1. 흡수식 냉동기

[8차 : 흡수식 및 빙축열시스템]

- 흡수식 냉동기 : 물이나 암모니아와 같은 자연냉매를 사용하고, 가스나 배열, 태양열 등으로 구동하기 때문에 하나의 공조시스템 - 축열시스템 : 열원장치에서 열을 일시적으로 축열장치에 저장하였다가 공급하는 장치

1. 흡수식 냉동기

- 1860년 F. Carre에 의해 암모니아/물을 사용한 흡수식 냉동기로 특허를 받음 암모니아를 냉매로 물을 흡수제로 사용한 암모니아 흡수냉동기

- 현재 실용화하고 있는 작동유체 : 물/리튬브로마이드( ),

[1] 흡수식 냉동기와 에너지 환경문제

- 전기 및 가스사업설비의 효율성, 석유대체 에너지로서 흡수식 냉동기가 냉난방겸용으로 활용하면서 에너지수급문제를 해결 하고 있다.

- 흡수식 냉동기는 물이나 암모니아와 같은 자연냉매를 사용하고, 가스나 배열, 태양열 등 으로 구동되기 때문에 시대에 맞는 공조시스템이라 할 수 있다.

[2] 저압의 원리

- 물의 증발온도 : 표준상태에서 100℃(1기압, 101.3kPa) 증발온도는 압력에 따라 다르다.

(10kPa에서 46℃, 1kPa에서 6.5℃)

- 낮은 압력에서 물이 증발할 때 주위에서 기화열을 빼앗 고 열을 빼앗기는 쪽으로 냉각된다. 보통, 냉방용에 사 용되는 7℃의 냉수는 거의 0.01기압(1kPa)으로 유지되 는 증발기에서 만들어진다.

[그림 8-2] 압력과 온도의 관계 (냉매/흡수제) (냉매/흡수제)

* LiBr : Li8%+Br 92%, 빙점 549℃, 비등점 1265℃

(흡수제)

* 암모니아 : 빙점 -77.7℃, 비등점 -33.3℃

(냉매)

* 높은 산은 대기압이 낮으므로 물 100℃이하에서 증발원리 이용 증발곡선

[3]

증기압축사이클과 흡수냉동사이클의 관계

- 증기압축식은 증기상태를 압축하기 때문에 압축기 동력이 필요하다.

- 흡수식은 냉매증기를 흡수제인 액체에 흡수시키고, 액체를 고압으로 압축하는 시스템을 대체할 수 있고, 고압상태에서 냉매 증기를 발생시키기 위해 보일러와 같은 발생기를 설치하여 외부의 열을 받아 냉매를 증기로 변하게 한다.

일명, 열구동사이클이다.

압축기 대신에 발생기, 흡수기, 펌프를 설치하여 냉매-흡수제의 혼합용액이 이 장치를 순환한다. 냉매는 응축기, 팽창밸브, 증발기로 흐르고, 발생기에서 열이 고압의 용액으로 전달되면, 냉매증기는 용액에서 분리시켜 응축기, 그 반대과정은 흡수기 에서 발생한다.

[그림 8-4] 압축식 냉동기와 흡수식 냉동기의 비교

저압의 냉매증기를 흡수

수용액을 펌프로 압축

외부 열원의 발생기에서 증기는 냉동기로, 액은 흡수기로 보냄

[4]

흡수제와 냉매

(1)

- 암모니아를 냉매로, 물을 흡수제로 조합한 작동유체

- 일반적으로 물을 담은 탱크 속에 암모니아를 공급하면, 상온 에서는 암모니아는 물에 용해 하기 쉬우므로, 암모니아는 물 에 흡수되어, 수중의 암모니아 농도는 증가한다. 용해할 때 열 을 방출하므로 용해온도도 높아진다. 이 때 가열하면 암모니 아가스가 방출하고, 냉각하면 암모니아액이 얻어진다. 암모 니아액을 증발시킴으로 냉동작용을 한다.

- 재생기에서 발생한 암모니아증기는 응축기에서 액냉매가 되 고, 증발기에서 증발한 냉매증기는 흡수기로 이동한다.

