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2024년 8월 19일 (월) 12:03 기준 최신판
냉동기계는 음식물 등을 신선하게 냉장‧냉동 보관하고, 실내를 쾌적하게 유지하기 위해 냉방하며, 의약품을 안전하게 저장하는 등 다양한 용도로 사용되는 기계를 말한다.
기본 개념[편집]
냉동이론에서 첫 번째로 이해해야 할 것은 단연코 열이다. 이것은 에너지의 형태이며, 이동시킬 수 있다는 것이다. 예를 들어서 물 한 잔에서 충분한 열을 제거하면 물은 얼음으로 얼게 된다. 그 열이 다시 얼음으로 가해주면 얼음은 녹는다.
열에는 열역학 법칙이 있다. 이 법칙 중 하나는 열이 많은 곳에서 적은 곳으로 이동한다는 것이다. 다시 말하자면, 열은 높은 강도의 위치에서 낮은 강도의 위치로 이동한다는 것이다. 이것은 마치 자석의 N극이 다른 자석의 S극에 끌리는 것처럼 자연스럽고 필연적으로 발생한다. 따라서 이 이론의 장점을 이용하기 위해 공조 및 냉동 장비는 주위 공기로부터 열을 흡수하는 ‘열 스펀지’ 역할을 하는 차가운 영역을 만들도록 설계된다. 그런 다음 열은 안전하고 효율적으로 방출될 수 있는 장소로 이동된다.
냉동이론에서 두 번째로 중요한 점은 왜 증발기와 응축기를 사용하는지에 대한 것이다. 물이나 냉매와 같은 액체가 끓기 시작할 만큼 충분한 열을 흡수하면, 추가된 열에너지가 액체 분자의 진동을 가속해 서로 더 멀리 이동하게 만든다. 액체 분자가 특정 거리까지 떨어지면 액체는 증기로 변한다. 이를 소위 끓음, 증발 또는 기화라고 한다.
액체는 증기로 상태가 변할 때 강한 수준의 열을 흡수한다. 공조 및 냉동장비는 증발기에서 냉매가 지속적으로 기화해 열을 흡수하도록 설계됐다. 따라서 증발기는 '열 스펀지' 영역이며, 그 내부에서 기화하는 냉매는 열을 흡수한다.
증기가 식어 충분한 열에너지를 방출하면, 그 분자는 느려지고 서로 더 가까워져서 증기는 다시 액체로 변하게 된다. 이를 응축이라 하며, 이 또한 상(Phase)변화이다. 응축이 되려면, 증기는 기화할 때 흡수한 것과 동일한 강도의 열을 방출해야 한다.
공조 및 냉동은 냉매가 응축기에서 냉각되고 응축되도록 한다. 이를 다른 측면으로 생각해 보면, 증발기 또는 '열 스펀지' 영역에서 냉매가 흡수한 열이 응축기에서 냉매로부터 짜내진다고 할 수 있다. 냉매는 증발기에서 열을 흡수하고 응축기에서 열을 방출하며, 이 사이클을 계속 반복한다는 것이 기본 이론이다.
냉동원리[편집]
① 냉동이란 물체나 일정한 장소로부터 열을 얻거나 제거하여 주위의 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 장치이다.
② 냉동장치에서는 보통 증발하기 쉬운 액체를 증발시켜 그 잠열을 이용하는 방법이 사용되는데, 이 잠열을 이용하는 것이 효과적이어야 할 뿐만 아니라,연속적으로 운전되어야만 냉동기로서의 역할이 성립된다.
③ 정치 내를 흐르는 냉동의 매체가 되는 것을 냉매라고 부르며, 그 냉매를 운반하는 방법에 따라 압축식과 흡수식으로 구분하고 있다.
냉동 방법[편집]
① 자연냉동법 (융해열 이용법) : 얼음이 녹으면서 주위의 열을 빼앗는다. ② 자연냉동법 (승화열 이용법) : 드라이아이스가 승화하면서 주위의 열을 빼앗는다. ③ 자연냉동법 (증발열 이용법) : 액화질소가 증발하면서 주위의 열을 빼앗는다. ④ 기계냉동법 (흡수식) : 냉매의 증발을 유도하여 냉동한다. ⑤ 기계냉동법 (공기압축식) : 고압상태 공기가 저압상태로 단열팽창할 때 주위열을 흡수하여 냉동한다. ⑥ 기계냉동법 (증기분사식) : 고압증기를 빠른 속도로 분출하여 증기의 액체를 증발시켜 냉동한다. ⑦ 기계냉동법 (증기압축식) : 증발가스를 압축하여 냉동한다. ⑧ 기계냉동법 (전자냉동식) : 서로 다른 금속체를 이용하여 열을 흡수, 방출하여 냉동한다.
