공조냉동기계 - 냉동공학 - 0001

공조냉동기계산업기사 - 냉동공학

 

1. 냉동원리

(1) 냉동용어

냉동이란 어느 공간 또는 물체의 열을 흡수하여 그 온도를 현재 온도보다 낮게 하고

그 낮게 한 온도를 계속 유지시켜나가는 현상

- 냉각 : 물체의 온도를 주위의 온도보다 낮게 유지하는 것

- 냉장 : 물체가 동결되지 않도록 하여 저장하는 상태

- 냉동 : 물체의 온도를 동결온도 이하로 낮추어 동결상태로 유지하는 것

( 동결온도 : -15℃ )

- 제빙 : 상온의 물을 –9℃ 얼음으로 만드는 것

- 공기조화 : 열을 조절하는 상태를 공기조화라 하며,

크게 보건용공조와 산업용공조로 나뉜다

 

(2) 냉동의 원리

대기압하에서 쉽게 상태변화를 일으키는 물질이 냉매가 되며,

이런 상태변화를 이용해 주변의 열을 흡수시키는 장치를 냉동기라한다

 

2. 냉동방법

(1) 자연적 냉동방법

⓵ (고체 → 액체) 얼음의 융해 잠열 : 얼음(고체)이 녹으면 물(액체)로 상변화하게 된다

이를 융해라 하며, 이 때 발생하는 융해잠열을 이용한 냉동방법을 말한다

0℃ 얼음 1Kg 이 액체 상태로 변환될 때 79.68㎉/kg 의 열을 흡수

 

⓶ (고체CO₂ → 기체) 고체의 승화열 : 드라이아이스(CO₂고체)는 대기압에서 액체상태로 존재하지 못하고 바로 증발하여 기체 상태로 변하게 되는데 이를 승화라 하며, 이 때 발생하는 승화잠열에 의한 냉동방법이다

비점 –78.5℃인 드라이아이스가 기화하면서 137㎉/kg의 열을 흡수

 

⓷ (액체 → 기체) 액체의 증발 잠열 : 물(액체)에 열을 가하여 100℃가 되면 물이 끓어증발하여 수증기(기체)로 상변화를 일으키는데, 이 때 발생되는 증발잠열을 이용한 냉동방법

100℃ 물 1kg 이 증기로 변화할 때 539㎉/kg 의 열을 흡수

※ 가장 많이 사용되고 있는 증기압축식 냉동기와 흡수식 냉동기의 기본 원리이기도 하다

 

⓸ 기한제 이용방법 : 한제(寒劑)라고도 하며, 결합력이 좋은 두 종류의 물질이 서로 섞이면서 순간적으로 주위의 열을 흡수하는 성질을 이용한 냉동방법

(1607년 이탈리아의 사크토리우스는 얼음과 소금의 3:1 비율로 가장 낮은 온도를 얻을 수 있다고 발표)

기한제			혼합비율	강하온도(℃)
얼음(눈)	+	소금	3:1	- 20
		희염산	8:5	- 32
		염화칼슘	4:5	- 40
		탄산칼륨	3:4	- 45

자연적 냉동방법의 특징

-초기설치비용이 적다

- 취급이 용이

- 연속적인 냉동효과를 얻을 수 없다

- 온도 조절이 어렵다

- 저온을 얻기가 어렵다

- 냉각제가 소모되면 보충해주어야 하므로 비경제적

 

(2) 기계적 냉동방법

자연적 냉동방법의 냉매는 한 번 쓰고 나면 재생이 불가능하다

하지만, 기계적 냉동방법의 경우 기계의 전력, 증기, 연료 등을 이용하여 냉매를 순환시키므로 기계상의 누수나 결함이 없는 한 냉매를 반영구적으로 사용

 

① 증기압축식 냉동기

증기의 잠열(증발잠열)을 이용한 냉동 방식으로 낮은 압력하에서 쉽게 증발하고 쉽게 응축(액화)할 수 있는 유체(냉매)를 이용해 증발과 응축을 반복하여 냉동 목적을 달성하는 장치

 

증기압축냉동

 

㉠ 증기압축식 냉동기 4대 구성용소 ( 압축기 – 응축기 – 팽창밸브 – 증발기 )

