냉동톤(RT)

왜 배우는가: 냉동톤(RT)은 흡수식 냉동기, 증기압축식 냉동기, 냉각탑, 지역냉방 설비의 냉동능력을 표시하는 기본 단위다. 설비 용량을 산정하고 제조사 카탈로그를 비교할 때 kW와 RT 사이 환산을 바로 해야 하므로 실무에서 자주 쓰인다. 시험에서는 CGS 냉동톤과 미국 냉동톤(US RT)의 정의 차이, 그리고 kW 환산값을 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 7번, 제108회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

냉동톤(RT)은 0℃의 물 1톤(1,000kg)을 24시간 동안 0℃의 얼음으로 만드는 데 필요한 열량을 시간당 열량(냉동능력)으로 환산한 단위로, 1RT는 약 3.517kW다.

핵심 키워드

• 냉동톤(RT)
• 냉동능력
• CGS 냉동톤
• 미국 냉동톤(US RT)
• 융해잠열
• Btu/h
• kcal/h
• 냉동 1RT 환산

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 냉동톤은 "얼음을 하루에 몇 톤 녹이는 능력인가"를 나타내는 냉방 능력의 단위다. 얼음이 녹으려면 주변에서 열을 빼앗아야 하므로, 얼음을 녹이는 능력은 곧 냉방 능력이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉동톤은 물의 융해잠열을 이용하여 정의한 냉동능력의 실용 단위다. 이 단위는 시간 단위(24시간)에 얼음 질량을 곱한 값을 다시 시간당 열량으로 바꾼 것이다. 즉 냉동톤은 질량 단위가 아니라 열량을 시간으로 나눈 열유량이다.

CGS 냉동톤(미터계, 냉동 1톤)은 0℃ 물 1톤(1,000kg)을 24시간 동안 0℃ 얼음으로 바꾸는 데 필요한 열량이다. 얼음의 융해잠열은 약 80kcal/kg이므로 1,000kg 기준으로 80,000kcal를 24시간에 걸쳐 제거하는 능력이다. 시간당으로 환산하면 24시간으로 나눈 열 제거율이 된다.

US RT(미국 냉동톤)은 짧은 톤(short ton, 2,000lb)의 물을 32°F에서 얼리는 데 24시간 걸리는 열 제거율이다. 얼음의 융해잠열 144Btu/lb를 사용하면 2,000 × 144 = 288,000Btu를 24시간에 제거하는 것이며, 시간당으로는 12,000Btu/h가 된다. 현재 ASHRAE 계열에서는 1US RT를 정확히 12,000Btu/h로 정의한다.

핵심 용어 풀이

• 융해잠열: 같은 온도에서 고체가 액체로 바뀔 때 흡수하는 열량이다. 얼음은 약 80kcal/kg, 약 334kJ/kg이다.
• 열유량: 단위 시간당 이동하는 열량이며 W, kW, kcal/h, Btu/h로 표시한다.
• 짧은 톤(short ton): 미국 관행의 2,000lb(약 907kg) 단위다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동톤은 19세기 말 대형 얼음 블록을 이용한 냉방 시절에 생긴 실용 단위다. 큰 얼음 덩어리를 하루에 얼마나 녹일 수 있는지가 냉방 능력의 척도였다. 이 때문에 단위 이름에 얼음을 만든다는 뜻이 남아 있다.

기계식 냉동기가 보급되면서 얼음 대신 냉매의 증발 능력으로 냉방 능력을 나타내게 되었다. 이때 얼음 기준 정의를 그대로 유지하면 기계 능력과 옛 얼음 생산량을 연결하는 편리함이 남는다. 그래서 1RT라는 실용 단위가 계속 쓰였다. 다만 RT 이름 때문에 얼음 무게로 오해하기 쉬워서 정의를 열량 속도로 명확히 하는 것이 중요하다.

단위가 여러 개인 점도 필요성을 높였다. 미터계는 kcal/h, 미국계는 Btu/h를 쓰므로 설비 사양을 비교하려면 환산 기준이 필요하다. 1RT = 3.517kW = 12,000Btu/h(US 기준)의 관계와 CGS 기준 kcal/h 환산을 알아야 제조사와 설계자가 같은 용량으로 말할 수 있다. 국제 단위인 kW로 바꾸면 전력·열 부하 계산과 연결하기 쉽다.

