흡수 냉동기

3. 원리

일반적인 흡수 냉동기는 끓는점이 매우 낮은(--18°C 미만) 냉매를 사용하며, 이는 압축 냉동기와 유사하다. 압축 냉동기는 HCFC 또는 HFC를 사용하는 반면, 흡수 냉동기는 암모니아 또는 물을 냉매로 사용하고, 냉매를 흡수할 수 있는 ''흡수제''를 사용한다. 암모니아 냉매에는 물, 물 냉매에는 염수가 흡수제로 사용된다. 두 유형 모두 증발 냉각을 사용하는데, 냉매가 증발(끓음)할 때 열을 빼앗아 냉각 효과를 제공한다. 흡수 냉동기와 압축 냉동기의 주요 차이점은 냉매를 기체에서 액체로 다시 변화시켜 사이클을 반복하는 방식이다. 흡수 냉동기는 열만 필요하고 유체를 제외하고는 움직이는 부품이 없는 방식으로 기체를 액체로 되돌린다.

흡수 냉각 사이클은 증발, 흡수, 재생의 세 단계로 작동한다.

압축기 기반 열 펌프는 증발기에서 응축기로 냉매 기체를 펌핑하여 작동한다. 증발기의 압력과 끓는 온도는 감소하고 응축기의 압력과 응축 온도는 증가한다. 압축기 펌프 작동에는 전기 모터 또는 내연 기관의 에너지가 필요하다. 냉매를 압축하는 과정은 이 에너지를 사용하여 기체에 일을 가해 온도를 높인다. 따뜻하고 고압의 기체는 응축기에서 액체로 상변화를 겪으며 주변 환경으로 열을 방출한다. 따뜻한 액체 냉매는 팽창 밸브(스로틀 밸브 또는 줄-톰슨 밸브)를 통해 고압 응축기에서 저압 증발기로 이동한다. 팽창 밸브는 냉매를 부분적으로 기화시켜 증발 냉각을 통해 냉각시키고, 생성된 증기는 팽창 냉각을 통해 냉각된다. (줄-톰슨 냉각과 팽창하는 기체의 일이 결합되어 기체의 내부 에너지를 소모한다.) 차갑고 저압의 액체 냉매는 증발기 주변 환경에서 열을 흡수하여 기화된다. 기체는 압축기로 들어가 사이클을 다시 시작한다.

수-취화리튬 흡수식 냉동기는 물을 냉매로, 옥틸알코올 등의 전열 촉진제와 크롬산 등의 방청제를 첨가한 취화리튬을 흡수액으로 사용한다.

3. 1. 증발

3. 2. 흡수

액체 냉매는 낮은 부분 압력 환경에서 증발하여 주변(예: 냉장고의 격실)에서 열을 빼앗는다. 부분 압력이 낮기 때문에 증발에 필요한 온도 또한 낮다. 고갈된 상태의 두 번째 유체는 기체 상태의 냉매를 흡수하여 낮은 부분 압력을 제공한다. 이 과정에서 냉매가 포화된 액체가 생성되고, 이 액체는 다음 단계인 재생 단계로 이동한다.

3. 3. 재생

'''재생''' 단계에서는 냉매 포화 액체를 가열하여 냉매가 증발하도록 한다.

따라서 이 시스템은 일반적인 펌프 없이 액체의 기계적 순환을 조용히 제공한다.

응축이 발생할 때 압력 문제를 피하기 위해 일반적으로 세 번째 유체인 기체가 추가된다.

3. 4. 단일 압력 흡수식 냉동

암모니아, 수소, 물을 사용하는 단일 압력 흡수식 냉동기는 액체의 증발 속도가 액체 위 증기 ''부분'' 압력에 따라 달라진다는 원리를 이용한다. 즉, 부분 압력이 낮을수록 증발 속도가 빨라진다. 전체 시스템 압력은 동일하게 유지되지만, 냉장고 내부에서 열을 흡수하는 부분에서는 냉매의 부분 압력을 낮게 유지하여 증발 속도를 높이고, 외부로 열을 배출하는 부분에서는 냉매의 부분 압력을 높게 유지하여 증발 속도를 낮춘다.

냉각 사이클은 다음과 같이 작동한다.

# 액체 암모니아가 실온에서 증발기로 유입된다. 증발기 내부는 기체 암모니아와 수소 혼합물로 채워져 있어, 수소는 암모니아 가스의 부분 압력을 낮춘다. 이를 통해 액체 암모니아의 증발점이 냉장고 내부 온도보다 낮아진다.