ⓐ 압축기(compressor) : 냉매를 순환시키며 응축기에서 쉽게 응축액화 할 수 있도록 고온, 고압의 냉매가스를 순환시키는 장치

- 압축기의 종류 : 왕복동식, 회전식, 터보식, 스크류식

ⓑ 응축기(condenssor) : 압축기에서 순환된 고온, 고압의 냉매가스를 외부의 물이나 공기를 이용해 응축 액화 시키는 장치

- 응축기의 종류 : 공랭식, 수냉식, 증발식

ⓒ 팽창밸브(expansion valve) : 증발기에서 증발이 쉽게 이루어지도록 하기 위해 응축기 또는 수액기에서 응축되어온 고온, 고압의 냉매액을 교축시켜 저온, 저압의 습증기로 만드는 장치 (여기까지는 이론상 액으로 표시)

- 교축 : h = C (엔탈피 일정), PT = ↓ (압력과 온도 감소)

ⓓ 증발기(evaperator) : 팽창밸브에서 교축되어 냉매액(습증기)이 들어오면 주위(실내)의 열을 흡수해 냉매액을 증발시키고 이 증발잠열을 이용해 실제 실내를 냉동시키는 장치 (냉동효과 달성, 에어컨실내기)

 

② 흡수식 냉동기

증기의 잠열과 현열을 동시에 이용하는 냉동장치이며 증기압축식 냉동기와 달리 압축기가 필요 없는 방식이며 압축기 대신 버너를 사용하여 용해 및 유리작용을 이용한 화학적 방식을 이용한 냉동방법

㉠ 용해와 유리

ⓐ 용해(희용액) : 어떤 물질이 서로 섞이는 상태

ⓑ 유리(농용액) : 어떤 물질이 서로 분리되는 상태

	용해	유리(분리)
P(압력)	높을 때 ↑	낮을 때 ↓
T(온도)	낮을 때 ↓	높을 때 ↑

 

㉡ 냉매와 흡수제

흡수식 냉도기에서는 냉매의 증발잠열을 이용해 냉동효과를 얻는데

냉매가 액체상태로 돌아오지 않고 증발한 기체상태로만 존재 한다면

더 이상 냉동효과를 얻을 수가 없다

그러므로, 흡수제를 이용해 냉매를 액화시키고 다시 재순환시키게된다

ⓐ 냉매가 물(H₂O)일 때 : 리튬브로마이드(LiBr)

ⓑ 냉매가 암모니아(NH₃)일 때 : 흡수제 물(H₂O) 사용

냉 매	흡수제
물(H₂O) 비등점(100℃)	리튬브로마이드(LiBr) 비등점(1265℃)
암모니아(NH₃) 비등점(-33.3℃)	물(H₂O) 비등점(100℃)

㉢ 흡수식 냉동기 장치설명

ⓐ 재생기(발생기/농축기) : 희용액(흡수제+냉매)을 열원(증기 또는 전기)으로 가열하여

냉매와 흡수제를 분리시켜 냉매는 응축기로 보내고 흡수제는 다시 흡수기로 보내진다

ⓑ 응축기 : 발생기에서 흡수제액과 분리된 냉매증기는 응축기에서 냉가수와 열교환하여 응축 액화한다

ⓒ 증발기 : 응축기에서 넘어온 냉매는 냉매펌프에 의해 냉수냉각관 상부에 살포되어 냉수로부터 열을 빼앗아 증발한다

증발한 냉매는 흡수기에 흡수되며 냉각되어진 냉수는 냉동목적에 이용

ⓓ 흡수기 : 증발기에서 증발한 냉매가스를 흡수제와 희석시켜 희용액으로 만든다

(흡수기 내의 압력은 증발기 내의 압력보다 다소 낮아 냉매가 계속 유입될 수 있다

→ 압력은 고압에서 저압으로 흐른다 )

ⓔ 열교환기 : 펌프에 의해 흡수기에서 발생기로 이송된 묽은 용액과 발생기에서 흡수기로 돌아오는 고온의 진한 흡수용액을 열교환함으로써 효율을 향상

 

㉣ 흡수식 냉동기 동작설명

(흡수식 냉동기 4대 구성요소 : 재생기 – 응축기 – 증발기 – 흡수기 )

