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시설관리/설비 운영

흡수식 냉동기의 원리와 효율적인 운영방안(1)

건물에서 여름철 냉방기기로 사용되는 흡수식 냉동기의 원리 와 흡수액의 성질을 알아보고, 흡수식 냉동기의 종류와 구성도, 냉동사이클, 효율계산식등 냉동기의 효율적인 운전방안과 그에 따른 절감액 산출방식을 알아 보도록 하겠습니다.



1. 흡수식 냉동기의 원리

여름철 마당에 물을 뿌리면 시원한 것은 왜 일까요?



그 물이 증발하여 주위로부터 열을 빼앗기 때문입니다. 어떤 물질이 기화할 때 외부로부터 흡수하는 열량을 ‘증발잠열’이라고 하는데, 마당에 물을 뿌리면 주변에서 많은 열을 빼앗으며 증발하기 때문에 주위 온도를 낮추는 것이죠. 이런 현상은 흡수식 냉동기에 역시 응용되는데요, 물(H2O)을 흡수제로 리듐브로마이드(LiBr) 수용액을 사용해 냉수를 발생시키게 됩니다.

물 1kg(1ℓ)을 0℃로부터 100℃까지 올리는 데는 100kcal의 열량이 필요합니다. 이것은 온도계로서 측정할 수 있는 것으로서 '감열'이라고 합니다. 그리고 100℃의 물 1kg(1ℓ)을 모두 증발시키려면 약 540kcal의 열량이 필요합니다. 이 물은 온도가 변하지 않은 상태에서 액체가 기체로 변화하는 열로서 '잠열' 이라고 합니다. 이와 같이 1kg(1ℓ)의 물을 사용해서 '잠열'을 이용하면 '감열'을 이용하는 경우에 비교해서 훨씬 큰 열량을 이동시킬 수 있다는 것을 알 수 있습니다.



그런데 물은 일반적으로 100℃에서 증발하지만 주위에 압력이 낮아지면 훨씬 낮은 온도에서 비등 증발하게 됩니다.(예를 들어 백두산 정상에서 물은 약 90℃에서 비등 증발합니다.) 그러면 용기 안에 물을 넣고 그 안의 기압을 6.5mmHg(평상시 대기압 760mmHg기준)로 낮추면 물은 5℃에서 비등 증발하기 때문에 이곳에 냉수를 통과시키면 냉각시킬 수 있습니다. 그러나 증발한 물(냉매)증기로서 용기의 압력이 점차 상승하게 되므로 증발한 물(냉매)를 용기 밖으로 제거해야 합니다. 이것을 계속하기 위해서 흡수력이 강한 물질(LiBr)을 용기에 넣으면 냉매증기를 계속 흡수하게 되고, 용기 안의 압력을 일정하게 유지 할 수 있는 원리 입니다.

2. 흡수액의 성질


흡수식 냉동기의 흡수액으로는 리듐브로마이드(LiBr) 수용액을 사용하고 있습니다. 리듐브로마이드(LiBr)는 알카리 금속인 리듐(Li) 과 브롬(Br)과의 혼합물로 식염(NaCl)과 상당히 유사한 성질로 흡수성이 강하고, 화학적으로 극히 안정된 물질로서 대기중에서 변질, 분해, 휘발 등의 변화가 전혀 없는 안정된 물질입니다. 그러나 어려운 점이라면 산소와 혼재시 금속에 대한 강한 부식성을 가지는 것이 특징입니다.

1) 흡수성

냉동발생의 원리에서 서술한 바와 같이 극히 강한 흡수성을 나타냅니다. 즉 포화수증기압이 상당이 낮은 것으로 물을 냉매로 하는 흡수식 냉동기의 흡수액으로 우수한 물질입니다.

2) 비 열

흡수식냉동기에 사용되고 있는 농도(60%)의 리듐브로마이드의 비열에 비교해서 약 절반 정도로 액의 온도를 올리는데 있어서 보다 적은 열량이 필요하다는 것이고 곧 냉동기의 효율을 높이기 위한 중요한 사항입니다.

3) 비 중

리듐브로마이드의 비중(약농도60%)은 물의 비중에 비교해서 상당히 큰(약1.7배)것이지만 이 비중은 약농도에 결정되기 때문에 흡수액의 온도와 비중을 측정함에 의해 정확한 농도를 알 수 있습니다.

4) 부식성

리듐브로마이드는 산소와 혼재시 금속에 대한 강한 부식성을 지니지만, 흡수식냉동기는 진공용기 상태로 용기내에 산소가 혼재할 여기가 없으므로 안전하다 그러나 보다 안전을 기하기 위해서 흡수액중에 부식억제제를 첨가하고, 알카리도까지 조정되어 있기 때문에 흡수액의 취급에는 충분한 주의가 필요하며 동시에 정기적으로 흡수액의 화학분석을 하고 양을 적절하게 유지하는 것이 필요합니다.

5) 첨가제

부식억제제(Li2Cro4) 농도는 400~1500ppm을 유지하는 것이 좋으며 년 1~2회 정도 측정하여 적정량을 보충하고, 냉매의 증발성을 양호하게 유지하기 위하여 옥틸알코올을 년1회 5,000cc 보충합니다.

3. 흡수식 냉동기의 종류

1) 단효용 흡수식 냉동기

냉매와 흡수재의 유리작용을 이용한 방식으로 증발->흡수->재생->응축->증발의 연속적인 Cycle을 구성하여 냉동하는 방법이므로 재생기가 1개 구성된 경우의 성적계수는 약 0.5~0.7이하 정도의 수준으로 매우 낮은 편입니다.

2) 2중 효용 흡수식 냉동기

단효용 흡수식 냉동기에 비해 재생기가 1개 더 있는(고온 재생기, 저온재생기) 구조로 응축기에서 버려지는 열을 재활용함으로써(저온재생기에 이용) 효율적으로 사용한 구조로 성적계수는 약 1.1~1.2 정도입니다. 열원으로는 증기 또는 고온수가 주로 이용됩니다.

3) 3중 효용 흡수식 냉동기

재생기가 2중 효용 흡수식 냉동기 대비 1개 더 있어 응축기에서 버려지는 열을 2번 재활용한 방식으로 고효율의 제품을 생산하기 위하여 기술개발이 진행 중입니다.


김정진 | 한화63시티 63운영팀 과장
안녕하세요. 63운영팀에서 공조설비분야 업무를 담당하고 있는 김정진 과장입니다. 블로그를 통해 건물 공조분야의 에너지 절감 방법과 기술사 자격증에 관련된 전문적인 내용을 알려드리려고 합니다.