흡수식 냉온수기

[용스]

 

흡수식냉온수기

1. 흡수식냉온수기의 개요

 흡수식 냉동기는 1777년 그 이론이 처음 발표되었고 발명자로 알려져 있는 Fredinand Carr는 1859년 및 1860년에 암모니아/물을 사용한 흡수식 냉동기의 특허를 제출하였다. 그러나 흡수식 냉동기에 관한 이론의 확립은 1913년 독일의 E.Altenkirch에 의해서였고, 1920년 스웨덴의 G. Munters와 B. Conplaten이 계내의 수소를 도입함으로써 순환펌프를 생략하는 특허를 얻고부터 더욱 실용화가 진전되었다. 물/리튬브로마이드계 시스템을 채용한 방식은 1940년대 초에 W.H. Carrier에 의해 개발되었다.

 1955년에는 660USRT, 1960년에는 990USRT의 대형기종을 제작하였는데, 이것들은 모두 증기 가열 식이었다. 이 방식은 건물공조에 적합하여 널리 쓰이게 되었고, 현재 실용화 되고 있는 작동매체는 이상과 같은 물/리튬브로마이드계 및 암모니아/물계에 한정되어있다. 흡수식 냉동기의 효율향상을 위해 재생기를 2중 효용화하는 시험은 1961년 미국에서 행해졌으면 일본에서 1954년 실현함으로써 흡수식 냉동기에 관한 기술수준을 향상시켰다. 현재 건물공조용으로 주류를 이루고 있는 가스 직접 가열식 2중효용 흡수식냉온수기는 1968년에 일본에서 완성됨으로써 2중효용 흡수식 냉동기술을 선도하게 되었다.

 흡수식 냉동기는 1968년 일본의 기차제작소로부터 증기식 일중효용 흡수식 냉동기의 기술을 도입한 흥진산업이라는 회사 에 의해 국내 최초로 생산되었으나, 당시 10 대도 판매 못하고 생산이 중단되었습니다.  그 후 1975년에 현대양행이 일본의 Sanyo로부터 기술을 도입하여 다시 생산을 시작하였지만 그 생산량이 1980년 초기까지 년간 10 ~20 대미만에 불과하였습 니다. 그러나 1984년 이후 도시가스망의 확대와 국가의 가스기기 보급촉진정책, 도심지 대형건축물의 증가에 힘입어 시장 규모가 급속히 성장하여 현재의 국내시장 규모가 년 1500대 수준에 이르렀습니다.

 국내의 전력사정 악화로 인한 정부의 에너지이용 합리화정책에 힘입어 흡수식 시장은 비약적으로 성장하였으며, 만도기계, 현대중공업, 삼성중공업, 삼원기계, 경동보일러, 대우캐리어, 범양 냉방 등이 흡수식 시장에 가세하였다.

  실제로, 흡수식 냉온수기는 에너지 이용의 효율적 측면과 뛰어난 경제적 가치를 인정받는 것 외에도 많은 장점을 가지고 있어 그 수요가 꾸준히 늘어나고 있습니다. 특히, 전 세계적으로 사용규제가 강화되고 있는 오존층 파괴물질로 잘 알려진 CFC를 냉매로 사용하지 않고, 물(H2O)과 리튬브로마이드(LiBr) 수용액을 냉매로 사용함으로써 프레온가스 대체 이용기술의 발전에 기여함은 물론, 환경오염을 방지하는 효과까지도 있습니다. 대부분의 제품이 공해발생의 우려가 없는 청정연료인 도시가스(LNG)를 사용하고 있어서, 기존 발전설비에 주로 사용되던 원자력, 유연탄, B-C유 등 발전연료의 사용이 상대적으로 감축돼 대도시 환경문제 개선에도 기여도가 높은 것입니다.

  또한, 전기소모량이 기존의 압축식 냉동기의 10% 정도에 불과해 절전효과를 인정받고 있으며, 가스나 기름 등의 열에너지를 직접 투입해, 한 대로 냉·난방을 동시에 해결할 수 있는 것과 더불어 기기의 몸체가 작아서 지하실, 옥상 등 작은 공간에도 효율적인 배치가 가능하다는 장점이 있습니다. 흡수식 냉온수기는 전기냉방기와 비교해 초기설치비가 다소 높은 편에 속합니다. 그러나 냉방용 전력요금 인상 및 하절기의 저렴한 가스요금을 적용받아 전동식에 비해 연간운전비가 40% 이상 적게 들어 운영면에서 오히려 효율적이라는 것을 알 수가 있습니다.