ⓐ 재생기(발생기) : 희용액(냉매+흡수제)을 가열하게 되면 재생기 내에 존재하는 물(냉매)은 100℃에서 끓어 증기가 되고 응축기로 들어가게 된다

이때, LiBr리튬브로마이드(흡수제) 용액은 비등점이 1265℃ 이므로 액체 상태로 남아 흡수기로 보내진다

ⓑ 응축기 : 이렇게 재생기에서 넘어온 수증기(기체)를 냉각탑(쿨링타워)에 의해 응축액화시켜 물(냉매)을 액체 상태로 만들어 증발기로 보내게 된다

ⓒ 증발기 : 응축기에서 보내온 액상의 물(냉매)을 증발기에 들어가기 직전 팽창밸브에 의해 교축시켜 증발기 상부에 분무시키게 되는데 이때 증발기 내부는 약 6.5~7[mmHg]의 진공상태를 유지하고 있으므로 작은 열에도 쉽게 증발하게 된다

이를 이용해 실내의 냉수와 열교환시켜 약 5[℃] 가량의 냉수를 만들어 실내로 보내 실제적 냉동효과를 얻는다

ⓓ 흡수기 : 증발기에서 냉수와 열교환하여 증발된 수증기(냉매)는 증발기와 흡수기의 압력차에 의해 기체상태로 흡수기 상부에 고이게 되는데 이 때 재생기에서 재생된 흡수제(농용액)와 만나게 되고 흡수제에 의해 수증기(기체)는 흡수되어 액체 상태로 돌아오게 된다

이 후 다시 재생기로 보내져 냉동사이클을 완성시킨다

※ 흡수제의 성질은 냉매액을 빨아들이는 성질을 가지고 있다

즉 흡수기 안에 냉매증기가 조금만 들어오더라도 흡수제는 그 냉매를 흡수하여 액체상태로 변하게 된다

 

③ 증기분사식 냉동기

증기압축식 냉동기나 흡수식 냉동기와 달리 압축기 및 버너를 사용하지 않고 이젝터(ejector)와 같이 노즐(noZzle)을 사용, 이 노즐을 통해 증기를 고속 분사시키면서 주위의 가스를 빨아들여 진공이 된다

이 때 증발기 내의 물 또는 식염수는 저압 아래에서 증발됨으로써 그 증발잠열에 의해 냉매가 냉각되고 이를 이용해 냉동하는 방식

※구성요소 : 증발기 – 이젝터 - 복수기(냉수 및 복수펌프용)

이젝터에서 분사된 증기는 복수기의 냉각수에 의하여 냉각되어 응축하게 되는데, 이 때 복수기 내를 진공으로 유지하기 위해 축기용 이젝터가 사용

④ 공기사이클식 펌프

공기를 단열압축하여 교축작용을 통하여 온도가 강하하는 원리를 이용

( 주로 항공기에 사용된다 )

⑤ 전자 냉동법

두 종류의 금속을 서로 접합하여 두 접점에 온도차를 두면 이에 비례하여 직류 전류가 발생한다. 이러한 현상을 제백효과(seebeck effect)라 하며 이와 반대로 두 금속에 전류를 흘려보내면 양 접점에 온도차가 생겨 열의 흡수 또는 발생이 일어나는데 이것을 펠티어(Peltier effect) 효과라 한다 (이러한 두 현상을 포괄적으로 열전효과라 부른다)

㉠ 제백효과(Seebeck effect) : 이종금속에 온도차를 흘리면 열기전력이 발생(발전기)

펠티어효과 Peltier effect

㉡ 펠티어효과(Peltier effect) : 이종금속의 접합점에 전류를 인가시키면 각각의 접촉부에서 흡열과 발열현상이 발생된다 (냉동기)

㉢ 톰슨효과(Thomson Effect) : 동종금속에 전류를 흘리면 흡열과 발열반응 발생

㉣ 열전 반도체 : 비스쿠트 텔루르, 안티몬 텔루르, 비스무트 텔루르 셀렌 등

 

⑥ 열펌프(Heat Pump)

히트펌프라고도 하며 냉동기의 고온부인 응축기의 방열작용을 이용한 난방 사이클이다

4방밸브(4Way valve)를 사용하여 여름철에는 냉방이 가능하고 겨울철에는 난방이 가능하도록 구성된 냉동장치이다

 

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