흡수식 냉동기(Absorption Chiller)의 원리

리뷰어  조회: 7,987회 24-06-17 22:41

흡수식 냉동기 소개

흡수식 냉동기의 역할 및 기능 소개

흡수식 냉동기는 열원(Heat Source)의 열을 이용하여 냉매의 증발을 유발하고, 이를 통해 냉각 효과를 얻는 공압과열 냉동기의 한 종류입니다. 이러한 냉동기는 열 원리를 기반으로 작동하며, 기본적으로 냉매의 상태 변화를 활용하여 냉각을 실현하는 역할을 합니다.

흡수식 냉동기의 주요 역할과 기능은 다음과 같습니다:

1. 냉각: 흡수식 냉동기의 주요 역할 중 하나는 공간이나 물체를 냉각하는 것입니다. 열원으로부터 공급받은 열을 이용하여 냉매를 증발시키고 이로써 주변 온도를 낮출 수 있습니다.

2. 열 효율성 향상: 흡수식 냉동기는 압축식 냉동기와 비교하여 열 효율성이 뛰어나며, 특히 고온의 열원에서 냉각을 실현하는 데 효과적입니다. 이로써 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어, 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.

3. 환경 친화성: 흡수식 냉동기는 환경 친화적인 냉매와 함께 사용할 수 있어, 오존층 파괴 및 온실 가스 배출에 대한 부정적인 영향을 줄일 수 있습니다. 이는 지구 환경 보호에 긍정적인 영향을 미칩니다.

4. 전력 소모 감소: 전력 소모가 낮은 특성 때문에, 흡수식 냉동기는 전력 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다. 특히 전력 요금이 높은 지역에서 효과적으로 사용됩니다.

역사적 배경과 활용 분야 소개

역사적 배경

흡수식 냉동기의 역사는 오래되었으며, 초기에는 열원으로 화목류나 석탄 등을 사용했습니다. 그러나 19세기 말과 20세기 초에 발전된 실리카젤 등의 냉매 및 흡수제 기술의 발전으로 흡수식 냉동기가 현대적으로 발전하게 되었습니다. 이러한 기술 발전은 냉동 및 냉난방 분야에서 혁신적인 변화를 일으켰으며, 에너지 효율성과 환경 친화성을 높여주었습니다.

활용 분야

흡수식 냉동기는 다양한 산업 및 응용 분야에서 사용되며, 그 중 일부는 다음과 같습니다:

1. 건물 냉난방: 흡수식 냉동기는 주택, 상업용 건물, 공공 시설 등에서 냉난방 시스템으로 널리 사용됩니다. 전기를 사용하는 압축식 냉동기에 비해 전력 소모가 낮고 에너지 효율적이라는 장점이 있습니다.

2. 산업 공정 냉각: 산업 분야에서 공정 냉각에 활용됩니다. 흡수식 냉동기는 고온 열원에서 열을 회수하여 냉각 작업에 사용됩니다.

3. 태양열 냉각 시스템: 태양열을 열원으로 활용하여 흡수식 냉동기를 작동시키는 태양열 냉각 시스템이 개발되어 환경 친화적인 냉각 솔루션으로 사용됩니다.

4. 병원 및 연구 시설: 예민한 환경을 필요로 하는 곳에서 고려됩니다. 특히 소음 및 진동이 최소한으로 필요한 응용 분야에서 효과적으로 사용됩니다.

기본 구성 요소

흡수식 냉동기의 작동과정을 이해하려면 그 주요 구성 요소에 대한 이해가 필수적입니다. 이러한 구성 요소들이 함께 작용하여 냉동기의 원리를 실현합니다. 아래에서는 흡수식 냉동기의 주요 구성 요소와 그 역할을 상세히 설명하겠습니다.

1. 증발기 (Evaporator)

역할 및 기능

• 증발기는 흡수식 냉동기의 첫 번째 핵심 구성 요소입니다.

• 증발기에서는 냉매가 열원에서 공급되어 낮은 압력 환경에서 증발합니다.

• 이 과정에서 냉매는 주변 열을 흡수하여 증발 열을 생성하고, 주변 환경을 냉각합니다.

• 이로써, 증발기는 냉각 작업을 시작하고 냉매를 증발 상태로 변환시키는 역할을 합니다.

2. 흡수기 (Absorber)

역할 및 기능

• 흡수기는 증발기에서 증발된 냉매를 흡수하여 냉매와 흡수제 사이의 혼합물을 생성합니다.

• 이 과정에서 냉매의 압력이 상승하고, 열원에서 제공된 열에너지를 활용하여 흡수 작업이 진행됩니다.

• 흡수기는 냉매와 흡수제 간의 상호 작용을 통해 열원에서 받은 열에너지를 냉매의 압력 상승으로 변환하여 발생기로 전달합니다.

