떤 원리로 작동하는지 알아보겠습니다.
2. 증기압축식 냉동기와 흡수식 냉동기와 차이점
지난번에 냉동사이클에서 배운 것은 아래 사진2과 같이 증발기→압축기→응축기→팽창밸브 4가지 장치를 순환하면서 냉매가 증발기에서는 증발열을 흡수하고, 응축기에서는 흡수한 열을 냉각수로 방출하면서 냉동효과를 얻습니다. 이렇게 증발열을 이용하여 냉동효과를 얻는 것은 흡수식 냉동기도 똑같습니다. 따라서 흡수식 냉동기에서도 증발기, 응축기, 팽창밸브(LiBr+H20 냉동기에는 없음) 등은 똑같이 적용됩니다. 다만 증기 압축식 냉동기는 압축기를 이용하여 기계적으로 압축시켜 고온, 고압으로 만든 후 응축기로 냉매를 보내지만, 흡수식 냉동기에서는 사진 3과 같이 증발기에서 나온 저온, 저압의 냉매증기를 흡수기(absorber)에서 흡수제(absorbent)에 흡수시켜 냉매와 흡수제의 혼합용액을 만든 후 이 것을 다시 재생기(desorber or generator)에 가열하여 고온, 고압의 냉매증기로 만들어 응축기로 보냅니다. 다시 정리하면 기계적으로 압축하는 방식이 증기압축식 냉동기이고, 열적, 화학적으로 압축하는 방식이 흡수식 냉동기이며 이 것이 이 냉동기의 차이점이 되겠습니다.
3. 흡수식 냉동기의 작동원리
흡수식 냉동기의 작동원리를 알기 전 몇 가지 조건을 정하고 아래와 같은 사항을 이해하고 가야 합니다. 이는 매우 중요하므로 꼭 숙지하고 다음 설명을 읽어보셔야 합니다.
- 증발온도 5℃와 응축온도 40℃인 냉매가 물인 냉동기이며 흡수제는 LiBr을 사용한다.
- 증발기와 재생기 내부 압력은 6.5mmHg(약 0.008atm 거의 진공 상태)로 동일하다.
- 흡수기와 응축기 내부 압력은 55mmHg(약 0.072atm 1 기압의 11분의 1)로 동일하다.
- 물은 6.5mmHg에서 5℃에서 증발(응축)하고, 55mmHg에서는 40℃에서 증발(응축)한다.
- LiBr는 빙점 549℃, 비등점 1,265℃로 굉장히 높고, 물을 흡수하는 흡수성이 뛰어나다
여기서 중요한 것은 증발기와 재생기는 6.5mmHg로 동일한 압력이므로 이 두 장치에서는 물의 5℃가 되면 끓거나 응축하고, 흡수기와 응축기는 55mmHg로 동일하기 때문에 물은 40℃가 되면 끓거나 응축한다는 사실입니다. 이를 기억하고 다음 작동 원리를 이해하도록 하겠습니다.
1) 증발기 통과과정
응축기에서 나온 ①물(냉매)는 55mmHg 압력에서 40℃의 액체상태에서 관을 통해 증발기로 유입됩니다. 이때 증발기의 압력은 6.5mmHg로 압력이 급격하게 떨어지며 이때 냉매액의 일부가 증발하면서 ② 5℃ / 6.5mmHg 습증기 상태의 냉매로 변화한다. 그 이후 증발기 내부에서는 브레인관(냉수가 지나가면서 열교환하는 관)을 통해 13℃ 정도의 냉수가 흐르는 데, 이때 냉매는 냉수의 열을 흡수하여 습증기 상태에서 ③ 5℃ / 6.5mmHg의 증기 상태로 변화하는 흡열 증발 작용을 한다. 이때 열을 냉매로 방출한 냉수는 약 8℃로 떨어지며 다시 실내 냉방에 사용된다.
