냉동기의 원리, 냉동기의 종류, 열펌프

터보냉동기 및 흡수식 냉동기 출처 배관공학

냉동기의 원리

물질을 상온 이하로 냉각시키는 것을 냉동이라고 하며 냉동의 방법은 얼음이나 드라이아이스 등의 차가운 물질에 의하거나, 얼음과 소금의 혼합과 같은 한 제를 사용하거나, 증발하기 쉬운 액체를 증발하거나, 열전대에 의한 베르디 효과에 의하는 등의 방법이 있다. 베르디 효과에 의한 방법은 2종류의 다른 금속을 접합해서 이것에 직류의 전기를 흘리면 전류의 흐르는 방향에 의하여 그 접합점에 있어서 주위에서 열을 흡수하거나 또는 열을 방출하던가 한다. 이 성질을 이용하는 방법으로 오는 날 이 연구가 전진되어 가정용 냉장고 등의 시험 제작품도 나와 있으나 가격면이나 기타의 점 등에서 아직 실용화되지 못하고 있다. 현제 사용되고 있는 많은 냉동기는 증발하기 쉬운 액체를 증발시키는 방식을 채택하고 있다. 이 원리를 설명하면 압축에 의하여 냉매가스를 압축하면 고온. 고압의 가열상태로 된다 이 고온. 고압의 냉매가스가 응축기에 의하여 냉각수 또는 공랭식에 의하여 냉각되어 팽창 밸브를 지나 감압되어 증발기 내에서 증발하여 저온의 가스상태로 된다. 이때 증발열을 주위에서 빼앗으므로 증기 내의 열을 흡수하여 냉동작용을 한다. 이때 증발기 내에서 증발한 냉매 가스는 다시 압축기에 흡입된다. 여기서 열을 저온부에서 고온부에 운반하는 역할을 하는 것이 냉매이며, 냉매를 순환시키는 것이 압축기이다. 이와 같이 냉동기는 액화되기 쉬운 가스를 액체로 하여 증발기에 있어서 저온부의 열을 흡수하여 이 열을 응축기에 있어서 고온부에 방출한다. 이것은 증발기의 입장에서 보면 냉동 작용을 행하는 냉동기이며 응축기의 입장에서 생각하면 열을 끌어올리는 열펌프로 되는 것이다.

냉동기의 종류

냉방용 냉동기로는 왕복 압축 냉동기, 터보 냉동기 및 흡수 냉동기가 많이 사용된다. 이들 냉동기는 증발기에서 직접 공기를 냉각하거나 또는 공기 냉각기에 순환하는 물을 냉각시킨다. 이때의 물을 브라인이라 하며 특히 저온을 필요로 할 때에는 물대신 부동액의 에틸렌 글리콜 등을 브라인으로 사용한다. 냉각기의 냉각작용은 냉매의 증발에 의하여 물 또는 공기에서 열을 흡수함으로써 이루어지는 것이다. 

왕복 압축 냉동기

냉매 가스는 압축기로 압축되어 응축기에 보내진다. 여기서 냉매가스는 물 또는 공기가 냉각되어 액화되고 이 액화된 냉매는 팽창 밸브에서 분출되고 압력이 저하되어 증발한다. 이때 열을 흡수하여 증발함으로써 냉각작용이 이루어진다. 증발된 냉매 가스는 압축기에 흡수되어 순환을 계속한다. 그 장점으로는 쉽게 높은 압력을 얻을 수 있고 압축효율이 좋으며 압력 유량 특성이 비교적 안정되어 있고 가격이 저렴하다. 단점으로는 왕복 부분의 관성 때문에 회전속도에 한계가 있고 관성력 때문에 진동이 발생하며 압축공기에 맥동이 있다.

흡수식 냉동기

냉매는 취화의 리튬 수용액을 사용하고 증기를 운전 에너지로 하고 있다. 이 냉동기는 진공 펌프로 간단히 증발기 속에서 냉매를 증발시켜 냉각 작용을 한다. 이 냉매 가스를 흡수기에서 흡수액에 흡수시킨다. 물을 흡수하여 묽어진 액은 재생기에 보내져 가열되고 비등하여 수증기를 방출한다. 이 수증기는 응축기에 들어가 냉각수에 의해 냉각되어 액화되며 이 액화된 물이 다시 증발기에 보내져 순환이 반복된다. 재생기에는 물을 방출하고 농도가 진해진 리튬 용액은 흡수기에 돌아온다. 흡수액이 물을 흡수할 때도 온도가 상승하므로 물로 냉각시킨다. 이와 같이 압축기를 대신 재생기를 사용하면 리튬 수용액을 가열하여 물을 증발시키는 열량이 필요하다.

터보 냉동기

압축기는 터보 압축기로 되어 있고 냉각시와 증발기는 한개의 원통 속에 조립되어 있다. 팽창 밸브대신 냉매 액면 제어에 프로트 밸브가 사용되며 원리는 왕복 압축 냉동기와 같다. 터보 냉동기의 장점으로는 신뢰성이 높고, 기계가 적어 설치면적이 적고, 수명이 길며 운전이 용이하다. 또 냉수온도를 낮게 할 수 있고 초기 투자비가 저렴하며 다수의 냉동기로 직결 운전 시 조합이 용이하다. 단점으로는 소음. 진동이 많고, 수변전 용량이 크다. 또 용량감소 시 서징 발생 우려가 크고, 전력요금이 비싼 지역에서는 운전비가 증가한다.

열펌프

하나의 장치로 교체 밸브의 조작에 의한 냉매의 흐름을 거꾸로 하여 냉. 난방의 어느 것에도 사용할 수 있으며 냉방 운전할 때에는 증발기로 냉각된 공기를 실내에 송풍 한다. 난방 운전시에는 냉매의 흐름을 거꾸로 하여 냉방 운전시의 증발기가 응축기로 되고 응축기로 냉각하여 훈훈하게 된 공기를 송풍한다.