3. 발생기 (Generator)

역할 및 기능

• 발생기는 흡수식 냉동기에서 가장 중요한 역할을 하는 구성 요소 중 하나입니다.

• 흡수기에서 흡수된 냉매와 흡수제 혼합물을 받아 열원에서 열을 제공하여 냉매를 분리시키고 순수한 냉매로 변환합니다.

• 이 과정에서 열원에서 제공되는 열에너지를 이용하여 냉매를 증발 상태로 되돌리고, 흡수작업을 반복할 수 있게 합니다.

4. 이송기 (Solution Pump)

역할 및 기능

• 이송기는 흡수식 냉동기에서 냉매와 흡수제를 이송하는 역할을 합니다.

• 발생기에서 분리된 순수한 냉매와 흡수제 혼합물을 증발기로 이송하여 냉동기의 순환을 유지합니다.

• 이송기는 정확한 압력 및 유량을 제어하여 냉동기의 안정적인 작동을 보장합니다.

냉매 사이클

흡수식 냉동기의 작동 원리를 이해하기 위해서는 냉매 사이클의 과정을 순서대로 알아야 합니다. 흡수식 냉동기의 냉매 사이클은 증발, 흡수, 발생, 이송 단계로 구성됩니다. 이러한 단계를 차례로 설명하겠습니다.

1. 증발 단계 (Evaporation)

• 냉매 사이클은 증발 단계에서 시작됩니다.

• 증발기에서는 냉매가 낮은 압력 환경에서 열원(Heat Source)에서 공급받은 열에너지로 증발합니다.

• 이 과정에서 냉매는 주변 열을 흡수하면서 증발 열을 생성합니다.

• 증발 열로 인해 주변 온도가 낮아지고, 냉동기가 냉각 작업을 시작합니다.

2. 흡수 단계 (Absorption)

• 증발 단계를 거친 후, 증발된 냉매는 흡수기로 이동합니다.

• 흡수기에서는 냉매와 흡수제(Solution)가 혼합됩니다.

• 열원에서 제공된 열에너지를 이용하여 냉매의 압력이 상승하고, 흡수 작업이 진행됩니다.

• 이 과정에서 냉매는 흡수제로부터 흡수됩니다. 흡수 작업을 통해 냉매와 흡수제 간의 상호작용이 일어나고, 열에너지가 이동합니다.

3. 발생 단계 (Generation)

• 흡수 단계를 거친 후, 혼합물은 발생기로 이동합니다.

• 발생기는 흡수된 냉매와 흡수제를 받아 열원에서 제공되는 열에너지로 분리합니다.

• 열원에서 열을 받은 냉매는 증발 상태로 돌아가고, 순수한 냉매로 분리됩니다.

• 이로써, 냉매는 다시 증발기로 향하게 되며, 냉매 사이클이 반복됩니다.

4. 이송 단계 (Transfer)

• 발생 단계를 거친 후, 분리된 순수한 냉매는 이송기(Transfer Pump)를 통해 증발기로 이송됩니다.

• 이송기는 정확한 압력과 유량을 제어하여 냉매의 순환을 유지합니다.

• 이렇게 냉매는 다시 증발기로 이동하여 다시 증발 단계로 들어가게 되며, 냉매 사이클이 반복됩니다.

작동 원리

흡수식 냉동기의 작동 원리는 열 원리를 기반으로 합니다. 이때 열원(Heat Source)은 흡수식 냉동기가 열에너지를 얻는 곳으로, 작동 원리를 이해하는 핵심 요소 중 하나입니다. 아래에서는 열원을 이용한 흡수식 냉동기의 작동 원리를 설명하겠습니다.

열 원리의 적용

1. 열원 선택: 흡수식 냉동기의 작동을 위해서는 열원이 필요합니다. 열원은 고온 열에너지를 제공하는 원천으로, 다양한 형태로 사용될 수 있습니다. 일반적으로 증기, 온수, 전기, 태양열 등이 열원으로 활용됩니다.

2. 열원의 열 에너지 공급: 열원에서는 고온 열 에너지가 흡수식 냉동기에 공급됩니다. 이 열 에너지는 열원의 종류에 따라 다를 수 있으며, 열원에서 제공되는 열 에너지는 흡수식 냉동기의 작동을 시작하는 데 필수적입니다.

열에너지를 활용한 냉매 순환

흡수식 냉동기는 열 원리를 이용하여 열 에너지를 활용하여 냉매 순환을 유발합니다. 아래는 이 과정을 순서대로 설명합니다.

1. 증발 단계 (Evaporation):

• 열원에서 받은 열 에너지를 이용하여 냉매를 증발시킵니다. 증발 단계에서 냉매는 낮은 압력 환경에서 주변 열을 흡수하면서 증발 열을 생성합니다.

