설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System)  – 냉동기의 이해        

By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사


의문 : 냉동기의 터보는 , 혹은 흡수식은 ? 가스식 냉온수기는? 단효용(1중효용)은?  2중효용? 중온수 흡수식은? 저압 증기 이용한 흡수식은? 이게 다 뭔지를 알아야 할지, 몰라도 되는지, 알면 현업에 관계가 조금이라도 있는지?  

1) 압축식 냉동기   - 우선 가장 대표적인 멤버인 압축식 냉동기가 먼저 설명이 될 필요가 있을 듯 합니다. 지난 시간에서 잠시 얘기가 있었지만 , 냉매란 놈은 자동차 에어컨에도 있어 여름철이 되면 교환하 려고도 합니다. 이 냉매의 성격이 압축(뭔가의 힘으로 밀폐공간안에서 고압상태를 만들어 줌. 피스톤 으로 압축하는 왕복동식/ 스크류(나사)로 압축하는 스크류식/ turbo 팬 같은 것으로 압축하는 터보식 등)이 되면 액화가 됩니다. 증기의 경우, 응축수의 경우도 고압상태에서는 액체상태이지만 저압상태가 되면 재증발(refres)가 되어 기체화 되지요. 물론 증기는 물(H20)이니까 일반적인 대기압 상태기준을 적용하면 100C 에서 증발(기체)하지만 이 냉매란 놈은 대기압 상태, 상온(냉매의 종류에 따라 온도 차이가 있음)에서도 쉽게 증발을 한다는 성질이, 매우 쉽게 증발시에 주위에서 열을 뺏을 수 있다는 것입니다. 즉 증발을 하려면 열이 공급되어야 하는데 주위에서 얻는다는 이야기 입니다. 달리 표현하 면 증발을 한다는 얘기는 증발열이 필요하다는 이야기이고 ,이것은 냉각을 필요로 하는 것으로부터 (보통 일반 HVAC 에서는 물에서 열을 뺏어 옵니다 즉 물이 차게 된다는 이야기) 열을 뺏아서 자기는 기체가 되어 버린다는 이야기 입니다. 이후 이 냉매를 버리고 새 냉매로 계속 진행하려면 냉매가격이 장난이 아니죠. 재활용 할려면 다시 액체로 만들어야 쓸수 있지요. 기체를 압축하여 액체로 만들어 다시 쓸려고 압축을 합니다. 조금전에 말씀드린 압축기로… 근데 압축한다는 얘기는 냉매의 온도와 압력을 상승시키는 역할을 합니다. 즉 고온고압이면 냉매가 액체는 액체이되 쉽게 증발하기란 용이하 지 않지요 . 이것들이 다시 냉매로서의 역할을 할수 있는 상태로 만들기 위해서 냉각탑에서 공급되는 냉각수로 식혀줍니다.(응축이라는 용어사용). 또 저압상태로 만들기 위해서 팽창(팽창밸브 적용)을 하 게되면 처음 냉매의 상태로 복원되어 재 활용 하는것입니다.  이것이 냉동기 안에서 반복적으로 순환 (CYCLE,증발-압축-응축-팽창)을 이루면, 냉동기에 공급된 물은 찬물(약 7도 , 경우에 따라서는 부동액 을 넣어서 빙점이하의 물로- 빙축열 시스템용,혹은 저온 냉동기로 5 도 의 물로)이 계속 나오는 것이고 , 압축을 하기 위한 구동원인 전기가 공급될 필요가 있다는 이야기 입니다. 국내에서 많은 사용은 없지만, 엔진(자동차 엔진처럼) 구동으로 압축을 낼 수 있는 것도 있습니다. 이는 가스,경유등을 연료 로 사용할 수도 있습니다.즉 이름하야 엔진 구동 냉동기로 명명된 경우입니다. 하지만 국내의 압축식 냉동기는 거의 대부분 전기 구동인 것이라 판단하여도 대세에는 지장이 없을 듯 합니다.    너무 간단한 것이 장황하게 설명된 듯합니다만 냉동원리상의 이론은 거의 대부분의 압축식의 경우에 상기 언급과 대동 소이합니다. 아직 개인별 업무 영역과의 연관성은 아직까지 별로 보이질 않습니다. 만 설비 엔지니어에게 기본적으로 알아 두면 좋은 기술입니다. 계속 진행해 보겠습니다.