한편 재생기에서 농도가 낮아진 수용액은 감압기(팽창밸브) 에서 저압이 되어 흡수기로 들어가 냉매증기를 흡수한다.

이 냉매는 유독하며, 가연성이 있다.

- 냉매의 순도가 낮아지면 냉동능력이 떨어지므로, 정류기를 사 용한다.

* 열역학적 과정

* 열역학적 과정

그림(a)은 물질 B의 농도에 대한 액상에서의 2-유체 혼합물을 가지고 있는 피스톤-실린더장치이다. 이 피스톤은 일정한 질량 과 마찰이 없기 때문에 혼합물의 압력은 일정하다.

그림(c)에서 열이 전달되면 1점(혼합물의 초기상태)→2점으로 되어 증기가 발생 그림(b) 와 같이 피스톤 밑에 모인다.

온도가 정지하면 증기와 액체의 농도(x)가 결정된다.

액체의 상태는 3점에 있고, 증기의 상태는 4점에 있기 때문에 물질 B의 증기에서의 농도 는 액체의 농도 보다 훨씬 크다.

혼합물을 계속 가열하면 상태 5점의 액체는 모두 증발하여 의 농도가 된다. 더욱 더 가열하면 상태 6점이 된다.

(2)

물을 냉매로, 리튬브로마이드를 흡수제로 조합한 작동유체

* 수용액(흡수액): 소금물과 유사하며 농도가 진하고 온도가 낮을수록 냉매증기를 잘 흡수한다.

냉매증기를 흡수한 수용액은 흡수반응열에 의한 온도상승과 농도가 묶어짐에 따라 흡수능력이 저하되는데 이 때 가열기 로 가열하면 용액 중의 물이 증발하여 수증기로 되고, 나머지 용액은 짙게 된다. 발생한 수증기는 응축기로 들어가서 냉각수에 의해 응축액화되어 하부에 고인다. 또 재생기에서 짙게 된 농용액은 흡수기로 다시 되돌아가 흡수작용

(증기와 액체를 분리)

2유체혼합물(과냉액) (습증기)

(1) 1단 흡수냉동사이클 [5]

흡수사이클

- 열교환기, 정류기 등이 없는 간단한 흡수냉동기를 생각하면, 의 용액은 흡수기→순환펌프→발 생기→교축밸브→

흡수기의 경로와, 발생기 →응축기→팽창밸브→증발기→흡수 기→ 순환펌프→발생기의 경로로 구별된다.

후자의 용액이 냉매가 많은 용액이며, 이 것이 냉동효과를 나타 낸다.

① 용액순환비 :

(참고문제1) : 정류기가 없는 경우

단순흡수냉동기의 증발압력이 2bar, 응축압력이 10bar이며, 냉동능력은 0℃

에서 30냉동톤이다. 이 흡수냉동기의 발생기 가열용량 (kW), 흡수기 냉각용량 (kW), 응축기 냉각용량 (kW) 및 성적계수를 구하라. 단 팽창밸브입구에서의 냉매액의 온도 및 흡수기 출구의 진한용액의 온도는 20℃이며, 발생기의 가열온도는 120℃이다

[풀이]

(2) 1단 흡수냉동사이클

시스템의 해석을 위해 먼저 주어진 온도 등에 의해 필요한 농도를 먼저 듀링(Dühring) 선도에서 구하고, 주어진 엔탈피-농도선도를 이용하여 해석한다.

1) 듀링선도

수용액의 농도, 온도 및 수증기분압에 관계를 나타낸다. LiBr수용액에서 많이 이용한다.

‣ 6→1 : 물(냉매)의 증발압력(등압변화), 3→4 : 응축압력하에서의 등압변화 ‣ 1 : 흡수기의 용액출구온도, 4 : 발생기의 용액출구온도

‣ : 흡수기 출구의 희용액 농도, : 발생기 출구의 농용액 농도

(흡수사이클 과정)

- 6→1 : 흡수기에서의 흡수작용, - 1→2 : 재생기에서 돌아오는 고온 농용액과 열교환에 의한 희용액의 온도상승 - 2→3 : 재생기(발생기) 내에서 비등점에 이르기까지의 가열, - 3→4 : 재생기 내에서 용액 농축

- 4→5 : 흡수기에서의 저온 희용액과 열교환에 의한 농용액의 온도강하 - 5→6 : 흡수기에서 외부로부터의 냉각(교축밸브)에 의한 농용액의 온도강하 ☞ 참고 : 암모니아-물의 시스템에서는 냉매의 농도가 높은 경우를 농용액이라 하고,

LiBr의 시스템에서는 냉매인 물의 농도가 크면 희용액이라하고, 그 반대를 농용액이라 함.

