흡수식 냉동기 냉매·흡수제

왜 배우는가: 흡수식 냉동기는 전기 대신 열원으로 구동되어 폐열·지역난방 등을 활용하는 설비라서 에너지 절감 측면에서 실무 비중이 커지고 있다. 냉매와 흡수제의 조건은 시스템 성능과 운전 안정성을 결정하므로 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에 거의 매년 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제123회 3교시 3번, 제119회 2교시 1번, 제95회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흡수식 냉동기의 냉매는 흡수제에 잘 녹고 잠열이 큰 물질이며, 흡수제는 냉매 증기를 흡수해 농도차를 만드는 액체다.

• 냉매(Refrigerant)
• 흡수제(Absorbent)
• 잠열(Latent heat)
• 비등점차(Boiling point difference)
• 결정(Crystallization)
• 부식성(Corrosivity)
• 물-리튬브로마이드(H2O/LiBr)
• 암모니아-물(NH3/H2O)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흡수식 냉동기는 압축기 대신 흡수기와 발생기를 두고, 냉매 증기를 액체 용액에 녹였다가 가열해서 다시 꺼내는 장치다. 이때 냉매 역할을 하는 물질과 그것을 붙잡는 흡수제 역할을 하는 물질이 필요하다. 이 둘의 조합을 냉매·흡수제 쌍(Working pair)이라고 부른다.

정식으로 정의하면, 흡수식 냉동기용 냉매는 증발기에서 저압 상태로 증발하여 냉열을 전달하고, 흡수제는 증발한 냉매 증기를 흡수하여 농용액을 만드는 물질이다. 따라서 두 물질은 서로 잘 섞이고, 증기압 차이가 커서 분리가 쉬워야 한다.

핵심 원리는 비등점차(Boiling point difference)다. 냉매의 비등점이 흡수제보다 훨씬 낮아야 발생기에서 냉매만 증발시켜 분리할 수 있다. 물-리튬브로마이드 쌍에서는 물이 냉매, 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이 흡수제다. 증발기 압력이 6~7mmHg 정도의 진공이므로 물은 낮은 온도에서 증발한다. 암모니아-물 쌍에서는 암모니아가 냉매, 물이 흡수제다.

구비조건은 이 원리에서 나온다. 잠열이 커야 적은 순환량으로 큰 냉동능력을 얻고, 비등점차가 커야 분리가 잘 되며, 결정이나 응고가 없어야 운전이 멈추지 않는다. 그래서 답안에서는 이 세 가지를 먼저 설명하고, 나머지 부식성과 경제성을 덧붙이는 순서가 좋다.

3. 등장 배경과 필요성

압축식 냉동기는 전기 동력으로 압축기를 구동하므로 전력 수요가 크다. 흡수식 냉동기는 증기, 고온수, 가스, 폐열 같은 열원으로 구동되므로 여름철 전력 피크를 줄이는 효과가 있다. 공장 폐열이나 지역난방 배열을 쓸 수 있어 에너지 회수 측면에서 유리하다.

초기에는 암모니아-물 계통이 널리 쓰였다. 1922년 엔탈피·농도 선도가 작성된 뒤 다수의 냉동기가 제작되었고, 현재도 대형 공업용과 소형 공기조화용 냉동기에 이 계통이 쓰인다. 반면 물-리튬브로마이드 계통은 용량이 커서 건물용 대형 냉동기에 주로 적용된다.

프레온계 냉매를 쓰는 압축식 냉동기가 환경 문제로 규제받으면서 흡수식 냉동기의 상대적 가치가 다시 높아졌다. 흡수식은 냉매로 물을 쓰거나 암모니아를 쓰므로 오존층 파괴 문제에서 자유롭다는 점이 설명 포인트다. 다만 물은 빙점과 결정 석출 문제가 있어 이를 보완하는 3성분계, 4성분계 연구가 진행되고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

흡수식 냉동기는 압축기 대신 흡수기(Absorber)와 발생기(Generator)를 두어 냉매 증기를 흡수제에 흡수시키고 다시 분리하는 방식이다. 냉매 증기의 압력 차이를 이용하므로, 냉매와 흡수제의 조합이 사이클 성능을 좌우한다.