흡수식 냉동기의 기초

여름 수요 적은 가스 사용…전기부족사태 우려 없어

흡수제·냉매(물) 모두 친환경물질로 지구온난화 예방

최근 지구온난화와 이상기후 영향으로 여름은 점점 더 무더워지고 있어 여름철 냉방은 필수가 되어가고 있다. 그런데 냉방이 목적인데도 가열을 하는 냉동 방식이 있다니 신기할 따름이다. 본 고에서는 가열이 필요한 흡수식 냉동기의 원리와 성적계수 해석 방법을 설명하고자 한다. /편집자 주

냉동기(Refrigerator)는 저온에서 열을 흡수한 후 고온으로 열을 방출하는 기기이다. 냉동은 냉매의 상변화(Phase change)를 이용하는데 그 이유는 물질의 상변화 과정에는 많은 에너지 변화가 수반된다. 냉동기 체적을 작게 하려면 작동유체인 냉매가 적은 체적유량으로 많은 에너지를 전달하게 하는 것이 유리하다.

상(Phase)에는 고체, 액체, 기체 상태가 있으며 물질의 온도와 압력에 따라 상이 정해진다. 0℃물을 일정한 압력 하에서 액체에서 증기로 변화시키기 위해서는 질량당 2501kJ/kg의 에너지가 필요한 반면 액체 상태의 물을 온도 1℃ 올리기 위해서는 4.19kJ/kg의 에너지가 필요하다. 상변화를 이용하면 현열인 온도차 대비 에너지 전달 효과가 약 597배가 된다.

주변과 열교환이 이루어지려면 냉매 온도는 주변 온도와 달라야 한다. 주변으로부터 열을 흡수하려면 냉매 온도는 주변보다 낮아야 하고, 반대로 열을 방출하려면 냉매 온도는 주변보다 높아야 한다. 포화상태

는 액체와 증기가 평형을 이루는 상태인데 이 상태에서는 [그림 1]과 같이 온도와 압력은 종속적이다. 압력 에서 포화온도는 , 압력 에서 포화온도는 가 된다. 냉동기에는 냉매의 온도를 조절하기 위해 압력을 상승시키는 압축기와 압력을 감소시키는 팽창밸브가 있다.

냉동 방식은 크게 압축 방식에 따라 증기압축식(vapor compression)과 액체압축식(liquid compression)으로 분류되며, 액체압축식은 주로 흡수식(absorption)이라고 불리어진다. 증기압축식은 증기 상태의 냉매를 압축하는 방식이고, 액체압축식(흡수식)은 냉매를 액체 상태의 흡수제에 흡수시킨 후 액체를 압축하는 방식이다.

압축일(compression work)은 비체적과 압력차의 곱, 즉 에 비례한다. 여기서 는 작동유체의 비체적(m3/kg), 는 압력(Pa), 는 압력차(Pa)이다. 압축 과정 중 비체적은 변하므로 총압축일은 전체 과정을 입구 상태 1부터 출구 상태 2까지 식처럼 적분하면 된다. 증기를 압축하는 경우 증기의 비체적 는 매우 크므로 증기압축식 냉동기는 압축 과정에 많은 동력이 요구된다. 이에 반하여 흡수식 냉동은 비체적 이 매우 작은 액체를 압축하므로 압축일이 매우 작다.

[그림 2]처럼 증기압축식 냉동 사이클은 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브의 4개의 기기로 구성된다. 증발기에서는 저온의 액체 냉매가 주변의 열을 흡수하면서 기화된다. 증기 상태의 냉매는 압축기에서 압축되어 고압, 고온이 되어 응축기에 유입된다. 응축기에서는 열을 주변으로 방출하면서 냉매는 액체로 응축된다. 팽창밸브에서는 압력이 감소하면서 온도도 감소하며 이 때 액체 일부가 증기로 기화하면서 증발기에 유입되어 냉동 사이클은 완성된다.

[그림 3]의 흡수식 냉동도 증기압축식 대비 압축 과정만 다를 뿐 응축, 팽창, 증발 과정은 동일하다. 단, 흡수식에서는 증기를 압축하지 않고 흡수기에서 냉매를 액체인

흡수제에 흡수시킨 후 액체를 압축하므로 압축일은 크게 감소한다. 그러나 냉매를 가압한 후에는 냉매를 흡수제로부터 분리시켜야 하는데 이 때 가열이 필요하다.

증발온도 5℃, 응축온도 40℃ 사이를 작동하는 냉매가 물인 냉동기를 가정한다. 이 경우 증발압력은 0.8725 kPa, 응축압력은 7.3851 kPa이 된다. 등엔트로피 압축 과정을 가정하여 단위질량당 압축일을 비교하면, 증기압축식은 360.19 kJ/kg, 흡수식은 4.07 kJ/kg으로 증기압축식 압축일은 흡수식 대비 88배 많다. 따라서 대부분의 경우 흡수식 냉동기에서 용액펌프의 압축일은 발생기에서의 가열 대비 매우 작으므로 압축일은 무시하여 성적계수를 계산한다.

증기압축식 냉동기는 전력 소비가 많으므로 여름철 전력 부족 문제를 야기시킨다. 2011년 9월 15일 무더위가 지나갔다고 판단하여 발전기들이 정비 중일 때, 때늦은 무더위에 냉방 수요 전기량이 급증하여 전기 공급 부족으로 불가피하게 지역별 순환단전을 시행하여 전국이 큰 불편을 겪은 사태를 우리는 아직도 기억하고 있다. 반면에 흡수식 냉방은 여름철 수요가 적은 가스를 사용하므로 여름철 전력 부족을 염려하는 정부는 흡수식 냉방을 환영한다. 또한 흡수제인 LiBr와 냉매인 물은 인공화합물인 CFC, HFC, HCFC 냉매와는 달리 오존층 파괴와 지구온난화에 기여하지 않는 친환경물질이다. 단 LiBr 수용액은 금속을 부식시키며, 1중효용 흡수식 냉동기의 성적계수는 약 0.7로 낮은 편이다.

[그림 4]는 LiBr 수용액의 평형선도이다. LiBr 수용액은 온도와 농도에 따라 평형 수증기압은 달라지며 이를 이용하여 수증기를 흡수 또는 방출시킨다. 온도가 낮고 농도가 높으면 평형을 이루는 수증기압은 낮아지며, 반대로 온도가 높고 농도가 낮으면 평형 수증기압은 높아진다.

[그림 5]에서 보여 주는 바와 같이 5℃ 물의 수증기 압력은 0.8725 kPa이며 이것은 35℃, 농도 55.70%인 LiBr 수용액과 평형을 이룬다. 증발기에서 발생된 수증기는 흡수기로 이동하여 LiBr 수용액에 흡수된다. 40℃ 물의 수증기 압력은 7.3851 kPa이며 이것은 100℃, 농도 66.59%인 LiBr 수용액과 평형을 이룬다. 발생기에서 발생한 수증기는 응축기에서 응축된다.

[그림 3]의 흡수식 냉동기 성적계수 계산을 위하여 다음과 같은 가정으로 사이클을 단순화시킨다.