2-1. 흡수식 냉동기(1중 효용)에 대하여 다음 사항을 설명하시오. 1) 작동 원리 2) 냉매와 흡수제 조합을 선택할 때 고려사항 3가지 3) 냉매와 흡수제 종류에 따른 조합이 미치는 영향과 특징

1. 흡수식 냉동기(1중 효용)에 대하여 다음 사항을 설명하시오.

1) 작동 원리

흡수식 냉동기는 냉매의 증발 및 흡수, 재생, 응축 과정을 통해 냉각 효과를 얻는 냉동 방식입니다. 증기압축식 냉동기와 달리 압축기 대신 흡수기, 재생기, 용액펌프를 사용하는 것이 특징입니다. 1중 효용 흡수식 냉동기의 기본적인 작동 원리는 다음과 같습니다.

 

(1) 증발기 (Evaporator): 액체 냉매가 증발기 내부로 공급됩니다. 증발기 내부는 낮은 압력으로 유지되며, 냉매는 주위의 열(냉각 대상으로부터의 열)을 흡수하면서 증발합니다. 이 과정에서 냉각 효과가 발생합니다. 증발된 냉매 증기는 흡수기로 이동합니다.

(2) 흡수기 (Absorber): 증발기에서 나온 냉매 증기는 흡수기에서 흡수제와 혼합됩니다. 흡수제는 냉매 증기를 흡수하는 성질을 가지고 있으며, 이 과정은 발열 과정입니다. 흡수기 내부의 온도를 낮게 유지하기 위해 냉각수 등으로 냉각시켜 흡수 효율을 높입니다. 냉매 증기가 흡수제에 흡수되면 액체 상태의 희용액이 됩니다.

(3) 용액 펌프 (Solution Pump): 흡수기에서 생성된 희용액은 용액 펌프에 의해 재생기로 이송됩니다. 용액 펌프는 액체 상태의 용액을 이송하므로 증기 압축식 냉동기의 압축기에 비해 에너지 소비가 훨씬 적습니다.

(4) 재생기 (Generator 또는 Desorber): 희용액은 재생기에서 외부 열원(증기, 온수, 연소 가스 등)에 의해 가열됩니다. 가열된 희용액에서 냉매는 증발하여 분리되고, 흡수제는 농용액 상태로 재생기 하부에 남게 됩니다. 분리된 냉매 증기는 응축기로 이동하고, 농용액은 다시 흡수기로 순환됩니다.

(5) 응축기 (Condenser): 재생기에서 나온 냉매 증기는 응축기에서 냉각수 또는 공기에 의해 냉각되어 액체 상태로 응축됩니다. 응축 과정은 발열 과정이며, 응축열은 외부로 방출됩니다. 응축된 액체 냉매는 팽창 밸브를 거쳐 다시 증발기로 순환됩니다.

(6) 팽창 밸브 (Expansion Valve 또는 Throttling Valve): 응축기에서 나온 액체 냉매는 팽창 밸브를 통과하면서 압력이 낮아집니다. 압력이 낮아진 액체 냉매는 증발기에서 쉽게 증발할 수 있는 상태가 됩니다.

이러한 순환 과정을 통해 흡수식 냉동기는 지속적으로 냉각 효과를 발생시킵니다. 1중 효용 흡수식 냉동기는 재생기에서 한 번의 가열 과정만을 거치므로 비교적 구조가 간단하고 초기 투자비가 적다는 장점이 있지만, 에너지 효율(성능 계수, COP)이 2중 효용 흡수식 냉동기에 비해 낮은 편입니다.

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2) 냉매와 흡수제 조합을 선택할 때 고려사항 3가지

 

(1) 열역학적 특성:

• 높은 증발 잠열 (냉매): 냉매는 증발 과정에서 많은 열을 흡수할 수 있도록 증발 잠열이 높아야 합니다. 이는 냉동 용량을 높이고 효율적인 냉각 성능을 확보하는 데 중요합니다.
• 낮은 증발 온도 및 높은 임계 온도 (냉매): 작동 조건에서 냉매는 적절한 증발 온도를 유지해야 하며, 응축 과정에서 액화가 용이하도록 임계 온도가 높아야 합니다.
• 높은 흡수 능력 (흡수제): 흡수제는 냉매 증기를 효과적으로 흡수할 수 있는 높은 흡수 능력을 가져야 합니다. 흡수 능력이 높을수록 흡수기 크기를 줄이고 시스템 효율을 높일 수 있습니다.
• 낮은 증기압 (흡수제): 흡수제는 시스템 작동 조건에서 증기압이 낮아야 합니다. 흡수제의 증발을 억제하고 냉매 순환 과정에서 흡수제가 불필요하게 증발하여 시스템 성능을 저하시키는 것을 방지합니다.
• 끓는점 차이: 냉매와 흡수제는 끓는점 차이가 커야 재생기에서 냉매를 효율적으로 분리할 수 있습니다. 끓는점 차이가 작으면 재생 에너지 소비가 증가하고 분리 효율이 낮아집니다.

