흡수식 냉온수기의 원리

[은원명]

2020년 09월 16일 제작

교사 : 강진규

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물(H2O)이 냉매이고 리튬브로마이드(LiBr)가 흡수용액인 흡수식 냉동기를 사례로

흡수식 냉동기의 원리를 이해해보자

필수 용어부터 살펴보자

• 냉수(chilled water) : 흡수식 냉동기에서 생산하고자 하는 차가운 물. 건물로 들어가 냉방하는 데 쓰인다.
• 냉각수(cooling water, coolant) : 흡수식 냉동기의 열적 사이클을 유지하기 위해(흡수식 냉동기를 냉각하기 위해) 공급되는 물

• 냉매(refrigerant) : 흡수식 냉동기 열적 사이클에서 상변화를 하며 열을 전달하는 물질
• 흡수제(absorbent) : 냉매를 흡수하는 물
• 농용액(strong solution), 진한 흡수액 : 흡수제에 냉매가 적게 섞여 있어 흡수제 농도가 진한 용액(solution)
• 희용액(weak solution), 묽은 흡수액 : 흡수제에 냉매가 많이 섞여 있어 흡수제 농도가 옅은 용액(solution)

• 흡수기(Absorber) : 흡수제가 냉매를 흡수하는 곳. 흡수제가 냉매를 흡수해 희용액이 되면서 열을 발생.
• 재생기(Generator) : 외부에서 열을 공급해 흡수제와 냉매를 분리하는 곳. 냉매는 기화되어 날아가 흡수제만 남아 농용액으로 재생되는 곳
• 응축기(condenser) : 냉매가 기체상태에서 액체상태로 응축되는 열교환기. 냉매가 주변으로 열을 방출하면서 가열효과 발생.
• 증발기(evaporator) : 냉매가 액체상태에서 기체상태로 증발되는 열교환기. 냉매가 주변 열을 흡수해 증발되면서 냉각효과 발생.

흡수제와 냉매

압축식 히트펌프의 냉매와 다르게

흡수식 냉온수기와 흡수식 히트펌프의 냉매는 흡수제와 조화가 잘 맞아야 한다.

그렇다면 흡수제는 무엇인가?

흡수제 : 냉매를 흡수한다. 흡수를 하면 열이 발생이 된다.

끓는점이 냉매보다 높아 흡수용액의 온도가 올라가면 냉매는 기화되고 흡수제는 액상으로 남아 분리된다.

냉매 : 흡수, 비등 응축 과정을 반복하기 때문에 흡수제와 혼화성이 중요

흡수용액 : 흡수제와 냉매가 혼합되어 있는 용액

흡수식 작동유체로 주로 사용되고 있는 것은 H2O/LiBr(물/리튬브로마이드)와 NH3/H2O(암모니아/물)이다.

냉매(Refrigerant) - H2O, 용액(solution) - LiBr

냉매(Refrigerant) - NH3, 용액(solution) - H2O

LiBr(흡수제)/H2O(냉매)을 가지고 다시 설명해 보면,

LiBr(흡수제)가 H2O(냉매)를 흡수하는 성질을 가지고 있다.

리튬브로마이드의 수증기 압이 물의 수증기 압에 비해 상당히 낮기 때문에 리튬브로마이드가 물에 잘 흡수되는 것이다.

LiBr(리튬브로마이드, lithium bromide) 더보기

LiBr(리튬브로마이드, lithium bromide) 접기

LiBr(리튬브로마이드, lithium bromide)

Li와 Br의 화합물로 소금(NaCl)과 유사하며 안정된 물질로 인체에 무해함. 대기중에서 변질되지 않으며 분해나 휘발성도 낮다.

화학식	LiBr
분자량	86.856
성 분	Li : 7.99%,Br : 92.01%
외관	무색 결정립
비중	3.464 g/cm3 (고체 at 25 ℃), 2.370 g/cm3 (고체 at 800℃)
용융점 / 비등점	549 ℃ / 1265 ℃

상온에 있어서 포화 수용액의 용해도는 약 60%로, LiBr의 물에 대한 용해도는 상당히 큼

비중은 비교적 크며, 실제로 취급하는 60%정도의 수용액은 약 1.7 정도임

비열이 작아 흡수율이 좋음

수용액이 가지는 증기분압이 낮아 흡습성이 우수함.

원소 주기율표에서 리튬은 나트륨과 비슷하고 브롬은 염소와 동족의 원소이다.

즉, 유기염류의 공통된 성질로서 금속에 대하여 큰 부식성을 가지며, 공기의 혼입에 의해 격렬하게 부식이 진행된다.

따라서 특수한 부식억제제가 첨가한다.

또한 LiBr 수용액에서 물이 증발하고 포화점 이상으로 농도가 높아지고 용액온도가 저하되면, 결정이 발생하기 때문에 농도 범위에 주의를 해야한다.

LiBr(리튬브로마이드, lithium bromide) 접기

흡수식 냉온수기용 냉매의 특성

압축식 히트펌프는 할로겐 화합물 냉매(CFC/HCFC/HFC/HFO)나 탄화수소 냉매를 사용하는데

흡수식 냉온수기는 물을 냉매로 하는 경우가 많다.