2) 흡수식 냉동기 - 압축을 하지 않고 냉매를 증발시켜 기체화 하면서 또 응축을 시켜서 액체화 할수 있다면 나름대로 주위에서 열을 뺏을수도 있고 냉각효과도 발휘할수 있습니다. 그러면 물을 가지고 증발을 시킨다면 대기압 상태에서는 100 도 이상에서만 가능한일이죠. 근데 높은 산위에서 밥을 지어 먹으면 압력이 낮 아서 100도 이하에서 물이 끓어 설익은 밥이 되기 쉽습니다.돌맹이를 위에 올려놓아서 압력에 대한 보강을 합니다만 ..  즉 저압상태(진공)로 가까워 질수록 물의 증발이 쉽다는 이야기 입니다. 그러면 의도적으로 진공상태로 만들어서 물을 증발시켜 열을 뺏을수 있다면 이 또한 냉수를 생산해 낼 수 있는 것이죠. 말하자면 이것이 바로 흡수식 냉동기의 기본 원리입니다. 이때 보통 그 진공상태가 6.5mmHg(대기압은? 760mmHg=1bar)정도 입니다. 그러면 물의 끓는 온도는 몇 도 일까요??? 약 5 도 입니다. 우리가 필요로 하는 냉수의 온도7 도을 얻을수 있을정도의 차가운 상태에서 끓어 버리는 물이 탄생한 것입니다. 이경우 진공을 유지하기위한 노력이 냉동기 제작사에서는 필요한 것이죠. 혹 시 들어 보셨는지요? 진공온수 보일러라고 ..상기 냉동기보다는 진공상태가 많이 떨어지지만 (즉 대기 압에 가깝다는 이야기) 흡수식이 저압에서 물의 증발을 유도한 것처럼 진공온수 보일러도 저압상태에 서 물을 증발하기 직전 상태까지로 만든 온수를 이용하여 급탕,난방용으로 사용하는 장치입니다.이놈 이 요즘 설계사에서 많이 하는 장비중의 하나입니다. 어찌되었던 진공에 대한 고민을 함께 가지고 있 는 제품입니다.그러면 일반 압축식 냉동기의 냉매는 프레온/암모니아등의 특수 유체이지만 흡수식의 경우는 바로 ‘물’ 입니다. 이 물이 흡수식 냉동기 안에서 증발하였다가 이 증발한 물을 흡수(여기서 나온 이름입니다 흡수식이라는 명칭이)하여 다시 물로 만들어 (열을 가해서) 재활용,재순환을 반복 합 니다.(RECIRCULATION). 그냥 넘어 가버린 흡수에 대한 것을 이야기 하겠습니다. 조금전에 증발한 물 을 강력한 흡수제(취화 리튬,리튬 브로마이드(LiBr), 소금과 비슷한 성격을 가지고 있으나 더 강력한 흡습 기능이 있음. 김1회용봉투 안에 있는 실리카겔도 흡습 성격, 제습기등의 데시칸트등) 을 사용하 여 이 증발한 물을 흡수하고, 다시 이 물을 잔뜩 먹은 리튬브로마이드 수용액(물먹은 하마입니다. 물 을 잔뜩 함유하고 있는 액성 스펀지라고 할까요?)에서 열을 가하여(재생과정,여기서 증기가 사용되거 나, 가스로 만든 열원, 혹은 지역난방 중온수등이 이용됩니다) 물을 분리해서 ,혹은 리튬브로마이드를 물에서 분리해서 또다시 물을 흡수하라고 돌려보내지요. 데워진 이 물은 냉각탑에서 내려오는 냉각수 를 이용해 간접 열교환으로 차게 만든 다음(응축과정) 다시 처음 상태로 보냅니다. 즉 다시 냉매로서 의 기능을 갖도록 합니다. 이러한 반복 [증발-흡수-재생-응축] 이 냉동기의 내부에서 계속 되어 집니 다.여기서 발견한 것이 흡수식의 경우 증기(온열원)가 공급되어 진다는 것입니다. 그것의 역할은 재생 기의 열원이 된다는 것입니다. 리튬 브로마이드 수용액에서 물을 분리해내는 역할에 열을 공급한다는 이야기 입니다. 온열원이 왜 냉수를 만드는 데 들어가지 라는 의문을 가진 초보자들이 많았습니다.

