LiBr 결정사고

왜 배우는가: 흡수식 냉동기는 폐열과 저온 열원을 활용하는 설비라 열원설비 영역의 핵심 주제로 자주 다뤄진다. LiBr 결정사고는 운전 중 장치를 멈추게 하는 대표적 장애이므로 원인과 대책을 함께 묻는 문제로 이어진다.

출제 이력: 제136회 4교시 1번, 제118회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

LiBr 결정사고는 흡수식 냉동기에서 LiBr 수용액의 농도가 높거나 온도가 낮아져 LiBr가 고체 결정으로 석출되는 현상이다.

핵심 키워드

• LiBr 결정사고
• 용해도
• 흡수 용액 농도
• 흡수기
• 발생기
• 결정 석출 한계
• 용액 열교환기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 흡수식 냉동기 속 소금물이 너무 진해지거나 너무 차가워져서 소금이 굳어 붙는 현상이다. 용액이 굳으면 펌프와 배관이 막히고, 냉매 증기를 흡수하지 못해 냉동기가 멈춘다.

정식 정의는 다음과 같다. 흡수식 냉동기의 LiBr 수용액은 농도와 온도에 따라 정해진 용해도 한계를 가진다. 이 한계를 넘는 상태가 되면 LiBr가 결정으로 석출되며, 이를 결정사고라 한다.

핵심 용어를 풀이한다.

• 용해도: 용매 100g에 포화 상태까지 녹을 수 있는 용질의 양이다. 대부분의 고체는 온도가 높을수록 용해도가 증가한다. LiBr 수용액도 온도가 낮아지면 녹을 수 있는 양이 줄어 석출 위험이 커진다.
• 흡수 용액 농도: 흡수기에서 냉매 증기를 흡수하면 용액이 묽어지고, 발생기에서 가열해 냉매를 분리하면 진해진다. 흡수식 냉동기는 이 농도 차를 순환시켜 냉동 효과를 낸다.
• 흡수기: 증발기에서 나온 수증기를 LiBr 용액이 흡수하는 곳이다. 흡수 과정에서 열이 발생하므로 용액은 냉각수로 식혀야 한다.
• 발생기: 묽어진 용액을 가열하여 물(냉매)을 증발시켜 분리하는 곳이다. 진해진 용액이 발생기 출구로 나온다.
• 결정 석출 한계: 용액의 농도와 온도가 만나는 경계로, 결정이 생기기 시작하는 조건이다. 운전 조건이 이 경계에 가까울수록 결정사고 위험이 커진다.
• 용액 열교환기: 발생기에서 나온 고온 진한 용액과 흡수기로 돌아가는 저온 묽은 용액 사이에서 열을 주고받는 장치다. 용액 온도를 조절하는 역할을 한다.

원리는 간단하다. 발생기에서 용액을 가열할수록 농도가 진해지고, 진한 용액은 결정 한계에 가까워진다. 여기에 흡수기 쪽 용액 온도가 떨어지면 용해도가 낮아져 결정이 생긴다. 따라서 결정사고는 농도가 높은 구간과 온도가 낮은 구간이 겹칠 때 주로 일어난다. 기동, 운전, 정지 시에 각각 다른 경로로 이 조건이 만들어진다는 점이 이 개념의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

흡수식 냉동기는 압축식과 달리 기계적 일 대신 열에너지를 사용한다. 고온 폐열이나 지역난방 열원을 활용할 수 있어 대형 건물의 공조에 널리 쓰인다. 냉매로 프레온 대신 물을 쓰므로 프레온 계열 냉매를 쓰지 않는다는 장점도 있다.

물을 냉매로 쓰면 증발기를 저진공 상태로 유지해 물을 약 5℃에서 증발시킬 수 있다. 이 증발 잠열로 냉수를 만든다. 대기압에서는 물이 100℃에서 끓지만, 압력을 낮추면 증발 온도가 내려가는 원리를 이용한 것이다.

흡수식 냉동기는 전기 소비가 작은 대신 열원 소비가 크다. 단효용 흡수식의 성적계수는 이중효용보다 낮은 편으로 알려져 있으며, 이중효용은 약 1.0 수준으로 알려져 있다. 효율을 높이려면 발생기에서 용액을 더 진하게 만들어야 한다. 그런데 진한 용액일수록 결정 한계에 가까워진다. 즉 효율을 올리려는 운전이 결정사고의 위험을 키우는 구조다. 이 점에서 결정사고는 단순한 운전 실수가 아니라 설계와 운전 조건이 함께 얽힌 문제다.