H2O/LiBr(물/리튬브로마이드) : 냉매(Refrigerant) - H2O, 용액(solution) - LiBr

우리가 주로 생활하는 대기압에서는 물은 100 ℃에서 증발하지만,

위 그림에서 보는 것과 같이, 압력이 낮아져 진공상태가 되면 물은 더 낮은 온도에서 증발한다.

예를 들어, 절대압력이 6~7 mmHg 정도로 낮아지면, 물은 약 5℃에서 증발하게 된다.

다시 말해, 대기압보다 엄청 낮은 압력(절대압력 6.5 mmHg) 용기에서는 낮은 온도(5℃)에서도 냉매(물)가 증발한다. 냉매가 증발하면, 주변의 열을 흡수하게 되면서 냉각효과를 얻을 수 있다. 냉동기에서 냉동효과를 나타내는 곳이 증발기이다.

흡수식 냉온수기의 구성 요소

(1) 증발기

흡수식 냉온수기의 구성요소는 크게 증발기, 흡수기, 응축기, 재생기가 있다.

흡수식 냉온수기의 원리를 이해하기 위해서 증발기의 증발작용부터 시작한다.

냉매가 물이라는 점을 다시 생각하자. 냉매(물)이 열을 획득하여 기화하게 하는 곳이 증발기이다.

따라서 냉매(물)이 열을 획득하기 위해서는 전열관과 열교환을 해야한다.

전열관(그림에서 검은색 점)에 노즐로 뿌려진 냉매(물)이 열교환을 하게 된다.

증발을 잘 일으키기 위해서

1. 냉매를 노즐을 통과하게 하여 전열관에 뿌린다

그 이유는 냉매의 표면적을 높여 기화를 잘 일으킬 수 있게 만들기 위함이다.

2. 증발기 내부 압력을 낮춘다

압력이 낮아지면 끓는점이 낮아져 쉽게 기화한다.

따라서 증발기를 진공상태(6~7 mmHg)로 만들어 냉매 온도가 5도 정도에서 비등 증발을 일으킴

(2) 흡수기

증발기에서 계속 기화가 일어나면 내부압력을 높아지고 압력차에 의해

냉매증기(수증기)가 자연스럽게 흡수기로 이동하게 된다.

(+)가 있으면 (-)가 있듯

증발기에서 기화된 냉매증기(수증기)는 흡수기의 리튬브로마이드 수용액에 흡수된다.

따라서 증발압력 및 온도는 일정하게 유지가 된다.

흡수제가 냉매증기를 흡수할 때 열이 발생하게 된다.

냉매증기를 흡수할 때 발생하는 흡수열은 흡수기내의 전열관을 통하여 흐르는 냉각수를 데운다.

흡수제(리튬브로마이드)가 수증기를 흡수하여 묽은 용액(리튬브로마이드 수용액)이 만들어지고

이는 용액펌프에 의해 고ㆍ저온 재생기로 보내진다.

(3) 재생기

흡수작용이 계속 일어나면 수증기를 흡수할 수록 흡수제의 농도가 묽어지게 되고,

점점 흡수작용을 계속 할 수 없게 된다.

따라서 묽어진 흡수제의 농도를 다시 높여줘야 한다.

그 방법을 재생이라고 한다.

재생을 하기 위해서는

묽은 용액(리튬브로마이드 수용액)을 고온재생기와 저온재생기로 펌프를 이용해 보낸다.

그림으로 살펴보면 회색으로 표시된 것이 흡수기에서 온 묽은 용액이다.

흡수제의 농도를 높이기 위해 다시 냉매와 흡수제를 분리를 해야 한다.

흡수제와 냉매가 혼합되어 있는 묽은 용액을 가열하게 되면

흡수제와 냉매의 끓는점 차이에 의해 분리할 수 있다.

끓는점이 낮은 냉매(물)는 증기상태로 빨리 상변화하여 날아가고

끓는점이 높은 흡수제(리튬브로마이드)는 액상태로 농축된다.

(4) 응축기

저온재생기에서 발생한 냉매증기(수증기)는 응축기로 간다.

냉각수에 의해 냉매증기(수증기)는 응축이 되어 냉매액(물)로 모이게 된다.

이렇게 응축된 냉매는 다시 증발기로 보내져 증발하게 되면서

사이클이 완성이 된다.

냉각수 입장에서 보면

흡수기에서 흡수열을 획득하여 온도가 올라가고

냉매증기를 응축하면서 열을 획득하여 온도가 상승할 것이다.

흡수식 냉온수기 냉난방운전

[각주:1]

흡수식 냉온수기의 실내기(열교환기)의 위치를 파악을 하자.

실내기는 증발기에 연결되어 있어 있다.

[각주:2]

[각주:3]

증발기에서 물이 증발을 하며 증발잠열로 Chiller Water를 생산한다.

난방운전조건에서는

고온재생기와 저온재생기의 발생한 고온의 냉매증기(수증기)를 응축을 시키면서 난방을 한다.

[각주:4]

위 두 사진을 보면서 다른점을 발견했는지 모르겠다.

바로 재생기가 고온과 저온 재생기로 두개가 있지만

다른 그림은 하나의 재생기만 가지고 있다.

출처: https://happy8earth.tistory.com/235 [행복한 지구 사람 [행복지구]]