냉동과 냉동장치
냉동(REFRIGERATION)이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗음으로써 주위의 온도보다 낮은 온도로 떨어지게 되고, 그 저온을 유지하는 작용을 말한다. 이러한 냉동 효과가 어떤 상태에서 출발하여 최초의 상태로 되돌아오는 순환과정을 냉동사이클이라 하며, 대부분의 #냉동사이클은 주로 특정한 작동 매체(냉매)가 사이클을 순환하면서 상변화(기체↔액체)할 때 수반되는 잠열을 이용하는 방식이 많다.
냉동은 초기에 농축산물이나 수산물의 신선도 유지나 저장을 위해 주로 사용되었으나, 산업이 발전하고 생화수준이 높아짐에 따라 근래에는 쾌적한 실내 환경을 위한 공기조화용이나 산업용으로의 활용이 절대적인 비중을 차지하고 있다. 이뿐만 아니라 초저온을 이용한 특수산업용, 토목공학의 동결공법, 우주공학, 생명공학 등 다양한 산업과 분야에서 냉동의 활용이 날로 증가되고 있다.
냉동장치의 종류
| 원리 | 작용 | 개요 | 장치의 종류 |
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| 기계식 냉동 |
증기 압축식 |
압축기로 압축한 가스를 팽창시켜 증발할 때의 냉객효과를 이용함 | 용적식 | 왕복동식 |
| 스크류식 | ||||
| 스크롤식 | ||||
| 로터리식 | ||||
| 원심식 | 터보식 | |||
| 화학식 냉동 |
흡수 방식 |
낮은 압력에서냉매를 증발시켜 냉객효과를 얻고, 흡수체를 이용하여 운반 후 재생해 순환 | 흡수식 냉동 |
암모니아-물 |
| 물-리튬브로마이드 | ||||
| 흡착식 냉동 |
흡착 방식 |
저온에서 증발한 가스를 흡착제에 흡수시켜 가열에 의해 ㄱ온측으로 이동시킨 | 흡착식 냉동기 |
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| 전자식 냉동 |
펠티어식 | 서로 다른 금속체에 전류를 흘리면 접합부에서 저온이 발생하는 우너리를 이용 | 전자식 냉동기 |
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| 기타 | 압축가스 팽창식, 증기분사식, Vuileumier(VM) 사이클 열펌프, Pulse Tube 냉동기 등 | |||
냉동장치는 주로 전기나 가스와 같은 외부 에너지원과 기계적인 동력을 사용하게 되는데, 위의 표와 같이 여러가지 냉동기 종류 중 체적식 냉동기와 터보냉동기, 흡수식냉동기가 널리 사용되고 있으며, 용도나 목적에 따라 다양한 방식과 작동 매체가 적용되고 있다.
아울러 냉동장치를 부를 때 흔히 CHILER나 REFRIGERATOR라고 하며, 상온으로부터 빙점이하 까지 온도를 낮추는 기계를 냉동기라고 부른다.
증기압축 표준 냉동 사이클
증기압축 냉동 사이클은 다음과 같이 크게 증발, 압축, 응축, 팽창의 4단계 과정을 거치면서 동작하게 된다.
1. 증발과정(vaporization, A→B → C)
증발과정은 냉동장치의 증발기(실내기)에서 액냉매가 열교환기 주위에 있는 공기나 물질로부터 증발에 필요한 증발 잠열을 흡수하여 증발하는 과정을 말한다. 이에 따라서 냉매에게 열을 빼앗긴 주위의 공기나 물질은 냉각되어 저온으로 유지되며, 냉매는 주위에서 열을 빼앗아 증발하게 된다.
이때 냉매가 액체에서 기체로 증발하는 과정에서의 냉매온도와 압력은 일정하게 유지된다. 냉매로 흡수되는 열량은 냉매가 액체에서 기체로 상변화하는 과정에 기여하는 검열이기 때문인데, 이 흡수되는 잠열 열량이 많다는 것은 곧 냉동능력이 크다는 것을 의미한다.
다시 말해 증발 과정이 에어컨의 냉방능력 및 제습능력을 결정한다. 냉매의 종류별로 각 증발 온도에 대한 증발 압력은 아래와 같다.
| 증발온도 | 증발압력, kPa(절대압력 kg/㎠) | |||||
| R410a | R407c | R22 | R502 | NH3 | R134a | |
| 0℃ | 797.1 (8.1) |
514.3 (5.2) |
498.0 (5.1) |
570.8 (5.8) |
429.4 (4.4) |
292.7 (2.9) |
| -15℃ | 479.6 (4.9) |
301.1 (3.1) |
296.2 (3.0) |
347.6 (6.5) |
236.2 (2.4) |
163.9 (1.7) |
| -30℃ | 269.2 (2.7) |
163.7 (1.7) |
163.9 (1.7) |
198.2 (2.0) |
119.5 (1.2) |
84.36 (0.9) |
냉매가 기체로 모두 변하는 B점 이후부터 B-C 구간은 과열도로 표기되며, 증발기에서 증발이 끝난 냉매(B점)가 과열되어 압축기의 흡입구(suction)로 들어간다.