1. 흡수 단계 (Absorption):

• 증발된 냉매는 흡수기로 이동하고, 흡수제와 혼합됩니다. 흡수제는 냉매를 흡수하며, 이 과정에서 열원에서 제공된 열 에너지를 이용하여 냉매의 압력이 상승합니다.

1. 발생 단계 (Generation):

• 흡수된 냉매와 흡수제 혼합물은 발생기로 이동합니다. 발생기에서는 열원에서 제공되는 열 에너지를 이용하여 냉매를 분리하고, 순수한 냉매로 변환됩니다.

1. 이송 단계 (Transfer):

• 발생 단계를 거친 순수한 냉매는 이송기(Transfer Pump)를 통해 다시 증발기로 이송됩니다. 이송기는 냉매의 순환을 제어하며, 냉매 사이클을 유지합니다.

냉매와 흡수제

흡수식 냉동기는 냉매와 흡수제라는 두 가지 주요 물질을 사용하여 작동합니다. 이들 물질은 흡수식 냉동기의 성능과 효율성에 영향을 미치는 중요한 역할을 합니다. 아래에서는 냉매와 흡수제에 대한 소개와 이들의 특성에 따른 선택 기준을 설명하겠습니다.

1. 냉매 (Refrigerant)

소개

• 냉매는 흡수식 냉동기 내에서 열 원리를 통해 증발하고 응축되는 물질로, 열을 전달하는 역할을 합니다.

• 냉매는 일반적으로 냉동기 시스템 내에서 순환됩니다.

특성

• 증발 특성: 냉매는 낮은 온도에서 증발하고 열을 흡수합니다. 이 과정에서 주변 환경을 냉각합니다.

• 상온 상태: 냉매는 상온에서 액체 또는 기체 상태일 수 있으며, 작동 온도와 압력에 따라 변화합니다.

• 열전달 특성: 냉매는 열 전달 특성을 가지며, 냉동기 내에서 열 에너지를 효과적으로 전달합니다.

선택 기준

• 열전달 특성: 냉매의 열전달 능력은 흡수식 냉동기의 효율성에 중요한 영향을 미칩니다. 열전달 특성이 우수한 냉매를 선택해야 합니다.

• 환경 친화성: 환경 보호를 고려하여 친환경 냉매를 선택하는 것이 중요합니다. 오존 파괴 물질과 온실 가스의 배출을 최소화하는 친환경 냉매를 선호합니다.

• 비용: 냉매의 가격과 가용성도 고려해야 합니다. 비용 효율적인 냉매를 선택하는 것이 경제적입니다.

2. 흡수제 (Absorbent)

소개

• 흡수제는 냉매를 흡수하고, 열원에서 제공된 열에너지를 이용하여 냉매와 흡수제 간의 상호작용을 통해 열 에너지를 전달합니다.

• 흡수제는 일반적으로 액체 상태이며, 냉매를 흡수한 냉매/흡수제 혼합물을 생성합니다.

특성

• 흡수 특성: 흡수제는 냉매를 흡수하는 능력이 있어야 합니다. 냉매와 흡수제 간의 화학적 상호작용이 이루어집니다.

• 열전달 특성: 흡수제는 열원에서 제공되는 열에너지를 흡수하여 냉매와 흡수제의 상호작용을 촉진합니다.

• 안정성: 흡수제는 안정성을 유지하면서 냉매와의 화학 반응을 조절해야 합니다.

선택 기준

• 흡수 특성: 흡수식 냉동기의 성능에 영향을 미치는 중요한 특성입니다. 냉매와 흡수제 간의 화학적 상호작용을 고려하여 흡수제를 선택합니다.

• 열전달 특성: 흡수제의 열전달 능력은 냉동기의 효율성에 영향을 미칩니다. 효과적인 열전달 능력을 가진 흡수제를 선택하는 것이 중요합니다.

• 안정성: 흡수제는 안정성을 유지하고 냉매와의 화학 반응을 제어해야 합니다. 이로써 냉매 순환 과정이 안정적으로 진행됩니다.

흡수식 냉동기의 장점과 한계

흡수식 냉동기는 특정 상황에서 매우 유용한 냉각 시스템입니다. 그러나 그것은 모든 상황에 적합하지 않을 수 있으며, 장점과 한계가 있습니다. 아래에서는 흡수식 냉동기의 장점과 한계를 설명하겠습니다.

장점과 혜택

1. 환경 친화적

• 낮은 온실 가스 배출: 흡수식 냉동기는 일반적으로 낮은 온실 가스 배출을 가지고 있어 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 친환경 냉매와 흡수제의 사용으로 환경 보호가 강조됩니다.