- 지금까지는 단효용(1 중효용)흡수식 냉동기 이야기 였습니다. 이것은 저압증기(0.5~1 kg/cm2)로 가능한 장치였읍니다만 2 중효용은 고압증기를 사용해야만 합니다. 왜냐하면 재생기가 2 개가 있습니다.저온재 생기 및 고온 재생기라고 이름은 가지고 있읍니다만 1 차로 리튬브로마이드 흡수액을 물과 리튬브로마 이드를 분리해내고, 이 분리된 물은(기화상태) 증기에 의해 열을 많이 가지고 있어, 저온 재생기에 공급 해서 흡수액(리튬 브로마이드 수용액-농축상태)을 다시한번 물과 리튬브로마이드의 분리에 재 활용한다 는 것입니다. 그러면 단효용 냉동기보다 공급된 열원에 비해 냉동기의 효율이 더 좋아집니다(COP즉 성 적계수의 향상). 대부분의 HVAC 분야는 2중효용 냉동기라고 보시면 됩니다.우리가 많이들 이야기 하는 가스 직화식도 2 중효용입니다. 단지 공급되는 열원이 증기가 아니고 가스를 연소시켜 여름철 냉방을 하고 겨울철은 온수 보일러와 같은 역할을 한다는 것입니다. 그리고 중온수(지역난방 공급수)을 사용하 여 열원을 적용하는 경우는 단효용(1중 효용)으로 볼수 있겠으나 ,공급 중온수 온도가 180도 정도 되면 2중효용도 가능할 수 있습니다.

3) 하절기 유휴 증기의 단효용 흡수식의 적용가능성은  - 공장에서 겨울철 증기사용량에 비해서 여름철은 감소할 경우 냉방용으로 흡수식 냉동기와 계절별 증기 사용량의 추정으로 설계사에서는 장비를 합리적으로 선정하여 증기 활용도를 극대화 하려고 합니다. 근 데 설계당시부터 검토된 시스템 말고 현재 생산공장의 성격상 증기의 재증발에 의한 저압증기가 냉동 기를 가동할 정도로 안정적인 확보 가능하다면, 즉 재증발에 대한 시스템상의 장치 구성과 냉동기 운전 상 시간과의 조율이 잘 될 수 있다면 매우 합리적인 스팀 재활용 및 냉방비 감소 역할을 할수 있다고 판단 되어 집니다. 공장의 스팀에 대한 정확한 판단이 가능하여야 하고 전체적 냉방 부하량에 대한 부 하계산 판단이 필요하며, 이와 같은 엔지니어링을 통하여 증기 재활용 냉동기 이용이 가능 합니다.또한 예비 시스템(BACKUP SYSTEM,재증발 증기량의 감소에 대비한 냉방용 증기 공급확보)  도 구축할 필요 도 있다는 것입니다. 관련 이론적인 상세사항 및 향후 실무 적용시 연관된 많은 현장 내용의 이해 노력이 필요합니다만, 충 분히 활용가능한 기술이라 판단됩니다.