2. 압축 과정(compression, C → D)
압축기에 흡입된 저압의 냉매 증기를 고온고압의 증기로 압축하는 과정을 말하며, 압축변화는 등엔트로피선을 따라 응축 압력에 도달하게 된다. 증발기에서 나온 과열 증기(C점)는 압축기에 흡입되어 D점까지 압축되고 응축기로 보내진다.
냉매가스를 압축(C-D)하는 이유는 일반적인 상온의 물이나 공기에 의한 냉각으로도 냉매가 쉽게 응축될 수 있도록 하기 위하여 냉매의 온도를 높여주기 위함이다.
예를 들어, 응축기 내를 흐르는 냉매가스의 온도가 80℃ 정도라면 상온의 온도(30℃)의 물이나 공기로도 쉽게 응축될 수 있으나, 만약 응축기 입구에서의 냉매가스 온도가 30℃ 라면 이를 액체로 응축하기 위하여 이보다 훨씬 낮은 0℃ 정도의 공기로 냉각하여야만 한다.
따라서 대부분의 응축기(냉각탑이나 에어컨의 실외기)가 외부의 상온에 설치되어 운전되는 환경을 생각하면, 냉매가스를 압축기에서 압축하여 온도를 높여주어야만 전체적인 냉동시스템의 정상운전이 가능하다.
압축기에 흡입된 냉매증기는 내부에서 피스톤이나 기어, 임펠러 등 여러 종류의 장치들에 의하여 압축되는데, 이 압축 방식에 따라 스크류나 스크롤, 왕복동식, 터보 등 냉동장치의 종류(명칭)를 구별하고 있다.
압축기 내에서 기밀을 유지해 주기 위해 윤활유를 사용하는 장비의 경우에는 압축기의 톨출 냉매가스 중에 윤활유가 일부 포함되어 있을 수 있으며, 유분리기를 설치해 냉매 중의 윤활유를 분리해 주고 있다.
3. 응축 과정(condensation, D→E → F → G)
D에서 F까지의 과정은 응축기를 거치면서 냉매가 응축되는 과정인데, 냉매는 응축기 열교환기나 전열관 주위의 물이나 공기에 의해 냉각되어 기체에서 액체상태로 변화하게 된다. 압축기에서 나온 고온고압의 증기(D)는 응축기에서 냉각되어 E점부터 기체에서 액체로 응축이 되기 시작한다.
E→F 구간에서는 냉매기체와 액체가 혼합되어 있는 상태인데, 냉매 기체가 계속해서 액체로 응축되다가 F점에 다다르게 되면 100% 액냉매가 된다. F→G 구간은 액냉매로 변환 후에도 조금 더 냉각되어 과냉된 상태의 액냉매가 된다.
압축기에서 응축기로 넘어온 고온고압의 냉매가스는 상온의 냉각수나 공기의 냉각에 의하여 쉽게 액화할 수 있는 상태이며, 열교환을 통해 냉각수나 공기로 방출되는 열량은 냉매가 기체에서 액체로 상변화하면서 방출하는 응축잠열이다. 이때 응축 열량은 냉매가 증발기에서 주변의 온도를 빼앗아 흡수한 열량(A→C)과 압축기에서 압축에 의해 가해진 열(C→D)을 합친 열량이 된다.
응축 과정도 증발과정과 같이 응축기 내에서의 내앰는 증기와 액이 혼합된 상태인데, 기체에서 액체로 변화하는 동안의 응축압력과 온도 사이에서 일정한 관계가 있어 압력이 결정되면 온도가 결정되고, 역으로 온도가 결정되면 그때의 압력도 알 수 있다. 응축 과정 중의 온도와 압력의 관계는 아래와 같다.
| 응축온도 | 응축압력, kPa(절대압력 kg/㎠) | |||||
| R410a | R407c | R22 | R502 | NH3 | R134a | |
| 30℃ | 1,878 (19.1) |
1,264 (12.8) |
1,192 (12.2) |
1,322 (13.5) |
1,167 (11.9) |
770 (7.8) |
| 35℃ | 2,130 (21.7) |
1,443 (14.7) |
1,355 (13.8) |
1,497 (15.3) |
1,350 (13.8) |
886 (9.0) |
| 40℃ | 2,407 (24.5) |
1,639 (15.6) |
1,534 (15.6) |
1,687 (17.2) |
1,555 (15.9) |
1,016 (10.4) |
4. 팽창 과정(expansion, G→A)
팽창과정은 고압의 액냉매가 팽창장치(팽창밸브나 오리피스 등)를 통과하면 저압의 습포화 증기로 상태가 변화하는 과정인데, 응축기에서 응축된 액냉매가 증발기에서 쉽게 증발할 수 있도록 압력을 낮춰주기 위해 필요하다.
팽착과정(G→A)은 외부와의 열 출입이 없는 단열 팽창으로 엔탈피의 변화가 없으나 팽창과정 동안 냉매의 온도는저하하게 된다.
또한 팽창밸브나 오리피스 같은 팽창장치는 냉매의 감압 작용과 함께 증발기로 유입되는 냉매의 유량을 조절하는 역할을 하기도 한다.
- 저자
- 연규문
- 출판
- 예문사(백원열)
- 출판일
- 2014.04.10
이 글은 건축기계설비에 대한 이해와 운전관리(예문사)에서 가져왔습니다