2. 저전력 소비

• 열 에너지 활용: 흡수식 냉동기는 열원에서 공급되는 열 에너지를 활용하여 작동하기 때문에 전력 소비가 상대적으로 낮습니다. 특히, 재생 에너지 소스를 사용하면 더욱 저전력 소비가 가능합니다.

3. 신뢰성과 유지보수 용이성

• 기계 부품의 부재: 흡수식 냉동기는 압축기와 같은 기계 부품이 없기 때문에 기계적 고장 가능성이 낮아 신뢰성이 높습니다.

• 유지보수 용이성: 유지보수 및 수리가 비교적 간단하며, 오랜 시간 동안 작동할 수 있습니다.

4. 특정 응용 분야에 적합

• 제한된 전력 공급: 전력 공급이 제한적인 지역이나 태양열 또는 지열과 같은 재생 에너지 소스를 사용해야 하는 상황에서 특히 유용합니다.

• 고온 열원 활용: 고온 열원이 사용 가능한 환경에서 효율적으로 작동합니다.

한계와 제약 사항

1. 낮은 냉동능력

• 냉동능력 제한: 흡수식 냉동기는 대용량 냉각 작업에는 적합하지 않을 수 있으며, 작은 냉동 용량을 가집니다. 따라서 대규모 냉각 시스템에는 부적합할 수 있습니다.

2. 높은 초기 투자 비용

• 설치 및 유지 비용: 초기 투자 비용 및 설치 비용이 높을 수 있으며, 친환경 냉매와 흡수제의 비용도 고려해야 합니다.

3. 온도 제한

• 온도 범위 제한: 흡수식 냉동기는 특정 온도 범위 내에서만 효과적으로 작동합니다. 너무 높거나 낮은 온도에서는 성능이 저하될 수 있습니다.

4. 크기와 무게

• 대용량 시스템 크기와 무게: 대용량 시스템의 경우 크기와 무게가 증가하며, 설치 및 운영이 복잡해질 수 있습니다.

5. 열원 필요

• 열원 의존: 흡수식 냉동기는 열원이 필요하므로, 열원이 부족한 상황에서는 작동이 어려울 수 있습니다.

흡수식 냉동기와 압축식 냉동기 비교 분석

흡수식 냉동기와 압축식 냉동기는 냉각 시스템으로서 각각 고유한 특징과 장단점을 가지고 있습니다. 이 두 냉동 시스템을 성능, 에너지 효율성, 환경적 영향 등의 측면에서 비교 분석하겠습니다.

1. 성능

흡수식 냉동기

• 냉동능력: 작은 규모의 냉동능력을 가지며, 주로 저온에서 사용됩니다.

• 온도 범위: 일반적으로 특정 온도 범위에서만 효과적으로 작동합니다.

• 대용량 시스템: 대규모 냉동 작업에는 부적합할 수 있습니다.

압축식 냉동기

• 냉동능력: 다양한 규모의 냉동능력을 가지며, 저온 및 고온 응용에 적합합니다.

• 온도 범위: 다양한 온도 범위에서 효과적으로 작동할 수 있습니다.

• 대용량 시스템: 대용량 냉동 시스템으로 확장 가능합니다.

2. 에너지 효율성

흡수식 냉동기

• 저전력 소비: 열원을 이용하여 작동하며, 전력 소비가 비교적 낮습니다.

• 재생 에너지: 재생 열원(태양열, 지열 등)을 사용하면 더욱 에너지 효율성을 높일 수 있습니다.

압축식 냉동기

• 전력 소비: 일반적으로 전기나 기계 작동을 기반으로 하며, 일반적으로 흡수식 냉동기보다 전력을 더 많이 소비합니다.

• 효율성 개선: 최신 기술과 제어 시스템을 사용하면 일부 환경에 친화적인 압축식 냉동기도 높은 에너지 효율성을 달성할 수 있습니다.

3. 환경적 영향

흡수식 냉동기

• 낮은 온실 가스 배출: 친환경 냉매와 흡수제를 사용하여 온실 가스 배출을 최소화합니다.

• 환경 친화성: 일반적으로 환경 친화적인 옵션으로 간주됩니다.

압축식 냉동기

• 온실 가스 배출: 일반적으로 냉매로 인한 온실 가스 배출이 높을 수 있으며, 온실 가스 감소를 위해 친환경 냉매로 대체하는 추세입니다.

• 노이즈와 진동: 일부 압축식 냉동기는 소음과 진동을 발생시킬 수 있습니다.

4. 용도와 선택 기준

흡수식 냉동기

• 저전력 소비, 친환경성, 재생 열원 활용이 중요한 경우에 적합합니다.

• 대용량 냉동 작업보다는 소규모 냉각 작업에 더 적합합니다.

압축식 냉동기

• 다양한 냉동능력과 온도 범위가 필요한 경우에 적합합니다.

• 대용량 냉동 작업 및 다양한 응용 분야에 적합합니다.