2) 흡수기 통과과정
증발기에서 ③ 5℃ / 6.5mmHg 냉매 증기는 흡수기로 유입됩니다. 흡수기에는 재생기에서 열교환기를 거친 흡수성이 뛰어난 50℃의 ⑤LiBr + H20(LiBr 농도 66.5%) 진한 용액이 살포됩니다. 이 때 두 물질은 서로 만나 ⑤ 진한 LiBr+H20 용액이 ③ 5℃의 냉매증기를 흡수하면서 ④ 35℃의 LiBr + H20(LiBr 농도 55.7%) 묽은 용액으로 변화하게 됩니다. 그러나 진한 용액에 냉매증기가 흡수될 때 흡수열이 발생하며 이 열로 흡수된 냉매가 다시 증기로 증발할 수 있는데 이를 방지하기 위해 흡수기를 약 30℃의 냉각수로 냉각시키게 됩니다. 이렇게 ⑤진한 용액에서 ④묽은 용액으로 바뀐 LiBr+H20는 용액펌프를 통해 열교환기를 거쳐 재생기로 유입되게 됩니다.
3) 열교환기 통과과정
재생기와 흡수기 사이에는 열교환기가 존재하는데 냉매증기를 흡수하고 온도가 낮아진 ④묽은 용액(35℃)은 용액펌프에 가는 도중 열교환기에서 ⑤진한용액(100℃)과 열교환하게 됩니다. 그 후 ④묽은 용액은 65℃까지 온도가 올라가며, ⑤진행용액은 50℃까지 온도가 내려갑니다. 이렇게 열교환을 하는 이유는 흡수기에서 나온 ④묽은 용액은 재생기에서 가열시켜 재생되기 때문에 예열과 같은 개념으로 가열해 주고, 재생기에서 나온 ⑤진한 용액은 온도를 낮춰 냉매증기를 더 많이 흡수할 수 있는 상태로 만들어 주기 위해서입니다.
4) 재생기 통과과정
흡수기에서 나온 약 35℃의 ④묽은 용액은 위에서 설명한 열교환기를 거쳐 약 65℃의 ④묽은 용액으로 가열된 후 재생기로 유입됩니다. 유입된 ④묽은 용액은 재생기 내 95~100℃의 중온수관에서 열을 흡수하여 비등점에 이르게 됩니다.(약 78℃) 이 비등점에 이른 ④묽은 용액은 중온수관으로부터 계속 흡열하여 용액 중 냉매증기(H20)를 방출(증발)시키게 되고 이로 인해 수증기가 분리되어 점점 농도가 ⑤진한 LiBr+H20 용액으로 농축되게 됩니다. 이 농축과정에서 물이 냉매증기로 증발되어 LiBr 농도가 55.7% → 66.5%로 증가하고, 농도가 증가한 진한용액은 점점 더 가열되어 100℃의 진한용액으로 변화합니다.
이렇게 냉매증기와 분리된 100℃의 ⑤LiBr+H20 진한용액은 관을 통해 열교환기를 거쳐 다시 흡수기로 흘러들어가 증발기에서 온 ③냉매증기와 만나게 되며, 묽은 용액에서 분리된 ⑥냉매(H20) 증기(40℃, 55mmHg)는 응축기로 유입됩니다.
여기서 지역난방시스템에서 왜 흡수식 냉동기가 사용되는 것인지 알 수 있습니다. 바로 재생기에서 진한용액에서 물과 묽은 용액으로 분리시킬 때 높은 온도의 중온수가 필요하기 때문입니다. 따라서 지역난방지역에서 FCU(팬코일유닛) 등으로 냉방이 되는 건축물에는 흡수식 냉동기가 설치되어 있다고 생각할 수 있습니다.
5) 응축기 통과과정
⑥냉매(H20) 증기(40℃, 55mmHg)는 다시 증발기로 유입되어 열교환을 하기 위해서는 다시 ①과 같은 액체 냉매상태로 만들어줘야 합니다. 그러기 위해서는 재생기에서 중온수로부터 흡수한 열을 방출해야 하는데 이는 응축기 내 냉각수를 통해 방출하게 됩니다. 냉각수와 열교환을 하여 방열 응축을 한 증기상태의 ⑥냉매는 응축과정을 통해 ① 액체상태의 냉매가 되어 다시 증발기로 유입되며 흡수식 냉동기의 순환사이클이 계속됩니다.