  결과적으로, 흡수식 냉온수기는 운영비 저렴·전력요금 절감·작은 설치면적 등 경제적인 냉방시스템이란 특징과 냉난방 동시 실시· 설치용이 등 설치 운전상의 편리한 여러 가지 이점을 갖춘 새로운 밀레니엄 냉난방기기로 주목받고 있습니다. 

2. 흡수식냉온수기 기술

 흡수식냉동기는 터보냉동기 등과 같은 증기압축식 냉동기와는 달리 전기가 아닌 열에너지를 구동원으로 사용하며, 냉매도 프레온가스가 아닌 물을 사용한다. 흡수식냉동기는 열을 구동원으로 하기 때문에 여름철 전력수요의 피크문제를 해결할 수 있는 유력한 방법 중의 하나이며 또 가스 비수기인 여름철에 가스수요를 촉진하는 효과를 거둘 수 있다.

- 흡수식냉온수기의 작동원리

 흡수식 냉동기, 열펌프는 용해도가 높은 용액에 냉매증기를 1차 흡수시킨 다음, 펌프에 의해 압력을 상승시킨 후 열을 가하여 냉매증기를 분리하는 원리로 작동된다. 이때 발생기에서 발생된 냉매증기는 응축기로 가서 열을 방출하면서 응축되고, 이 액상의 냉매는 다시 팽창밸브를 거쳐 증발압력까지 떨어진 채로 증발기로 들어가 외부의 열을 빼앗으면서 증발을 하여 흡수기로 들어간다. 이 과정이 냉매루프가 된다. 한편 발생기에서 냉매가 분리된 후 남은 용액은 팽창밸브를 거쳐 다시 흡수기로 들어가 증발기로 부터 오는 증기를 흡수한 후 다시 발생기로 순환하여 용액루프를 형성하게 된다. 단순화시켜 설명하면 압축식 시스템에서의 압축기의 역할을 용액루프가 대신하는 원리다.

가. 증발-흡수과정

 우리는 높은 산에 등산을 가서 밥을 하면 밥이 설익는다는 것을 경험한 적이 있다. 이것은 높은 산에서는 압력이 대기압보다 낮기 때문에 그만큼 물이 낮은 온도에서 증발하기 때문이다. 이처럼 물이 증발하는 온도는 압력에 따라 변화한다. 예를 들면 760mmHg(대기압)에서는 100℃, 520 mmHg에서는 90℃, 92 mmHg에서는 50℃, 18 mmHg에서는 20℃에서 증발한다. 그리고 압력을 더욱 낮추어 약 6mmHg의 고진공 상태로 유지하면 물은 약 5℃에서도 증발을 한다. 그리고 물이 증발할 때에는 주위로부터 증발잠열에 해당하는 만큼의 열을 빼앗아 간다. 이것이 흡수식냉동기의 기본원리이다.

나. 재생-응축과정

 흡수기의 흡수용액(LiBr)은 증발기에서 나오는 수증기(냉매증기)를 어느 정도 흡수하면 더 이상 수증기를 흡수할 수 없는 포화상태가 되며 이 경우 수분을 분리해 내지 않으면 더 이상 수증기를 흡수할 수 없게 된다.

 수분을 분리해 내는 가장 간단한 방법은 열을 가해서 흡수용액 속의 수분을 증발시키는 것이다. 그러나 흡수기를 직접 가열하면 거기서 증발한 수증기가 다시 증발기로 되돌아가므로 별도의 용기를 만들어 그 용기에 펌프로 용액을 이송한 후 가열하여 수분을 분리해 내는 방법을 택하는 것이 좋다.

 이 때 사용되는 용기는 흡수용액을 다시 사용할 수 있도록 하는 역할을 한다고 해서 재생기 또는 발생기(generator)라 부른다. 재생기에서 분리되어 나온 수증기는 응축기로 들어가서 냉각탑(cooling tower)에서 오는 냉각수에 의해 냉각, 응축되어 물(냉매액)이 되어 다시 증발기로 공급된다.

                            흡수식냉동기의 기본 사이클

Absorber : 증발기로부터 온 수증기를 리튬브로마이드 용액에 흡수시킨다.

(→Strong Solution)

1 → 2 : Pump에 의해 용액의 압력 상승

2 → 3 : 용액열교환기(SHX)에서 묽은 용액과 열교환을 통해 온도 상승

Desorber : 열을 공급받아 고농도의 용액에서 수증기 발생(→Weak Solution)

7 → 8 : Condenser에서 냉각수와 열교환, 수증기 응축

8 → 9 : 팽창밸브를 통하여 압력강하

9 → 10 : Evaporator에서 외부의 열을 흡수하며 증발

10 → 1 : 증기는 Absorber로 들어가 리튬브로마이드 용액에 흡수된다.

