흡수식 냉온수기 시운전

왜 배우는가: 흡수식 냉온수기는 가스·폐열 같은 저급 열원으로 냉수와 온수를 함께 만드는 설비라서, 시운전 단계에서 진공 누설, 용액 농도, 연소, 냉각수 조건을 잘못 맞추면 성능이 크게 떨어지거나 고장으로 이어진다. 시운전 절차와 주의사항은 설비 인수 판정과 초기 고장 예방을 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제123회 4교시 4번, 제117회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흡수식 냉온수기 시운전은 LiBr 수용액의 흡수·재생 작용을 이용하는 냉온수기를 설치 후 진공 상태, 용액 농도, 연소, 냉각수·냉수 유량을 순서대로 점검하여 설계 성능을 확인하는 초기 가동 절차이다.

핵심 키워드: 흡수식 냉온수기, 시운전, 진공도, LiBr 수용액, 고온재생기, 결정 방지, 냉각수 온도, 성능 확인

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흡수식 냉온수기는 물을 냉매로 쓰고 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이 수증기를 빨아들이는 원리로 차가운 물을 만드는 기기다. 시운전은 이 원리가 실제 설치 현장에서 제대로 돌아가는지 처음 확인하는 과정이다.

정식 정의는 다음과 같다. 흡수식 냉온수기는 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기, 응축기로 이루어진 순환 계통에서 고온의 열원(연료 연소열 또는 증기)으로 용액을 재생하고, 냉매증기의 응축열을 이용해 온수를 얻는 기기다. 시운전은 이 계통 전체를 정격 조건에 가깝게 가동하여 냉수 출구 온도, 온수 출구 온도, 진공도, 연료 소비량이 설계 값에 맞는지 확인하는 절차다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 증발기는 냉수에서 열을 빼앗아 냉매인 물을 증발시키는 곳이다. 흡수기는 증발한 수증기를 LiBr 수용액이 흡수하여 증발기 진공을 유지하는 곳이다. 고온재생기는 희용액을 가열하여 냉매 일부를 증기로 내보내 농용액을 만드는 곳이다. 결정 방지는 용액 농도가 높아지거나 온도가 낮아질 때 LiBr 결정이 생겨 배관을 막는 현상을 피하는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

흡수식 냉온수기가 등장한 배경은 전기 수요의 계절 편중을 줄이는 데 있다. 국내에서는 여름철 냉방 전력 피크를 낮추고, 도시가스 수요가 겨울에 몰리는 패턴을 완화하기 위해 가스냉방이 권장되어 왔다. 이 과정에서 흡수식 냉온수기는 대표적인 가스냉방 기기로 자리 잡았다.

흡수식은 압축기 대신 열 에너지로 냉매를 순환시키므로 전기 소비가 적다. 흡수식 냉동기의 전력 사용은 용액펌프와 냉매펌프를 합쳐 15kW 이하인 경우가 많다. 반면 열 입력은 크고, COP는 단효용형에서 약 0.5, 이중효용형에서 약 1.0 수준이다. 따라서 저급 폐열이나 저렴한 가스열이 있는 곳에서 경제성이 높다.

시운전이 필요한 이유는 다음과 같다. 흡수식 계통은 내부 압력이 대기압보다 훨씬 낮은 진공 상태에서 동작한다. 공기가 조금만 새어 들어와도 흡수 능력이 떨어진다. 또 용액 농도와 온도가 맞지 않으면 결정이 생길 수 있다. 설치 직후에는 이런 조건이 설계와 맞는지 확인해야 하므로 시운전 절차가 필수적이다.

증발기 진공도가 관련 기준이 정한 고진공 수준으로 유지되어야 증발기 내 냉매가 5℃ 전후에서 증발할 수 있다. 이 조건이 깨지면 냉수 온도를 설계값까지 내리지 못한다.

