단효용 흡수식 냉동기

왜 배우는가: 흡수식 냉동기는 전기 대신 증기·온수·가스·폐열을 구동열원으로 쓰는 냉동법이라 전력 피크 대책과 폐열 활용 측면에서 실무 비중이 크다. 냉매·흡수제 순환을 듀링선도로 해석하는 문제는 열역학 사이클 이해를 확인하는 단골 문항이므로 반복 출제된다.

출제 이력: 제118회 4교시 6번, 제111회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

흡수식 냉동기는 냉매 증기를 흡수제가 흡수·재생하는 과정으로 압축기 역할을 대신해 열에너지로 냉동을 얻는 장치다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 흡수기, 재생기(발생기), 응축기, 증발기: 흡수식 냉동기의 4대 구성요소
• 용액열교환기: 재생기 농용액과 흡수기 희용액 사이에서 열을 주고받는 장치
• LiBr/H2O: 흡수제가 LiBr, 냉매가 물인 2성분계
• 듀링선도: 용액의 온도·압력·농도를 함께 나타내는 선도
• 진공 증발: 증발기 내부를 약 6mmHg 수준으로 낮춰 물을 저온에서 증발시키는 원리
• 단효용(single effect): 구동열원을 한 번만 사용하는 1단 재생 방식
• 성적계수(COP): 공급 열량 대비 냉동능력의 비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물은 압력이 낮을수록 낮은 온도에서 끓는다. 고산지대에서 밥이 설익는 현상과 같은 원리다. 흡수식 냉동기는 이 성질을 이용해 증발기 안을 진공에 가깝게 만들고, 물을 약 5℃에서 증발시켜 냉수를 얻는다.

정식 정의는 다음과 같다. 흡수식 냉동기는 냉매(물)와 흡수제(리튬브로마이드, LiBr) 사이의 흡수·탈기 현상을 이용하여 기계적 압축기 대신 열구동 흡수·재생 과정으로 냉매 증기를 승압하는 냉동기다.

흡수기에서는 증발기에서 온 냉매 증기를 고농도 LiBr 용액이 흡수한다. 이때 흡수열이 발생하므로 냉각수로 제거해야 한다. 흡수가 진행되면 용액은 희용액이 된다.

재생기에서는 희용액을 가열하여 냉매 증기를 분리한다. 냉매가 빠져나간 용액은 농용액이 되어 다시 흡수기로 돌아간다. 이 과정이 압축식 냉동기의 압축기와 같은 승압 역할을 한다. 원리는 용액펌프로 액을 승압하는 데 필요한 일이 기체 압축에 비해 매우 작다는 데 있다.

응축기에서는 재생기에서 나온 냉매 증기가 냉각수에 의해 응축된다. 응축된 물은 팽창 과정을 거쳐 증발기로 들어간다.

증발기에서는 물이 진공 상태에서 증발하며 주위 냉수의 열을 빼앗는다. 증발한 냉매 증기는 흡수기로 이동한다.

용액열교환기는 재생기 출구 농용액(고온)과 흡수기 출구 희용액(저온)을 열교환시킨다. 희용액은 재생기 입구 온도까지 미리 데워지고 농용액은 흡수기 입구 가까이로 식는다. 그 결과 재생기 가열량이 줄어 열효율이 높아진다.

3. 등장 배경과 필요성

압축식 냉동기는 전동기로 압축기를 구동하므로 여름철 냉방 수요가 몰리면 전력 피크가 커진다. 우리나라는 1988년 여름철 전력 예비율이 급격히 낮아지면서, 정부가 전력 피크컷 수단으로 흡수식 냉동기 채택을 권장했다. 이후 보급이 급격히 늘었다.

흡수식 냉동기는 구동열원으로 도시가스, 등유, 증기, 온수 같은 열원을 사용한다. 전기 사용량이 적으며 공장 폐열이나 지역난방 열을 활용할 수 있다. 태양열을 쓰는 냉방 시스템에도 응용된다.

냉매 증기의 압축 장치가 없으므로 진동과 소음이 작고, 설치 위치 제약이 적다. 운전 압력이 낮고 고압가스를 쓰지 않아 안전 측면에서도 장점이 있다.