오늘날 설비 설계에서는 냉동톤을 여전히 쓰지만, 공식 계산에는 kW를 쓰는 것이 일반적이다. 용량 표기를 해석하는 능력이 실무와 시험에서 모두 요구된다.

4. 구성요소·원리·절차

냉동톤은 열량의 단위가 아니라 열 제거 속도(열 흐름률)를 나타내는 단위다. 따라서 냉동기 한 대가 단위시간에 증발기에서 흡수할 수 있는 열량을 냉동톤으로 표시한다. 이 개념을 구성요소와 열 흐름 과정으로 나누어 보면 계산 근거가 분명해진다.

냉동톤의 정의 근거는 물의 융해잠열이다. 0℃ 얼음 1톤(CGS 단위 1000kg 기준, 미국 단위 2000lb 기준)을 24시간 동안 녹이는 데 필요한 열 흐름률을 1냉동톤으로 본다. 따라서 열량 Q는 얼음의 질량 m과 융해잠열 r의 곱으로 구한다.

$Q = m \times r$

• Q: 열량(kJ 또는 kcal), m: 얼음 질량(kg), r: 얼음의 융해잠열(kcal/kg 또는 kJ/kg)

여기에 시간 t(24h)를 나누면 냉동능력이 된다.

$Q_{RT} = \frac{m \times r}{t}$

• Q_{RT}: 냉동능력(kcal/h 또는 kW), t: 시간(h)

냉동기 구성요소와 열 흐름은 다음과 같다. 증발기에서 냉매가 피냉각 매체의 열을 흡수한다. 흡수한 열의 양이 냉동능력이 된다. 압축기는 저압 증기를 고압으로 올리고, 응축기는 냉매의 열을 외부(냉각수 또는 외기)로 버린다. 팽창밸브는 고압 액을 저압으로 낮춘다.

표의 열 방출량 관계는 Q_c = Q_e + W 이다. Q_c는 응축기 방열량, Q_e는 증발기 흡열량(냉동능력), W는 압축기 입력이다. 두 기기의 열량 차이가 압축기 일이다.

절차는 다음 순서로 정리한다.

• 냉매가 증발기에서 저온·저압으로 열을 흡수하여 증발한다.
• 압축기가 증기를 고온·고압으로 압축한다.
• 응축기에서 외부로 열을 방출하여 액화한다.
• 팽창밸브에서 압력을 낮추어 다시 증발기로 보낸다.

단위 환산의 기준은 다음 흐름도로 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉동톤의 기준은 법령이 아니라 계량 단위의 정의다. 미국 냉동톤(US RT)과 CGS 냉동톤은 얼음의 질량이 다르므로 값이 다르다. 두 단위의 정의와 kW 환산값은 아래 표와 같다.

미국 냉동톤은 얼음 2000lb의 융해열 2000×144 Btu(융해잠열 약 144 Btu/lb)를 24시간으로 나눈 값이다. 그 결과 12,000 Btu/h이며, 1 Btu/h는 0.2931W이므로 12{,}000 \times 0.2931 = 3{,}517\text{W}, 즉 약 3.517kW다.

CGS 냉동톤은 얼음 1000kg의 융해잠열 약 334kJ/kg을 24시간으로 나눈다. 계산식은 \dfrac{1000 \times 334}{24} = 13{,}917\text{kJ/h}이고, 1kW는 3600kJ/h이므로 \dfrac{13{,}917}{3{,}600}으로 kW 값을 구한다.

따라서 CGS 냉동톤의 kW 값은 사용한 기준 열량과 단위를 함께 밝혀 쓴다. 일부 교재는 CGS 냉동톤을 kcal/h 단위로만 적으므로 기준 값과 단위를 답안에 함께 밝힌다.

개정 연혁은 다음과 같다. 냉동톤은 계량법상 법정 단위가 아니므로 법령 개정은 없다. 국제적으로는 SI 단위인 kW로 환산해 쓰는 것이 기준이다.

6. 유형과 비교

냉동톤은 기준 조건과 단위계에 따라 여러 가지로 쓰인다. 같은 '톤'이라도 미국 단위(US RT)와 미터 단위(CGS 냉동톤)는 열량 환산값이 다르므로 답안에서 반드시 구분해야 한다. 아래 표는 그 차이를 한눈에 정리한다.