1) 냉매의 특성
압축식 냉동기는 냉매로서 주로 프레온냉매를 사용하고 있으나, 흡수식 냉동기는 이 프레온을 쓰지 않고 냉매로써 물을 사용하고 있습니다. 물은 우리들이 생활하고 있는 대기압 중에서 100℃로 가열하면 비등 증발합니다.
그러나, 그림 1.에서 보는 바와 같이 지배되는 압력상태에 따라서 증발온도가 변화하고, 대기압보다 압력이 낮은 상태(진공상태)에서는 증발온도가 100℃보다 낮아집니다.
흡수식 냉동기에서는 내부공기를 외부로 배제시켜 직접 냉수를 만들어 내는 증발기를 6～7mmHg 정도의 진공상태로 유지하여 냉매인 물을 약 5℃ 정도에서 비등증발시킵니다.
2) 증발기의 증발작용
그림 2.와 같이 냉매(물)를 넣고 밀폐된 용기의 내부에 전열관을 설치하여 냉수를 흐르게 하고, 용기 내부를 6.5mmHg의 진공으로 유지하면 냉매는 5℃에서 증발하게 되는데요.
그 증발열에 의해 전열관 내부의 냉수는 냉각되어지고 바로 이것을 냉방열원으로 사용하게 되는 것입니다. 이때 증발효과를 향상시키기 위해 증발기 하부의 냉매액을 냉매펌프로 압송하여 증발기 상부에서 노즐을 이용하여 전열관 상부로 분사시킵니다.
3) 흡수기의 흡수작용
증발기에서 증발이 계속되면 수증기 분압이 점점 높아져 증발온도도 상승하게 되고 적정 냉방용량을 얻을 수 없게 되는데요.
그러나, 그림 3.과 같이 LiBr 수용액을 넣은 용기(흡수기)를 증발기와 연결하면 증발된 냉매가 LiBr 수용액에 흡수되어 증발압력 및 온도는 일정하게 유지되게 됩니다.
이로써 냉매증기를 흡수할 때 발생하는 흡수열을 제거하기 위해 흡수기 내에 전열관을 설치하여 냉각수를 흐르게 됩니다.
4) 재생기 재생작용
흡수작용을 계속하면 LiBr 수용액은 점점 묽게 되어 흡수작용을 계속할 수 없으므로 그림 4.와 같이 농축한다.
흡수기의 묽은 용액을 용액순환펌프로 압송하여 재생기로 보내 버너나 스팀, 온수 등의 외부 열원으로 가열하여 농축한다.
이렇게 농축된 농용액은 열교환기를 거쳐 다시 흡수기로 보내져 흡수작용을 계속하게 된다.
5) 응축기의 응축작용
재생기에서 증발한 냉매증기는 그림 5.와 같이 응축기로 보내지고, 응축기 전열관 내부로 흐르는 냉각수에 의해 완전히 냉각․응축된다.
응축된 냉매액은 U자 트랩이나 오리피스를 통과하여 감압된 후 증발기로 돌아가게 되고, 증발기로 돌아온 냉매액은 다시 증발하여 냉동작용을 계속하게 된다.
6) 사이클 구성
두 개의 밀폐용기에 한쪽(증발기)에는 냉매로 물을 넣고, 다른 한쪽(흡수기)에는 흡수용액으로 리튬브로마이드(LiBr) 수용액을 넣은 후, 두 용기내에 있는 불응축가스를 진공펌프로 뽑아내면 증발기내의 물은 증발하기 시작하고 흡수기내의 LiBr 수용액은 냉매증기를 흡수하기 시작합니다.
불응축가스가 존재하지 않는 상태에서 내부압력이 6.5mmHg인 경우, 용기내의 물은 약 5℃ 정도의 포화온도를 가지며 증발합니다. 이러한 물의 증발과 LiBr 수용액의 흡수작용을 효과적으로 하기 위해 외부에 냉수․냉각수관을 설치한다.
증발기 전열관 내의 냉수는 증발기내의 압력이 6.5mmHg(포화온도 5℃ 정도)일 때 약 7℃까지 냉각됩니다.
또 흡수기 전열관의 냉각수는 흡수액이 냉매증기를 흡수할 때 발생한 열(흡수열)을 외부로 제거하여 흡수용액을 40℃정도로 유지한다.
이와 같이 냉각수로 흡수용액을 냉각시키지 않으면 용액의 온도가 상승하여 흡수능력이 떨어지게 됩니다.
흡수기내에서 냉매증기를 흡수하여 농도가 저하된 흡수용액은 재생기로 보내지고, 여기서 가스나 증기, 온수 등의 열원으로 가열되어 냉매가 분리된다.
냉매를 분리하여 농축된 흡수용액은 다시 흡수기로 들어가고, 재생기에서 나온 냉매증기는 응축기로 보내어져 냉각수에 의해 냉각․응축됩니다.
40℃정도(약 55mmHg)의 냉매액은 다시 증발기로 보내어지고, 냉매 펌프에 의해 분사된 냉매액은 증발기의 낮은 압력(약 6～7mmHg) 때문에 증발하고 흡수기내의 LiBr 수용액에 흡수됩니다.
이때 증발기 전열관내로 흐르는 물은 증발기내 냉매의 증발로 인해 증발잠열만큼의 열을 빼앗기기 때문에 냉각되어 냉수로 만들어진다.
재생기와 흡수기 사이에 용액열교환기를 설치하여 재생기로 보내어지는 저온의 희용액과 흡수기로 보내지는 고온의 농용액을 열교환시킨다.
이처럼 용액열교환기는 재생기에서의 가열량과 흡수기에서의 냉각열량을 대폭 절감하여 열효율을 개선하는 역할을 합니다.
이와 같이 용액열교환기를 거쳐 흡수기로 들어온 농용액이 증발기에서의 냉매증기를 흡수하여 희용액이 된 후 다시 재생기로 들어가서 가열․농축하는 과정을 연속적으로 되풀이 함으로써 냉방사이클이 연속적으로 수행되게 되는것입니다.
이상으로 흡수식 냉동기가 어떤 원리로 작동하는지 알아봤습니다.