증기 압축 냉동

3. 작동 원리

증기 압축 방식은 순환하는 액체 냉매를 사용하여 냉각할 공간에서 열을 흡수하고 제거한 다음 다른 곳으로 열을 배출하는 방식이다.

3. 1. 구성 요소

3. 2. 열역학적 분석

• 1-2 지점: 순환 냉매는 저온, 저압의 포화 증기 상태(1 지점)로 압축기에 유입된다. 이후 등엔트로피적으로 압축되어(엔트로피가 일정한 상태) 고온, 고압의 증기(2 지점)로 압축기에서 배출된다.

• 2-3 지점: 증기는 응축기의 일부를 통과하며 냉각되어 열을 제거한다.

• 3-4 지점: 증기는 응축기의 나머지 부분을 통과하며 고온, 고압의 과냉각 액체로 응축된다. 과냉각은 액체의 최대 포화 온도 이하로 현열이 제거된 상태를 의미한다. 응축 과정은 등압 과정(일정한 압력)에서 일어난다.

• 4-5 지점: 과냉각 액체 냉매는 팽창 밸브를 통과하면서 압력이 급격히 감소한다. 이 과정에서 액체의 일부가 단열 플래시 증발 및 자동 냉각을 일으킨다(일반적으로 액체의 절반 미만이 증발). 단열 플래시 증발 과정은 등엔탈피적(일정한 엔탈피)으로 진행된다.

• 5-1 지점: 차갑고 부분적으로 기화된 냉매는 증발기 내의 코일 또는 튜브를 통과한다. 이때 팬이 증발기 코일 또는 튜브를 통해 따뜻한 공기(냉장되는 공간에서)를 순환시키면서 냉매가 완전히 기화된다. 증발 과정은 등온 과정(일정한 온도)에서 발생한다. 증발이 완료된 후 증기의 온도가 상승하기 시작하는데, 증기의 포화점(끓는점) 이상으로 증기에 추가된 현열을 과열이라고 한다.

4. 냉매

작동 유체의 선택은 냉동 사이클의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에, 특정 작업에 가장 알맞은 기계를 설계하거나 선택할 때 매우 중요하다. 가장 널리 사용되는 냉매 중 하나는 프레온이다. 프레온은 듀폰 등 여러 회사에서 제조한 할로알칸 냉매의 상품명이다. 이러한 냉매는 우수한 안정성과 안전성 때문에 널리 사용되었다. 상온 및 대기압에서 불에 타지 않았고, 이산화황과 같이 이전에 사용되던 유체만큼 독성이 없었다.

하지만 염소와 불소를 함유한 냉매는 누출되면 상층 대기까지 도달한다. 성층권에서 CFC 및 HCFC와 같은 물질은 자외선 복사로 인해 분해되어 염소 자유 라디칼을 방출한다. 이러한 염소 자유 라디칼은 연쇄 반응을 통해 오존 분해의 촉매 역할을 한다. 하나의 CFC 분자는 수천 개의 오존 분자를 분해할 수 있다. 이것은 태양의 강한 자외선으로부터 지구 표면을 보호하는 오존층에 심각한 손상을 일으키며, 피부암 발생률 증가로 이어진다.

최근에는 초임계 유체인 이산화 탄소(R-744)와 같이 더 친환경적인 냉매가 연구되고 있다.^[3] 이러한 냉매는 기존의 CFC 및 HFC 기반 화합물과 유사한 효율을 가지면서도 지구 온난화 지수가 훨씬 낮다. 산업계와 정부는 지구 온난화 지수가 낮은 냉매를 사용하도록 장려하고 있다. 산업 환경에서는 필요한 온도와 압력에 따라 암모니아, 에틸렌, 프로판, 아이소부탄 및 기타 탄화수소와 같은 가스가 일반적으로 사용된다. 그러나 이러한 가스 중 다수는 가연성, 폭발성 또는 독성이 있어 사용에 제한이 있다.

4. 1. 프레온 계열 냉매

4. 2. 대체 냉매

5. 압축기 종류

냉동에 사용되는 가장 일반적인 압축기는 왕복동 압축기, 스크롤 압축기이다. 대형 냉각기 또는 산업용 사이클에는 로터리 스크류 압축기 또는 원심 압축기가 사용될 수 있다. 각 응용 분야는 크기, 소음, 효율성 및 압력 문제로 인해 특정 압축기를 선호한다.

압축기는 압축되는 냉매와 관련하여 압축기 및/또는 모터의 위치에 따라 개방형, 밀폐형, 반밀폐형으로 구분된다. 모터/압축기 유형에 따른 구성은 다음과 같다.