물-LiBr 2성분계는 물의 증발 잠열이 크고 성적계수가 좋은 장점이 있으나, 빙점과 결정석출 문제를 해결해야 한다. 이 한계를 보완하려고 LiBr에 다른 염을 더한 3성분계, 4성분계가 연구되었다. 최근에는 태양열 냉방용으로 LiSCN을 더한 조성도 주목받고 있다.

2025년에 발표된 학술 논문은 태양열 구동 흡수식 냉동기에서 중간압 예흡수기를 추가해 결정이 생기지 않는 운전 범위를 넓히는 설계를 제시했다. 냉각 매체 온도가 높은 더운 지역에서도 결정사고를 피하려는 시도다. 이처럼 결정사고 대책은 용액 조성, 흡수 과정의 구조, 운전 온도 조건을 함께 고려하는 방향으로 발전하고 있다.

결정사고는 장치 정지뿐 아니라 설비 손상으로도 이어진다. 결정이 배관과 열교환기 내부에 쌓이면 용액 순환이 막히고, 재기동이 어려워진다. 그래서 설계 단계에서 결정 한계를 넘지 않도록 운전 범围를 정하고, 기동과 정지 절차에서 결정 발생 경로를 미리 차단하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

흡수식 냉동기는 증발기, 흡수기, 발생기, 응축기의 네 기기로 이루어진다. 압축기 대신 흡수기와 발생기가 냉매 증기를 처리하므로 기계적 일 대신 열에너지를 쓴다. 주요 구성요소의 역할과 결정 관련성은 다음 표와 같다.

표의 구성은 순환 흐름의 기본이다. 각 기기가 맡는 역할은 서로 연결되어 있다. 증발기에서 발생한 냉매 증기가 흡수기로 가고, 흡수기에서 농도가 낮아진 희용액이 발생기로 돌아가는 구조다.

흡수식 사이클의 기본 원리는 다음과 같다. 증발기에서 물이 저압 하에 증발하며 냉수를 얻는다. 그 증기는 흡수기에서 LiBr 농용액에 흡수되어 용액을 희석한다. 희석된 용액은 용액펌프로 발생기에 보내져 열원으로 가열되며 냉매 증기를 분리한다. 분리된 증기는 응축기에서 응축되어 증발기로 되돌아간다. 농용액은 용액열교환기를 거쳐 흡수기로 복귀한다.

결정은 농용액의 농도가 한계를 넘거나 용액 온도가 과도하게 낮아질 때 생긴다

결정 현상은 LiBr 수용액의 용해도가 온도에 따라 달라지는 성질에서 나온다. LiBr 수용액은 온도가 낮아지면 용해도가 줄어든다. 따라서 흡수기나 용액열교환기에서 용액 온도가 떨어지면 과포화 상태가 되고 결정이 석출된다. 농도가 높을수록 한계 온도는 높아지므로, 농도 상승과 온도 저하가 겹치는 순간이 가장 위험하다.

흡수식 냉동기의 운전 절차는 다음 순서로 진행된다.

• 발생기에서 희용액을 가열하여 냉매 증기를 분리한다.
• 분리된 농용액은 용액열교환기에서 희용액과 열교환하며 온도가 낮아진다.
• 농용액은 흡수기에 분무되어 증발기에서 올라온 냉매 증기를 흡수한다.
• 흡수열은 흡수기 냉각수가 제거하며, 용액은 희석된다.
• 희용액은 용액펌프로 발생기에 되돌아가 순환을 반복한다.

성능은 다음 식으로 나타낸다. 증발기 냉동능력과 발생기 입열량의 비가 성적계수다.

$COP = \frac{Q_e}{Q_g}$

여기서 Q_e는 증발기 냉동능력[kW], Q_g는 발생기 입열량[kW]이다.

용액의 농도는 다음 식으로 정의한다.

$\xi = \frac{m_{LiBr}}{m_{LiBr}+m_{H_2O}} \times 100$

여기서 \xi는 용액 농도[%], m_{LiBr}과 m_{H_2O}는 각각 LiBr과 물의 질량[kg]이다. 농도가 커지면 같은 온도에서 결정 한계에 가까워진다.

효용 수에 따라 열효율이 달라진다. 단효용은 열원을 한 번 사용하고, 이중효용은 고온 발생기에서 나온 증기를 저온 발생기의 열원으로 재사용한다. 그래서 이중효용은 열원 대비 냉동능력이 크지만 고온 열원이 필요하다.

5. 관련 법령·기준·표준

흡수식 냉동기의 설계와 운전 기준은 법령 조문으로 정해진 것이 적다. 대개 제조사 설계 기준과 흡수식 냉온수기 관련 KS 규격을 따른다. 현장에서 쓰는 주요 기준값은 다음과 같다.