[그림 8-3] 흡수식 냉동기의 기본 흐름 [그림 8-6] 듀링선도상의 단효용 사이클 P

* LiBr(취화리튬) : Li8%+Br 92%, 빙점 549℃, 비등점 1265℃

(흡수제)

(펌프와 열교환기)

t

2) 엔탈피-농도(h-x) 선도

가로축 농도, 세로축을 엔탈피로 하여 등온, 등압선 등을 나타낸 선도

3) 단호용 흡수냉동사이클

간접 가열방식인 증기나 태양열, 배출온수, 배출증기, 배기가스 등을 이용

가열온도는 75℃가 넘어야 하며, 18∼5840kW(5∼1660 USRT) 범위, COP는 0.7정도임

(구성 설명)

증발기(10)→흡수기(1, 저압증기는 LiBr[흡수제]에 의해 흡수되면서 희용액이 되면서 열을 발생)→펌프(1&2, 저압에서 고압으로)→발생기(3&4, 희용액인 냉매인 물을 증발, 과열증기)→응축 기(7&8과열증기를 냉각하여 액냉매)→

팽창밸브(8&9, 고압에서 저압→증발기(9&10, 주위열을 빼앗아 냉동효과) - SHE(용액열교환기, 남은 농용액은 교축밸브를 거쳐 흡수기로 보내 다시 펌프로) * 발생기와 흡수기 사이에 용액열교환기(SHE)를 설치하여 성능향상

* 포화액(점 1,4,8), 포화증기(점 10), 과냉각액체(점 2,3,5), 과열증기(점 7), 2상의 기액상태(점6, 9)

[그림 8-5] 리튬브로마이드 수용액의 듀링선도

* 교점 : 용액온도 80℃, 압력 40kPa

냉매온도 70 ℃, 농도 x?

(참고문제2) 다음 조건을 가진 단호용 냉동기가 1냉동톤(3320 kcal/h)의 냉동능력 을 갖기 위한 각 부의 열량을 계산하 라. 발생기의 공급열원에는 80℃의 폐기가스열을 사용하며, 용액출구온도는 74℃이다. 냉각수에는 25℃의 물을 사용 하며, 응축온도는 30℃(압 력 )이다. 증발온도는 5℃( )이고, 흡수기 출구용액온도는 28℃, 흡수기압력 는 보다 약간 낮게 로 한다.

[풀이] 각 상태점을 듀링(Dühring)선도와 h-x선도상에 표시하여 각 점의 상태량을 구한다.

점 압력(mmHg) 온도(℃) x, 농도(%) (kcal/kg) 1

3 4 5 6

6.0 31.8 31.8 31.8 6.54

28 56.5

74 46 44.2

51.2 51.2 60.4 60.4 60.4

57.0 65.8 75.6 65.2 65.2

(3) 이중호용(double effect) 흡수냉동기

성능계수를 향상시키기 위해 발생기를 2개 설치하여 제1발생기(고온재생기)에서 발생한 고온냉매증기를 제2발생기(저온 재생기)의 가열에 사용하는 방식 (성능계수 약 50%증가, 증기소비율 40% 감소, 배기열량 약 30% 감소)

[그림 8-10] 이중효용 직렬사이클의 기본흐름

12 : 희용액을 펌프로 단열압축 23 : 저+고온열교환기에서 가열 34 : 고온재생기입구까지 가열 45 : 고온재생기에서 등압가열 56 : 등압냉각

67 : 저온재생기에서 등압가열 78 : 저온열교환기에서 냉각 89 : 흡수기전까지 냉각

91 : 리튬브로마이드수용액으로 흡수기에서 냉각

고온재생기

저온재생기 고온

열교환기

저온 열교환기

응축기

흡수기

[그림 8-12] 듀링선도상의 이중효용사이클