흡수식 냉동기

왜 배우는가: 흡수식 냉동기는 전기 대신 증기·온수·폐열로 냉수를 만드는 열원설비라서, 폐열 활용과 전력 부담 완화가 요구되는 현장에서 선택된다. 원리, 냉매와 흡수제 조합, 구성 기기를 묻는 문항이 여러 교시에서 반복 출제되므로 기본 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 2교시 1번, 제133회 2교시 1번, 제114회 4교시 1번, 제108회 4교시 1번, 제91회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의는 다음 한 문장으로 쓴다.

흡수식 냉동기는 열로 구동되어 저압 냉매의 증발열로 냉수를 만들고, 흡수제로 냉매를 순환시키는 냉동기다.

흡수식 냉동기는 압축기 대신 흡수기와 재생기 한 쌍으로 냉매를 순환시킨다. 증기압축식이 기계 에너지로 냉매 증기를 압축하는 반면, 흡수식은 열에너지를 이용해 냉매를 흡수하고 분리하여 같은 역할을 한다. 이 때문에 흡수식은 열구동 사이클로 분류된다. 아래 키워드는 이후 절 전체에서 반복되므로 뜻을 함께 익힌다.

• 흡수식 냉동기(absorption refrigerator)
• 냉매(refrigerant)
• 흡수제(absorbent)
• 증발기(evaporator)
• 흡수기(absorber)
• 재생기(generator, 발생기)
• 응축기(condenser)
• 진공(vacuum)

키워드 중 냉매와 흡수제의 조합은 성능과 운전 조건을 좌우한다. 대표 조합은 물을 냉매로 쓰는 물-리튬브로마이드(H2O/LiBr)계와 암모니아를 냉매로 쓰는 암모니아-물(NH3/H2O)계 두 가지다. 조합 선택 기준은 6절에서 비교한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물은 대기압에서는 100℃에서 끓지만 압력을 낮추면 훨씬 낮은 온도에서 끓는다. 흡수식 냉동기는 이 성질을 이용한다. 내부를 진공으로 낮춰 물을 약 5℃에서 증발시키고, 증발하면서 빼앗은 열로 냉수를 만든다. 증발한 수증기는 흡수제가 빨아들이고, 냉매를 많이 포함한 용액을 열원으로 가열하면 수증기가 다시 분리된다.

정식 정의는 다음과 같다. 흡수식 냉동기는 저압에서 증발하는 냉매의 증발잠열로 냉수를 얻고, 냉매 증기를 흡수제에 흡수시킨 용액을 외부 열원으로 가열해 냉매를 분리·응축한 뒤 다시 증발기로 보내는 순환 사이클을 가진 냉동기다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 증발기: 냉수가 흐르는 전열관 바깥 면에 냉매를 뿌려 증발시키는 장치다. 냉매는 증발하며 냉수에서 열을 빼앗아 냉수 온도를 낮춘다.
• 흡수기: 증발한 냉매 증기를 농도가 진한 흡수제 용액이 흡수하는 장치다. 흡수 과정에서 열이 발생하므로 냉각수로 식힌다.
• 재생기: 냉매를 많이 포함한 희석 용액을 열원으로 가열하여 냉매 증기를 분리하는 장치다. 흡수제 용액은 농축되어 흡수기로 돌아간다.
• 응축기: 재생기에서 나온 냉매 증기를 냉각수로 식혀 액화하는 장치다.
• 진공: 증발기와 흡수기 내부를 대기압보다 훨씬 낮게 유지하는 조건이다. 물을 약 5℃에서 증발시키려면 6~7mmHg 진공 수준이 필요하다.

재생기에 열을 한 번만 사용하는 방식을 1중 효용(single effect)이라 한다. 여러 단의 재생기로 열을 재사용하는 방식은 2중, 3중 효용이다. 1중 효용은 구조가 단순하지만 열효율이 낮다는 점을 기억한다.

3. 등장 배경과 필요성

압축식 냉동기는 전동기로 압축기를 돌리므로 전력 수요가 크다. 여름철 냉방 부하가 몰리면 전력 피크가 생기고 설비의 전기 요금 부담도 커진다. 흡수식 냉동기는 증기, 온수, 폐열 같은 열원을 쓰고, 전기는 용액펌프 등 보조 기기에만 쓰인다. 이 점이 흡수식이 등장하게 된 첫 번째 배경이다.

둘째는 냉매 측면이다. 압축식 냉동기는 프레온계 냉매를 주로 써 왔으나, 프레온계 냉매는 오존층 파괴와 온난화 문제로 사용이 규제되었다. 흡수식 냉동기는 프레온을 쓰지 않고 물이나 암모니아를 냉매로 쓴다. 그래서 냉매 규제 환경에서 대안으로 다시 주목받았다.