Chiller
1. 냉각 능력
1) 단위 표시 : W 또는 Kcal/h (1kw=860kcal/h)
2) 열매채로 사용되는 물질, 용량에 따라 달라짐
3) 피냉각물이 자체 발열하는 경우, 실온과의 차이가 큰 흡열의 경우등 여러 변수가 존재.
2. 계산 방법
Q1: 냉각 매체 자체를 냉각하는데 필요한 열량
Q2: 피냉각물을 냉각하는데 필요한 열량
Q3: 순환시키는데 필요한 펌프 등의 동력원 발열량
* 냉각 형태
- 냉각조에 시료를 담그는 방법 = Q1+Q2
- 냉각액을 순환시키는 방법 = Q1+Q2+Q3
Q1 = {(t2-t1) x V x p x C1} / H
Q2 = {(t2-t1) x W x C2} / H
Q3 = 860 x X x 0.5 (* 0.5는 효율)
t1 : 설정 온도, 냉각 후의 온도
t2 : 초기 온도, 냉각 전의 온도
V : 사용 냉각 열 매체의 용량 (L)
P : 사용 냉각 열 매체의 비중
W : 피냉각물의 중량 (kg)
C1 : 사용 냉각 열 매체의 비열 (cal/g℃)
C2 : 피냉각물의 비중
H : 냉각 시간 (hour)
X : 동력 (kw)
위의 계산식에 안전율 1.2~1.7을 곱해주어야 한다.
3. 열량 계산 연습
1) 예제 1.
발열 반응계의 반응조 jacket에 냉각수를 순환시켜 발열을 억제하고자 한다. 냉각을 하지 않으면 jacket부의 물의 온도는 25℃에서 50℃까지 1시간동안에 상승한다. jacket내의 물의 용량은 25L이다.
--> 풀이
기본적으로 발열을 억제하기 위하여 25℃에서 50℃까지 1시간동안 상승스키는 열 용량 Q'이상의 냉각능력을 가지고 있어야 한다. 물의 비중, 비열은 1이므로
Q'={(50-25) x 25 x 1 x 1} / 1 = 625 kcal/h
여기에서 안전율을 1.5로 하면
Q = Q' x 1.5 = 937.5 kcal/h (25℃에서) = 1090w 이상의 냉각능력이 필요하다.
2) 예제 2.
전자 현미경의 광원부를 냉각시키고자 한다. 좋은 상태의 화상을 얻기 위해서는 20℃±0.5℃로 조절되어야 한다. 발열량은 알 수 없고, 수도수를 5L/min으로 통과시키면 입구 온도가 15℃에서 출구온도는 18℃가 되어 나온다.
--> 풀이
발열량을 추정할 때에는 1시간동안 흘려준 물이 얻은 열량에 안전율을 감안한 냉각 능력을 가지고 잇는 기종을 선정하여야 한다. 마찬가지로 물의 비중, 비열은 1이고, 1시간동안 흘려준 물이 얻은 열량은
Q' = {(18-15) x 5 x 60 x 1 x 1} / 1 = 900 kcal/h
여기에 안전율을 1.5로 하면,
Q = Q' x 1.5 = 1350 kcal/h (25℃에서)
1350 / 0.86 = 1570 W 이상의 냉각 능력이 필요하게 된다.
* 델타T 와 유량을 모르는 경우 chiller의 선정
- 분석기기의 매뉴얼에 표기된 열 용량 참조
- 수도수로 테스트
* rotary evaporator 점검 사항
- 냉각 온도
- 시간당 증발량
- bath의 온도
- 농축하고자 하는 물질
4. 냉동 관련 제품시 고려 사항
1) 필요한 열 교환량 : 다음의 한가지로 반드시 협의되어야 한다.
① 어떤 온도에서 얼마만큼의 열 교환 (kcal/h 또는 W)이 필요한지.
② 냉각하여야 할 대상의 무게 부피와 비중, 비열
③ 피냉각체를 어느 시간 내에 몇 도에서 몇 도의 온도로 냉각 시켜야 하는가?