4 → 5 : 묽어진 용액이 용액열교환기에서 고농도 용액과 열교환을 통해 온도하강.

5 → 6 : 팽창장치를 통해 압력 하강

- 흡수식냉온수기의 구성

가. 흡수기(Absorber)

 증발기에서 냉매가 증발하게 되면 증발기 내부의 압력이 높아지고, 그 압력에 상당하는 만큼 증발온도도 상승하여 필요로 하는 냉수 온도를 얻지 못하게 된다. 따라서, 필요로 하는 낮은 냉수온도를 얻기 위해서는 증발기 내부의 압력을 요구 냉수 온도보다 낮은 증발온도의 포화압력 이하로 유지시키기는 역할을 하는 것이 흡수기이다. 흡수기에서는 전열관 위에 흡수 용액을 산포하여 전열관 외표면에서 얇은 막을 형성하여 이 용액에 의해 수증기를 흡수하게 된다. 용액이 수증기를 흡수하면 열이 발생하는데 이 열은 전열관 내부를 흐르는 냉각수에 의해 제거된다.

나. 증발기(Evaporator)

 H2O/LiBr방식의 경우 증발기에서 냉매인 물이 5℃에서 증발하기 위해서는 6.5mmHg의 낮은 압력이 유지되어야 한다. 따라서, 흡수식 냉동기의 증발기는 냉매를 전열관 외표면에 분사하여 주는 관수형을 사용하는데 이는 만액식 증발기의 경우 냉매의 높이에 따른 압력이 작용하여 증발온도가 높아지기 때문이다. 흡수기와 마찬가지로 전열관 외표면에 냉매를 고르게 산포하기 위해서는 스프레이 노즐에 의한 분무방법과 트레이에 의한 적하 방법이 사용된다.

다. 응축기 (Condenser)

 저온 재생기에서 증발한 냉매는 엘리미네이터를 거쳐 응축기로 들어와서 응축기 전열관 내부에 흐르는 냉각수에 의하여 응축되고, 저온 재생기에 응축된 고온의 냉매액은 냉각수에 의해 냉각되어 서로 합쳐져 응축기 하부로 모여 증발기로 보내져 증발작용을 되풀이하게 된다. 주요구조로는 열교환기와 증발장치로 통하는 팽창장치등으로 나눌 수 있다.

라. 재생기 (Desorber, Generator)

 재생기는 흡수기에서 묽어진 흡수액을 열로 가열하여 냉매와 저농도의 흡수액으로분리하는 기기이다. 일반적으로 많이 사용되는 2중효용 흡수식 냉동기의 경우, 열원에 의해 가열되는 고온재생기와 고온재생기에서 발생한 냉매의 응축열에 의해 가열되는 저온재생기로 나눌 수 있다.고온재생기는 보일러에서 발생하는 중압증기를 사용하는 경우와 고온재생기 내부에서 직접 연료를 연소하는 직화식으로 나눌 수 있으며, 직화식의 경우 연소로의 형상및 배가스 유로에 따라 노통 연관식, 수관식, 반전 연소식, 온수 열교환기 부착식으로 나눌 수 있으며, 재생방법에 따라 용액 산포식, 만액식, 기포 펌프방식, 기타 구조 등으로 나눌 수 있다.저온재생기의 구조는 셀-튜브형의 열교환기이며 용액을 스프레이 노즐에 의해 전열관 표면에 분무하여 주는 관수식 또는 용액 속에 전열관이 담그어져 있는 만액식이 사용돠구 있다.

마. 열교환기 (Solution Heat Exchanger)

 저온의 진한 용액과 고온의 묽은 용액을 열교환하여 재생기로 가는 진한 용액을 가열하여 재생기에서 용액의 가열에 필요한 가열량을 줄여주고, 흡수기로 들어가는 묽은 용액의 온도를 낮게 하여 흡수기에서의 냉각열량을 줄여줌으로써 연료소비량을 절감하고, 열효율을 향상할 목적으로 사용되는 것이 용액 열교환기이다.

기종    LEF-K032A3G4
항  목	수  치	단  위	비  고
냉방 능력	300	USRT
난방 능력	907.2
냉수 유량	181.4
냉수 온도	12.7
냉각 수유량	300
냉각 수온도	32~37.5
온수 유량	181.4
온수 온도	55~60
연료	LNG
연료 발열량	11000
연료 공급압	4000

- 흡수식냉온수기 제원표

- LG 전선 공조 SYSTEM