• 밀폐형 모터, 밀폐형 압축기
• 밀폐형 모터, 반밀폐형 압축기
• 개방형 모터(벨트 구동 또는 밀착 결합), 밀폐형 압축기
• 개방형 모터(벨트 구동 또는 밀착 결합), 반밀폐형 압축기

5. 1. 왕복동 압축기

5. 2. 스크롤 압축기

5. 3. 로터리 스크류 압축기

5. 4. 원심 압축기

5. 5. 기타 압축기

6. 압축기 윤활

압축기의 움직이는 부품을 윤활하기 위해 설치 또는 시운전 시 냉매에 오일을 첨가한다. 오일의 종류는 광물성 또는 합성 오일일 수 있으며, 압축기 유형에 적합하고 냉매 유형 및 시스템의 다른 구성 요소와 반응하지 않도록 선택된다.^[1] 소형 냉동 시스템에서는 오일이 전체 회로를 순환하도록 허용되지만, 오일이 중력에 의해 압축기로 다시 배수될 수 있도록 배관 및 부품을 설계해야 한다.^[1] 특히 소매 냉동과 같은 대규모 분산 시스템에서는 일반적으로 압축기 바로 뒤의 오일 분리 장치에서 오일을 포집하며, 오일 레벨 관리 시스템을 통해 압축기로 다시 전달된다.^[1] 오일 분리 장치는 100% 효율적이지 않으므로, 시스템 배관은 오일이 중력에 의해 오일 분리 장치 또는 압축기로 다시 배수될 수 있도록 설계되어야 한다.^[1]

일부 최신 압축기 기술은 자기 베어링 또는 공기 베어링을 사용하며 윤활이 필요 없다.^[1] 예를 들어 댄포스 터보코(Danfoss Turbocor) 원심 압축기 제품군이 있다.^[1] 이러한 기술은 오일 윤활의 필요성을 없애고 관련 설계 요구 사항 및 부속 장치를 줄여 냉매 시스템 설계를 단순화한다. 또한 증발기 및 응축기의 열 전달 계수를 증가시키며, 냉매가 오일로 오염될 위험을 제거하고, 유지 보수 요구 사항을 줄일 수 있다.^[1]

7. 제어

단순 상업용 냉동 시스템에서 압축기는 일반적으로 단순한 압력 스위치로 제어되며, 팽창은 모세관 튜브 또는 자동 팽창 밸브로 수행된다.^[1] 더 복잡한 시스템(다중 압축기 설치를 포함한)에서는 전자 제어가 일반적이며, 압축기가 작동 및 중지되는 압력을 제어하기 위한 조정 가능한 설정값과 전자 팽창 밸브를 사용하여 온도를 제어한다.^[1]

작동 제어 외에도 압축기 및 시스템의 다른 구성 요소가 안전 매개변수 밖에서 작동하는 것을 방지하기 위해 별도의 고압 및 저압 스위치가 일반적으로 사용된다.^[1]

더 발전된 전자 제어 시스템에서는 부동 헤드 압력 및 사전 예방적 흡입 압력 제어 루틴을 사용하여 압축기 작동을 다양한 냉각 요구에 정확하게 맞추고 에너지 소비를 줄일 수 있다.^[1]

8. 종류

냉매 활용 방식에 따라 증기 압축 냉동 시스템은 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 직접 팽창식: 냉매를 이용 장소에서 직접 팽창시켜 열을 빼앗는다.^[1]
• 냉수기(칠러): 냉수를 제조하여 열 이용 장소로 운반해 사용한다.^[1]
• 브라인 칠러: 부동액을 사용하여 0℃ 이하의 냉열을 이송하여 사용한다.^[1]

8. 1. 직접 팽창식

8. 2. 냉수기 (칠러)

8. 3. 브라인 칠러

9. 응용 분야

증기 압축 냉동 기술은 냉장고, 에어컨 등 다양한 분야에 널리 사용된다.

9. 1. 주요 응용 분야

10. 경제성 분석

증기 압축 냉동 방식은 기술적으로 성숙하고 가격이 저렴하며, 다양한 에너지원으로 구동 가능하다는 장점이 있지만, 환경 문제를 일으키는 냉매 사용과 관련된 단점도 존재한다.

'''장점'''

• 매우 성숙된 기술이다.
• 비교적 저렴하다.
• 기계적 에너지(물, 자동차 또는 트럭 모터) 또는 전기 에너지를 사용하여 직접 구동할 수 있다.
• 카르노 이론적 한계의 최대 60%까지 효율적일 수 있다.