반면 고온측 방열량이 압축식의 약 2배 수준이라 냉각탑 용량이 커진다. 흡수식 냉동기의 성능 계수는 단효용 기준으로 압축식보다 낮다. 따라서 저렴한 폐열이나 가스 열원이 있는 현장에서 경제성이 높다.

냉수 출구 온도 7℃ 운전 기준은 흡수식 냉동기의 일반적인 설계 조건이다.

흡수식 냉동기의 등장 배경에는 전력 수급 불균형, 에너지원 다변화, 폐열 회수 요구가 함께 있다. 이 세 요구가 맞물려 흡수식 냉동기는 대형 건물과 지역냉방에서 널리 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

단효용 흡수식 냉동기는 압축식 냉동기의 압축기 자리를 흡수기(Absorber)와 재생기(Generator)가 대신하는 구조다. 4대 요소는 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기이며, 여기에 용액펌프와 용액열교환기가 더해진다. 냉매는 물(H₂O), 흡수제는 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이다.

표 해설: 증발기와 흡수기는 저압측, 재생기와 응축기는 고압측이다. 용액펌프 하나만 기계적 일을 받고, 나머지는 열구동이므로 전력 소비가 작다.

원리는 다음과 같다. 물은 압력이 낮으면 낮은 온도에서 증발한다. 증발기를 고진공으로 유지해 물을 약 5℃에서 증발시키고, 그 증발열로 냉수를 식힌다. 증발한 수증기는 흡수기에서 LiBr 농용액에 흡수되어 압력 상승 없이 제거된다. 흡수된 희용액은 용액펌프로 재생기에 보내져 가열되고, 물이 다시 분리되어 응축기로 간다. 이 과정에서 압축기가 하던 승압 작용을 흡수·재생(용액의 농도 변화)이 맡는다.

흡수기와 재생기가 압축기의 승압 역할을 대신한다

흡수식 냉동 사이클의 절차는 다음과 같다.

• 증발기에서 냉수로부터 열을 얻어 냉매(물)가 증발한다.
• 흡수기에서 농용액이 냉매증기를 흡수하며 흡수열이 발생하고, 냉각수가 이 열을 제거한다.
• 희용액을 용액펌프로 승압하여 용액열교환기로 보낸다.
• 용액열교환기에서 희용액은 데워지고 농용액은 식는다.
• 재생기에서 희용액을 가열하여 냉매증기를 분리하고 용액을 농축한다.
• 분리된 냉매증기는 응축기에서 응축되어 교축(팽창)을 거쳐 증발기로 돌아간다.
• 농용액은 용액열교환기를 거쳐 감압되어 흡수기에 살포된다.

이 사이클을 열역학적으로 보면 성능계수(COP)는 냉동능력을 구동열량으로 나눈 값이다.

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

여기서 Q_e는 증발기 냉동능력(kW), Q_g는 재생기 입열량(kW)이다. 단효용 흡수식의 COP는 압축식보다 낮은 수준이다. 용액열교환기를 두면 재생기 입열량이 줄어 COP가 높아진다.

도식 설명: 아래 흐름도는 냉매와 용액의 순환 경로를 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

흡수식 냉동기는 법령으로 성능과 설치를 규율하는 대상이다. 국내에서는 「에너지이용 합리화법」에 따른 효율 관리와 KS 표준 시험방법이 기준이 된다. 세부 시험 조건과 KS 번호는 이 절에서 단정하지 않는다. 설계 단계의 기준 수치는 아래 표에 정리한다.

표 해설: 증발 온도와 냉수 온도는 원리에서 결정되는 값이다. 용량 제어 범위는 제조사마다 차이가 있다.

개정 연혁은 이 절에서 확인된 내용이 없어 쓰지 않는다. 흡수식 냉동기는 2026년 현재에도 가스·폐열 구동 설비로 쓰이며, 전기 피크 저감 수단으로 보급되어 왔다.

6. 유형과 비교

흡수식 냉동기는 가열원의 종류, 효용(effect) 수, 용액의 흐름 방식에 따라 나뉜다. 가장 많이 쓰는 기준은 재생기를 몇 단으로 두어 열을 재사용하느냐인 효용 수다. 단효용은 가열 1회로 냉매를 한 번 발생시키고, 이중효용은 고온 재생기에서 나온 증기의 응축열을 저온 재생기 가열에 다시 쓴다.