4. 흡수식 냉동기의 종류
흡수식 냉동기는 재생기의 수와 재생기의 배치에 따라 종류가 결정됩니다. 위에서 배운 사이클과 같이 재생기가 1대가 설치되면 1중 효용(단효용) 흡수식 냉동기라고하며, 재생기가 2대가 설치되면 2중효용 흡수식 냉동기라고 합니다. 아래 계통을 통해 차이점을 확인해 보도록 하겠습니다.
1) 1중효용(단효용) 흡수식 냉동기
1중효용(단효용) 흡수식 냉동기는 아래와 같은 계통을 가지며 위해서 설명한 사이클과 같이 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기로 구성되어 있는 냉동기입니다. 가장 간단한 흡수식 냉동기이지만 재생기에서 발생한 냉매증기의 열에너지를 모두 응축기에 냉각수를 통해 버리게 되므로 실질적인 성적률은 0.7~0.8로 낮은 편입니다.
2) 2중 효용 흡수식 냉동기
위에서 설명했듯이 1중 효용(단효용) 흡수식 냉동기의 성적률은 굉장히 낮습니다. 이때 성적률을 높이기 위해서는 응축기에 버리는 열을 줄여야 하는데, 이를 위해 응축기에서 버리는 열을 일부 회수하여 재생기에 공급할 수 있도록 재생기를 하나 더 설치하면 성적률을 높일 수 있게 됩니다. 따라서 2중 효용 흡수식 냉동기는 2개의 재생기(고온재생기와 저온재생기)를 설치하고 고온재생기에서 발생한 냉매증기를 저온재생기를 가열하는데 사용한 뒤 응축기로 보내 바로 응축기로 냉매증기를 버리는 단효용 흡수식 냉동기보다 효율을 높히게 됩니다.
또한 2중효용 흡수식 냉동기는 2개의 재생기를 직렬로 설치하거나, 병렬로 설치함에 따라 또 직렬형 2중효용 흡수식 냉동기와 병렬형 2중효용 흡수식 냉동기로 나뉘게 되는데, 병렬형은 직렬형에 비해 혼합용액의 온도가 낮고 흡수기로 환원되는 진한 용액의 농도가 낮아 흡수제(LiBr)의 결정화 면에서 직렬형보다 유리하게 됩니다. 그러나 구조가 복잡하고 고온재생기와 저온재생기로의 혼합용액이 균등하게 이송되기가 어렵다는 점과 고온재생기의 출구온도가 상승하여 부식에 취약하다는 단점이 있습니다.
이것으로 오늘은 흡수식 냉동기의 작동원리와 종류, 지역난방이 사용되는 이유에 대해 알아보았습니다. 조금 어려운 내용일 수 있지만 천천히 읽어보면 충분히 이해될 것이라고 생각합니다. 지역난방 지역에서는 거의 모두 사용되므로 설비를 하는 사람이라면 꼭 알아야 할 내용인 것 같습니다. 다음 시간에는 흡수식 냉동기의 시운전, 설치, 반입 시 주의사항에 대해 알아보도록 하겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
'건축설비' 카테고리의 다른 글
| 배관 헤더(Header) 용도, 설계, 시공, 보온, 설치 시 주의사항 (2) | 2024.10.11 |
|---|---|
| 흡수식냉동기 용량 산정, 반입, 배치, 시운전, 자동제어 시 주의사항 (0) | 2024.10.04 |
| 냉동의 원리 (몰리에르선도, P-h선도, 이상적인 냉동사이클, 냉매 상변화) (2) | 2024.09.22 |
| 지역난방방식에서 난방, 냉방 원리, 계통도, 열원흐름도, 기계실 장비 (0) | 2024.09.16 |
| 공조기(AHU) 용도, 구성, 작동원리, 자동제어, 주위 배관 (8) | 2024.09.09 |
