이중효용 흡수식 냉동기

왜 배우는가: 이중효용 흡수식 냉동기는 고온 열원(증기·버너 연소열·폐열)을 직접 냉열로 바꾸는 대표 장치라서, 에너지 절감과 열원 활용 측면에서 실무 설계와 운전 판단의 기준이 된다. 시험에서는 단효용과의 비교, 직렬·병렬 흐름에 따른 재생기 농도 변화처럼 원리를 묻는 문항으로 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제114회 3교시 4번, 제98회 2교시 2번, 제92회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이중효용 흡수식 냉동기는 고온재생기와 저온재생기 두 개의 재생기를 직렬로 두어 고온 열원의 열을 두 번 사용하는 흡수식 냉동기다.

고온 열원의 열을 두 번 재사용해 단효용보다 냉매 증발량당 열 투입량을 줄인 흡수식 냉동기

핵심 키워드

• 흡수식 냉동기
• 이중효용(Double Effect)
• 고온재생기
• 저온재생기
• LiBr 수용액
• 진공 증발기
• 용액 열교환기
• 성적계수(COP)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 흡수식 냉동기는 압축기 대신 용액의 농도차를 이용해 냉매를 순환시키는 장치다. 냉매는 물이고 흡수제는 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이다. 물은 진공 상태에서 낮은 온도에서 증발하므로 증발기에서 냉수를 만든다.

증발기에서 증발한 수증기는 흡수기에서 LiBr 용액에 흡수된다. 흡수열은 냉각수로 제거한다. 희석된 용액은 재생기에서 가열되어 수증기를 내보내고 다시 농축된다. 농축된 용액이 흡수기로 되돌아가면서 순환이 이어진다.

정식 정의: 이중효용 흡수식 냉동기는 재생기를 고온재생기와 저온재생기 두 단계로 나누고, 고온재생기에서 발생한 냉매증기를 저온재생기의 가열원으로 재사용하는 흡수식 냉동기다. 단효용 장치보다 같은 냉동능력에 필요한 외부 열입력이 적다.

핵심 용어 풀이

• 고온재생기: 외부 열원(버너 연소열, 증기)으로 희용액을 가열해 냉매 일부를 증발시키고 중간농도 용액을 만든다.
• 저온재생기: 고온재생기에서 나온 냉매증기의 응축열로 중간농도 용액을 더 농축해 농용액을 만든다.
• 용액 열교환기: 흡수기에서 나오는 희용액과 재생기에서 나오는 농용액 사이에서 열을 교환해 열효율을 높인다.
• 진공 증발기: 내부 압력을 약 6~7mmHg 수준으로 낮게 유지해 냉매인 물을 약 5℃에서 증발시킨다.

3. 등장 배경과 필요성

단효용 흡수식 냉동기는 재생기에서 공급한 열의 대부분을 응축기와 냉각수로 버리므로 열효율이 낮다. 특히 증기·버너 등 열원을 많이 쓰는 대형 공조 플랜트에서 연료비 부담이 컸다.

이중효용 방식은 고온재생기에서 생긴 냉매증기의 응축잠열을 저온재생기 가열에 다시 쓴다. 같은 열원으로 더 많은 냉매를 증발시킬 수 있어 열소비가 줄어든다. 폐열과 지역난방 열원이 있는 사업장에서 흡수식 냉동기를 선택하는 이유가 여기에 있다.

흡수식은 압축식과 달리 전기 구동 압축기가 없어 소음과 진동이 작고, 프레온 대신 물을 냉매로 써서 냉매 규제의 영향도 적다. 다만 진공 유지와 결정(晶出) 방지가 필요해 설계와 운전 관리가 까다롭다. 이 때문에 이중효용 방식은 대형 설비의 에너지 효율을 높이는 현실적인 해법으로 발전했다.

진공 증발기 압력 약 6~7mmHg

이 조건이 흡수식이 성립하는 출발점이다.