(2) 화학적 안정성 및 상용성:

• 화학적 안정성: 냉매와 흡수제는 장기간 사용 시 화학적으로 안정해야 합니다. 분해되거나 변질되지 않고 안정적인 성능을 유지해야 시스템의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.
• 재료와의 상용성: 냉매 및 흡수제는 시스템 구성 재료(금속, 플라스틱, 엘라스토머 등)와 화학적으로 반응하지 않아야 합니다. 부식, 용해, 팽윤 등의 문제가 발생하지 않아야 시스템의 신뢰성을 확보하고 누설 위험을 줄일 수 있습니다.
• 비용 및 가용성: 냉매와 흡수제는 경제적이고 쉽게 구할 수 있어야 합니다. 초기 투자 비용과 유지보수 비용을 고려하여 경제적인 조합을 선택하는 것이 중요합니다.

(3) 안전성 및 환경적 특성:

• 독성: 냉매와 흡수제는 인체에 무해하거나 독성이 매우 낮아야 합니다. 누출 사고 발생 시 작업자 및 사용자에게 안전해야 합니다.
• 인화성 및 폭발성: 냉매와 흡수제는 비인화성 및 비폭발성 물질이어야 합니다. 화재 및 폭발 위험을 최소화하여 시스템의 안전성을 확보해야 합니다.
• 환경 영향: 냉매와 흡수제는 환경에 미치는 영향이 적어야 합니다. 오존층 파괴 지수(ODP) 및 지구 온난화 지수(GWP)가 낮은 물질을 선택하여 환경 규제를 준수하고 친환경적인 시스템을 구축해야 합니다.
• 누설 감지 용이성: 냉매 누설 시 쉽게 감지할 수 있는 특성을 가진 냉매를 사용하는 것이 안전 관리에 유리합니다. 누설 감지 센서 등을 통해 누설을 조기에 발견하고 대응하여 사고를 예방할 수 있습니다.

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3) 냉매와 흡수제 종류에 따른 조합이 미치는 영향과 특징

냉매와 흡수제의 종류에 따라 흡수식 냉동기의 성능, 적용 분야, 특징 등이 달라집니다. 

 

(1) 물 (냉매) - 브롬화리튬 (LiBr) (흡수제) 조합:

• 특징:
• 가장 널리 사용되는 조합입니다.
• 물은 증발 잠열이 매우 커서 냉동 능력이 우수합니다.
• 브롬화리튬은 물에 대한 흡수력이 뛰어나 효율적인 작동이 가능합니다.
• 장점: 높은 성능 계수(COP), 안전성, 환경 친화적 (물은 ODP=0, GWP=0).
• 단점: 물의 어는점(0℃) 때문에 0℃ 이하의 저온 냉각에는 적용할 수 없습니다. 브롬화리튬 용액은 금속 부식성이 있어 시스템 재료 선택에 주의가 필요합니다. 또한, 브롬화리튬 용액의 결정화(결정 생성) 문제가 발생할 수 있어 운전 조건 관리가 중요합니다.
• 주요 적용 분야: 건물 냉방, 산업 공정 냉각 (주로 5℃ 이상의 냉수 공급이 필요한 경우).

(2) 암모니아 (냉매) - 물 (흡수제) 조합:

• 특징:
• 낮은 온도에서 작동이 가능하여 저온 냉동에 적합합니다.
• 암모니아는 증발 잠열이 크고 증발 온도가 낮아 저온 냉동 성능이 우수합니다.
• 물은 암모니아를 흡수하는 흡수제로 사용됩니다.
• 장점: 0℃ 이하의 저온 냉각 가능, 비교적 높은 효율 (1중 효용 기준).
• 단점: 암모니아는 독성이 있고 인화성이 있어 안전 관리가 중요합니다. 구리 및 구리 합금과 반응하여 부식을 일으키므로 시스템 재료 선택에 제한이 있습니다. 물은 암모니아에 대한 흡수력이 브롬화리튬에 비해 낮아 시스템 크기가 커질 수 있습니다.
• 주요 적용 분야: 산업용 저온 냉동, 냉동 창고, 식품 냉동, 화학 공정 냉각 등.

(3) 기타 조합:

• 유기 냉매 (예: R134a, R245fa) - 유기 흡수제 (예: DMAC, DMETEG) 조합: 최근에는 지구 온난화 문제로 인해 자연 냉매 외에 GWP가 낮은 유기 냉매와 유기 흡수제 조합에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 조합은 물-브롬화리튬 조합의 적용 온도 범위와 암모니아-물 조합의 저온 성능 사이의 영역을 목표로 하며, 다양한 산업 분야에 적용 가능성을 탐색하고 있습니다. 하지만 아직까지는 상용화가 제한적이며, 장기 안정성, 비용, 성능 등에 대한 추가 연구가 필요합니다.

각 조합은 장단점을 가지므로, 냉동 시스템의 요구 냉각 온도, 효율 목표, 안전성 요구, 환경 규제, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 최적의 냉매-흡수제 조합을 선택해야 합니다.