공조냉동기계기사(5)

냉동의 정의

 일정한 공간에 있는 물질로부터 열을 빼앗아 온도를 떨어뜨리거나 동결상태로 유지하는 조작을 냉동이라고 한다. 유사한 용어로써 냉각, 냉장, 동결이 있는데 냉각이란 어떤 물질의 온도를 빙점 온도 이전까지 떨어뜨리는 것을 말하며, 냉장이란 식품 등을 동결되지 않을 정도의 저온에서 저장하는 것을 말하며, 동결이란 물질을 빙점 이하로 얼리는 것을 말한다.

 

냉동의 원리

 냉동을 얻는 방법은 자연 냉동법과 기계적 냉동법이 있다.

 먼저, 자연냉동법은 융해열을 이용한 냉동법과 승화열을 이용한 냉동법, 증발열을 이용한 냉동법, 기한제를 사용하는 방법, 기계적 냉동법이 있다. 융해열을 이용한 냉동법은 얼음이 녹을 때 주위로부터 열을 빼앗는 현상을 이용하는 냉동법이며, 승화열을 이용한 냉동법은 고체가 기체로 승화할 때 주위로부터 열을 흡수하는 현상을 이용하는 냉동법이다. 증발열을 이용한 냉동법은 물이 증발하면서 주위로부터 열을 흡수하는 현상을 이용하는 냉동법이다. 기한제를 사용하는 방법은 얼음을 가늘게 깨뜨려서 그 속에 소금을 첨가해 주면 농도에 따라 -18도씨 ~ -20도씨의 저온에서 녹는 빙점강하가 발생한다. 이와 같이 두 종류의 물질을 혼합하면 단독으로 사용할 때 보다 더 낮은 온도를 얻을 수 있는 것이 있는데 이러한 혼합물을 기한제 또는 혼합 냉각제라고 한다. 마지막으로 기계적 냉동법은 자연적인 냉동법은 물질이 갖는 증발, 융해, 승화의 잠열을 이용하는데 비해 기계적인 냉동법은 전력, 증기, 연료 등의 에너지를 사용하여 냉동을 연속적으로 행하는 방법을 말한다.

 

증기 압축식 냉동기

 오늘날 가장 널리 사용되고 있는 방식으로 액체가 증발에 필요한 열을 피냉각 물체에서 흡수하여 냉동 목적을 달성하는 것으로 암모니아, 프레온 냉매를 사용하고 있다. 이것은 증발, 압축, 응축, 팽창을 연속적으로 하여 작용을 하는 사이클을 말한다.

 먼저, 압축과정은 증발기에서 증발된 기체 냉매를 압축기로 압축하면 분자 간의 거리가 가깝게 되고 압축기에서 하는 일이 열로 변해 기체 냉매에 가하여지게 되어 압력과 온도가 동시에 상승하게 된다. 즉, 고온고압의 기체 냉매를 만드는 역할로서 냉동기에서 실제 동력이 소비되는 기기이다. 분자 간의 거리가 가까워지면 응축기에서 조금만 열을 빼앗아도 쉽게 응축 액화가 가능하다.

 응축 과정에서는 압축기에서 토출 된 고온, 고압의 기체 냉매를 상온 하의 물이나 공기로 열 교환시켜 응축 액화시키는 과정으로서 잠열 상태에서의 열변화이므로 온도와 압력은 변화가 없다. 공기에 의해 열교환시켜 응축되는 것을 공랭식 응축기, 물에 의해 응축되는 것을 수냉식 응축기라 한다.

 팽창 과정에서는 응축기에서 응축된 액체 냉매를 증발기에서 증발하기 쉽도록 저온, 저압의 액체 냉매로 만드는 역할로서 압력과 온도가 동시에 강하되는 기기이다.

 증발 과정은 저온, 저압의 냉매액이 피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 저온, 저압의 기체 냉매로 변화하는 과정으로 냉동의 목적을 직접적으로 달성하는 기기이다. 잠열 과정이므로 열을 흡수할 때도 온도와 압력의 변화는 없다.

 

흡수식 냉동기

 기계적 일은 사용하지 않고 고온도의 열을 직접 적용시켜 냉동하는 것으로 서로 잘 용해하는 두 가지 물질을 사용한다. 즉, 저온상태에서는 두 물질이 강하게 용해하지만, 고온에서는 두 물질이 분리되어 그중의 한 물질이 냉매의 작용을 하여 냉동을 하는 것이다. 이때에 열을 운반하는 물질을 냉매라 하고 이 가스를 용해하는 물질을 흡수제라 한다. 냉매 암모니아의 흡수제는 물이다. 그리고 냉매 물의 흡수제는 LiBr이다.