④ 수도수를 사용하였을 때 유량(L/min)과 입구수 온도및 출구수 온도는?
⑤ 발열 반응의 경우 반응물의 부피(L)와 반응 시간과 온도의 변화 정도
2) 순환을 위해 필요한 펌프의 사양
① 유속 (L/min)
② 압력
③ 부식성 또는 내약품성에 대한 사전 고찰
④ 냉각 대상 기구가 열린 계인지, 닫힌 계인지.
⑤ 펌프에 맥동이 있어도 되는지 안되는지.
3) 온도 조절의 정밀도는?
4) 단지 냉각만 하면 되는지, 승온해 주기도 하는지.
5) 설치 장소의 공기 온도는?
6) 설치 장소의 위치와 출입구의 크기
7) 공냉식에 대한 grade : D2G4, EG3
8) 제어부와 냉동부는 일체형인가 분리형인가
9) 방폭 파괴에 대한 규제가 있는지 : CFC, HCFC, HFC
10) 전원의 상태 및 용량 : 전압, Hz, Phase, Capacity
11) 수냉식의 경우 냉각탑 설치 장소에 대한 고찰은
12) 열 매체로는 어떤 것을 사용할 것이며, 누가 수급 할 것인지.
5. 일정 온도에서 냉동기 용량에 따른 냉동 능력
1) 사용온도 20℃에서 2마력 이상의 냉동기는
1마력당 냉동 능력 2000kcal/h 이상으로 계산.
2) 2마력 이하의 경우는 기계적 에너지 소모가 상대적으로 커 동일 적용 불가.
- 2마력 이상의 경우보다 효율은 50%
6. 냉동 능력의 변화
1) 동일 냉동기에서 사용 온도가 변할 때
사용온도가 20℃ 보다 낮아지면 냉동 능력은 급속히 떨어지며, -40℃의 경우는 20℃에 비해 20% 수준.
사용온도(℃) |
냉동능력(%) |
20 |
100 |
10 |
85 |
0 |
67 |
-10 |
56 |
-20 |
50 |
-30 |
40 |
-40 |
20 |
2) 실험실 주변 온도가 변할 때
실험실 온도 20℃일 때의 냉동 능력을 100%로 볼 때, 1℃ 올라갈 때마다 1.5% 능력 저하
예). 실험실 온도가 35℃라면, 1.5 x 15 = 22.5%의 능력 저하
3) Hz 변화
전원이 60Hz일 때 냉동 능력을 100%로 볼 때, 50Hz는 83~93%
4) 수냉식, 공냉식의 차이
수냉식이 공냉식에 비해 1.15~1.28배 냉각 능력 높다.
7. 냉동기의 크기에 따른 저수 탱크의 부피
냉동기 크기(HP) |
탱크 용량 (L) |
1/8~1/4 |
6 |
1/2 |
10 |
3/4 |
20 |
1 |
30 |
1.5 |
40 |
2 |
60 |
3 |
75 |
5이상 |
100 |
8. 단위 정리
1) 1 BTU = 252 cal
2) 1 kcal = 3.97 BTU
3) 1kw = 860 kcal/h
4) 1HP = 746 W = 0.746 kW
5) 1RT : 0℃의 물 1ton을 24시간에 0℃의 얼음으로 만드는데 제거해야할 열량
도출) 80kcal/g x 1000000g / 24h = 3320 kcal/h = 13174 BTU/h
9. 냉동 시스템의 종류
1) 1원 냉동 : 수냉식, 공냉식 - 응축기에 필요한 냉각열 제공
2) 2원 냉동
① -86℃로 냉각시킬 때
② 응축기의 응축원을 다른 냉동 시스템을 가동시켜서 조달.
③ 냉동 시스템과 냉매, 압축기가 각 2개
3) 2단 압축 냉동
① -50℃ 이하로 냉각시킬 때
② 증발기에 흐르는 냉매의 양을 늘리기 위해 2단의 compressor 사용