# 암모니아가 증발하면서 액체의 열을 흡수하여 온도를 낮춘다. 이때, 더 많은 열이 냉장고 내부에서 액체 암모니아로 흘러 들어가 더 많은 암모니아 가스를 생성한다.

# 암모니아(가스)와 수소(가스) 혼합물은 흡수기로 이동한다. 여기서 기체 혼합물은 물(정확히는 묽은 암모니아 수용액)과 접촉한다. 기체 암모니아는 물에 용해되고, 수소는 흡수기 상단에 모인다.

# 다음 단계는 암모니아와 물을 분리하는 것이다. 암모니아/물 용액은 발생기(보일러)로 이동하여 가열되고, 암모니아가 끓어올라 물과 분리된다.

# 순수한 암모니아 가스는 응축기로 들어간다. 이 열 교환기에서 뜨거운 암모니아 가스는 열을 외부 공기로 전달하고, 응축되어 액체 암모니아가 된다.

# 응축된 액체 암모니아는 흡수 단계에서 방출된 수소 가스와 혼합되어 증발기로 다시 유입, 사이클을 반복한다.

이 시스템은 일반적으로 으로 가압되며, 이 압력에서 암모니아의 이슬점은 약 이다.

4. 종류 및 구성

흡수식 냉동기는 크게 물-브롬화 리튬 방식과 암모니아-물 방식으로 나뉜다.

물-브롬화 리튬 흡수식 냉동기는 브롬화 리튬 수용액을 사용하며, 대형 상업용 설비에 주로 쓰인다. 1930년대 소형 직화식 냉온풍기가 개발되었고, 1945년 미국 캐리어가 대형 냉수 제조기를 출시하면서 널리 보급되었다. 일본에서는 1958년에 도입되어 전력 수요 평준화에 기여했다. 물-브롬화 리튬 흡수식 냉동기는 물을 냉매로, 브롬화 리튬을 흡수액으로 사용하며, 옥틸알코올(전열 촉진제)과 크롬산 리튬(방청제) 등을 첨가한다.

암모니아-물 흡수식 냉동기는 19세기 후반부터 실용화되었으나, 20세기 증기 압축 냉동기의 발달로 널리 사용되지 않았다. 1990년대 이후 프레온 규제로 다시 개발 및 설치가 활발해졌다. 일본에서는 1966년 국산화되었지만, 엄격한 규제로 산업용 냉동 공정 등에 제한적으로 사용되었다.^[1]

4. 1. 물-브롬화 리튬 흡수식 냉동기

5. 주요 냉동 사이클

브롬화 리튬 또는 염화 리튬 염과 물의 용액을 사용하는 방식과 암모니아 흡수 냉동기 방식이 주로 사용된다.^[1]

물-브롬화 리튬 방식은 1930년대부터 소형 직화식 냉온풍기가 개발되었으며, 1945년에 미국의 캐리어가 대형 냉수 제조기를 시장에 투입하였다. 일본에서는 1958년(쇼와 33년)에 처음 도입되었다.^[1]

암모니아-물 방식은 19세기 후반부터 실용화되었으며, 일본에서는 1966년에 국산화되었다.^[1]

주요 냉동 사이클은 다음과 같다.^[1]

• 물-브롬화 리튬
• * 단효용 흡수 냉동 사이클
• * 이중 효용 흡수 냉동 사이클
• * 삼중 효용 흡수 냉동 사이클
• * 제2종 흡수 히트 펌프 사이클

• 암모니아-물
• * 암모니아 흡수 냉동기

6. 한국에서의 흡수식 냉동기

1958년 (쇼와 33년)에 일본에서 물 - 브롬화 리튬 방식 흡수식 냉동기가 처음 도입되었으며, 이후 전력 수요 평준화를 목적으로 활발히 도입되고 있다.^[1] 1966년에는 암모니아 흡수 냉동기가 일본에서 국산화되었지만, 규제가 엄격하여 극소수만 사용되었다.^[1] 이후 규제 완화로 산업용 냉동 공정에 도입이 이루어졌다.^[1]

참조

_[1] 논문 Refrigerating engineering Royal Institute of Technology 2005
_[2] 웹사이트 ᐅ Mobile Refrigeration - Refrigerators and Cooling Units https://www.dometic.[...]
_[3] 특허 Refrigeration https://patents.goog[...] 1930-11-11
_[4] 웹사이트 Adam Grosser and his sustainable fridge http://www.ted.com/t[...] TED 2007-02-00
_[5] 서적 Textbook Of Refrigeration And Air-Conditioning PHI learning 2009-02-11