4. 구성요소·원리·절차

흡수식 냉온수기는 흡수식 냉동사이클로 냉수를 만들고, 필요할 때 같은 기기에서 응축잠열을 이용해 온수를 만든다. 냉매는 물, 흡수제는 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이다. 증발기는 진공 상태에서 물을 증발시키며 냉수에서 열을 빼앗고, 흡수기는 발생한 수증기를 LiBr 용액으로 흡수한다. 흡수 과정에서 생긴 흡수열은 냉각수가 제거한다.

표 아래 설명: 증발기와 흡수기는 저압부이고 고온재생기와 저온재생기는 고압부다. 용액 열교환기는 농용액과 희용액 사이의 열을 회수하므로 가열 연료 사용량을 줄인다. 난방 운전 시에는 응축 잠열을 온수 회로로 보내는 방식을 쓰며 제조사마다 방식이 다르다.

원리는 다음과 같다. 증발기에서 증발한 수증기는 흡수기로 이동해 LiBr 용액에 흡수된다. 흡수기 압력이 낮게 유지되므로 증발기 증발이 계속된다. 희용액은 재생기에서 가열되어 냉매를 방출하고 농용액으로 돌아와 흡수 능력을 회복한다. 흡수기와 재생기가 용액 농도 차이를 만들어 냉매를 순환시키는 것이 흡수식 냉동의 핵심이다.

흡수식 냉온수기의 운전 절차는 다음과 같다.

• 냉각수 펌프를 기동해 냉각수를 흡수기와 응축기에 통수한다.
• 용액 펌프를 기동해 희용액을 고온재생기로 순환시킨다.
• 진공 펌프로 기내를 진공 상태로 유지한다.
• 버너 또는 증기로 고온재생기를 가열한다.
• 냉수 펌프를 기동해 부하측 냉수를 증발기에 공급한다.
• 냉수 출구 온도가 설정값에 도달하면 정상 운전으로 전환하고 용액 농도와 진공도를 감시한다.

흡수식 냉동사이클의 성능은 성적계수(COP) 로 평가한다. 단효용 흡수식과 이중효용 흡수식은 각각 운전 조건에 따른 COP 수준을 가지며, 이중효용 방식의 COP가 단효용 방식보다 높다. 이 값은 냉각탑 용량과 가열원 소비량을 결정하는 기준이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

흡수식 냉온수기의 설계·시험·운전 기록은 다음 기준을 따른다. 기준의 핵심 값은 아래 표와 같다.

표 아래 설명: 에너지관리기준은 흡수식 냉온수기의 측정 항목과 주기를 정한다. 시운전 중에도 같은 항목을 같은 주기로 기록해야 초기 성능 기준을 세울 수 있다. KS B 6271은 냉동능력과 가열능력의 시험 방법을 규정하므로 시운전 성능 검증에 쓴다.

흡수식 냉온수기는 고압 가열원과 진공 기밀을 함께 다루므로, 관련 안전 기준은 가스 공급 설비와 압력용기 기준을 함께 적용한다. 설치 시에는 가스 안전 관련 기준과 건축기계설비 설계기준을 함께 확인하는 것이 일반적이다.

6. 유형과 비교

흡수식 냉온수기는 열원 종류, 재생기 구성, 흡수제·냉매쌍에 따라 나뉜다. 시운전 관점에서는 직화식(버너 가열)과 증기·온수 구동식의 차이를 먼저 구분해야 한다. 아래 표는 가동 전 확인 항목이 달라지는 지점을 정리한 것이다.

직화식은 연소 관련 안전 점검이 시운전 첫 단계에 들어간다. 증기·온수 구동식은 열원 공급 조건이 설계와 맞는지가 핵심이다. 세 방식 모두 진공 상태에서 냉매가 증발하므로 진공도 확인은 공통 항목이다.

흡수식 냉온수기는 냉방 운전과 난방 운전의 전환 방식에 따라서도 구분된다. 온수기 방식, 응축기 방식, 증발기 방식 등 난방 취출 방법이 제조사마다 다르며, 어느 방식이든 냉매증기의 응축잠열을 이용한다. 따라서 시운전 때는 온수 취출 경로의 밸브 개폐 순서를 제조사 지침대로 확인해야 한다.