• 많은 시스템에서 오존층 파괴를 유발하는 HCFC 냉매를 사용한다. 몬트리올 의정서에 따라 HCFC는 단계적으로 폐지되고 있으며, HFC로 대체되고 있지만, HFC는 지구 온난화 지수가 매우 높다.
• 탄화수소(부탄 등)나 CO₂와 같은 대체 냉매가 사용되기도 한다. 코카콜라는 2006년 FIFA 월드컵에서 CO₂ 냉동 방식을 사용했다.^[11]
• 암모니아(NH₃)는 성능이 우수하고 오염 문제가 거의 없지만, 유독성이 있고 구리 튜브와 호환되지 않는다.^[12]

10. 1. 장점

• 매우 성숙된 기술이다.
• 비교적 저렴하다.
• 기계적 에너지(물, 자동차 또는 트럭 모터) 또는 전기 에너지를 사용하여 직접 구동할 수 있다.
• 카르노 이론적 한계의 최대 60%까지 효율적이다(ASHRAE 테스트 조건: 증발 온도 -23.3°C, 응축 온도 54.4°C, 주변 온도 32°C). 이는 Danfoss, 마쓰시타, https://climate.emerson.com/en-us/brands/copeland Copeland, Embraco, http://www.bristolcompressors.com/ Bristol, 테컴세 와 같은 제조사에서 생산된 최고의 상용 압축기를 기반으로 한다. 그러나 많은 냉동 시스템은 40%에서 55% 사이의 낮은 효율을 가진 압축기를 사용하는데, 이는 60% 효율의 압축기가 낮은 효율의 압축기보다 거의 두 배의 비용이 들기 때문이다.

10. 2. 단점

11. 특징 (일본어 위키 내용)

흡수식 냉동기와 비교했을 때 증기 압축 냉동 방식은 다음과 같은 특징을 가진다.^[1]

'''장점'''

증기 압축 냉동기는 흡수식 냉동기에 비해 소형화, 경량화, 고효율화가 가능하며 유지보수가 용이하다.

'''단점'''

증기 압축 냉동기는 흡수식 냉동기에 비해 소음이 크고 전력 소비가 많으며, 고압 가스 사용에 따른 안전 문제와 냉매 누출 및 환경 규제에 따른 제약이 있을 수 있다.

11. 1. 장점

• 제조가 가능한 크기가 더 작다.
• 용량당 질량, 체적이 작고 가격이 저렴하다.
• 성적계수가 좋고, 응축기에서의 방열량이 적다.
• 냉동 사이클의 최고 온도가 낮기 때문에 점검 주기를 길게 해도 지장이 적다.^[1]

11. 2. 단점

• 소음이 약간 크다.^[1]
• 전동기를 이용할 경우, 최대 수요 전력 증가의 요인이 된다.^[1]
• 냉동 사이클에서 고압 가스가 만들어지므로, 운전 및 유지 관리에 보안상 주의가 필요하다. 자격증 소지자(냉동기계책임자)를 선임해야 할 경우도 있다.^[1]
• 기계 구조상, 배선 연결 등 완전 밀폐가 불가능하므로, 고압의 냉매가 미량씩 누설된다. 계통 내 압력이 규정치를 밑돌면 팽창 밸브·증발기보다 앞에서 흡열 반응을 일으켜 기능을 상실한다.^[1]
• 냉매로 프레온 가스를 사용하는 경우, 환경 규제로 인해 재충전이 불가능한 경우가 있어 실질적으로 기기의 수명이 된다.^[1]

참조

_[1] 서적 An Introduction to Thermodynamics https://universities[...] Universities Press
_[2] 문서 Saturated vapors and saturated liquids are vapors and liquids at their saturation temperature and saturation pressure. A superheated vapor is at a temperature higher than the saturation temperature corresponding to its pressure.
_[3] 웹사이트 r744.com – Everything R744 http://www.r744.com/[...] The Natural Refrigerant R744 (CO)₂ 2006-2012
_[4] 문서 Fundamentals of Centrifugal Chillers https://tc0802.ashra[...] Johnson Controls
_[5] 문서 Chilled Water Plant Design Guide https://www.taylor-e[...] Taylor Engineering
_[6] 웹사이트 Chiller Surge https://theengineeri[...]
_[7] 웹사이트 Centrifugal Chiller - Fundamentals https://energy-model[...] McQuay
_[8] 웹사이트 The Different Types of Cooling Compressors https://download.sch[...] 2024-01-13
_[9] 웹사이트 Vapor-compression refrigeration cycles https://www.engr.siu[...] Southern Illinois University Carbondale 1998-11-30
_[10] 논문 High-end server low-temperature cooling https://ieeexplore.i[...]
_[11] 간행물 2006 Environmental Performance http://www.thecoca-c[...] the Coca-Cola Company
_[12] 웹사이트 Ammonia Refrigeration – Properties of Ammonia https://www.osha.gov[...] osha.gov 2011
_[13] 서적 Encyclopedia of 20th-Century Technology, Volume 2 https://books.google[...] Taylor& Francis 2005
_[14] 서적 Modern Engineering Thermodynamic https://books.google[...] Academic Press 2011
_[15] 서적 A History of Mechanical Engineering The MIT Press
_[16] 웹사이트 Patent Images https://pdfpiw.uspto[...]
_[17] 웹사이트 What's on https://museumsvicto[...] 2023-09-16