냉동 사이클 흐름[편집]
압축기(Compressor) → 응축기(Condensor) → 수액기(Receiver) → 필터드라이어(Fillter Drier) →사이트그라스(Sight Glass) → 열교환기(Heat Exchanger) → 팽창밸브 → 증발기(Evaporator) → 열교환기(Heat Exchanger) → 액분리기(Accumulator) → 압축기(Compressor)
간단한 냉동 사이클은 ①압축 ②응축 ③팽창 ④증발의 네 가지 주요 과정으로 구성된다. 이러한 과정은 각각 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기에서 작용한다. [아래 그림]는 이러한 과정들을 포함한 냉동 사이클의 개념을 보여주며, 이는 p-h 선도로도 표현될 수 있다.
①압축: 기본 냉동 사이클은 1-지점에서 시작된다. 여기서 압축기는 흡입관을 통해 과열된 냉매 증기를 흡입하고 압축을 시작한다. 압축된 증기의 압력, 온도 및 에너지는 급격히 증가한다. 반면에 비체적은 상당히 감소한다. 압축은 2-지점에서 끝나며, 이는 압축기를 나가는 증기의 매개변수를 결정한다. 이 시점에서 냉매 증기의 온도와 에너지는 사이클 전체에서 가장 높은 값을 가진다.
②응축: 2와 3-지점 사이의 거리는 이 과열된 고압 증기가 냉각되어 응축이 시작되는 지점까지의 과정을 나타낸다. 이 과정에서 에너지와 비체적이 약간 감소한다. 3-지점에서는 증기가 더 이상 과열되지 않고 100% 포화 상태가 된다 (x=1). 실제 응축과정은 3과 4-지점 사이에서 발생한다. 이는 포화 증기가 점차 포화 액체로 변하는 상변화 과정이다. 이 과정에서 많은 에너지가 열의 형태로 방출되며, 이를 제거해야 한다. 응축은 일정한 압력과 온도 조건에서 발생하며, 4-지점에서 냉매의 품질(x)이 0이 되는 지점에서 끝난다 (x=0).
③팽창: 실제로는 액체 냉매를 약간 과냉각 시키는 것이 권장된다. 과냉각 과정은 4에서 5-지점까지 진행되며, 이는 액체 냉매가 팽창밸브에 들어갈 수 있도록 한다. 과냉각을 통해 특정 냉각 용량을 증가시킬 수 있다 (그림에서 6과 7-지점 사이의 구간). 팽창밸브는 냉매의 압력을 낮추는 데 사용된다. 냉매는 과냉각된 액체 상태로 들어가 (5-지점) 액체-증기 혼합물로 6-지점에서 나온다. 이 혼합물의 품질은 0과 1 사이의 값을 갖는다 (0 <x <1). 팽창과정은 등엔탈피 과정으로 취급되며, 냉매의 에너지(엔탈피, kJ/kg)는 일정하게 유지된다.
④증발: 6에서 7-지점까지의 선은 일정한 온도와 압력에서의 증발과정을 보여준다. 냉각된 매체로부터의 열부하는 증발기 열 교환 표면을 통해 냉매로 전달된다. 따라서 냉매의 에너지는 크게 증가한다. 액체-증기 혼합물의 모든 액체 단계가 증발하면 7-지점에 도달하여 포화된 냉매 증기가 된다 (x=1).
마지막으로, 포화된 냉매 증기는 흡입관을 통해 흐른다. 이 구간에서 냉매의 과열을 제어하여 압축기로 들어가는 냉매에 액체가 포함되지 않도록 한다. 전체 사이클은 과열된 냉매의 비체적이 가장 크고 압축과정이 다시 시작되는 1-지점에서 끝난다.
냉동 구성장치[편집]
- 압축기(Compressor) : 증발기에서 증발한 저온·저압의 기체냉매를 흡입, 압축 온도를 상승시켜 상온의 응축기에서 쉽게 액화할 수 있도록 한다.
- 압력계 : 고·저압 압력계가 있으며 고압 측 압력계는 보통 1~30kg/㎠ 눈금까지 표시되며 저압 측 압력계는 30inHg.v. ~ 8kg/㎠까지 표시된다.
- 응축기(Condenser) : 공냉식으로 냉동장치의 압축기에서 토출된 고온, 고압가스의 냉매가스 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축 액화시키는 일을 한다.
- 수액기 : 응축기에서 응축 액화된 고온·고압의 액체냉매를 일시저장 및 액체냉매만을 일정하게 흐르게 하는 역할을 한다.
- 서비스밸브
- 1. 완전히 잠금 상태(우측으로 돌림) - 수액기 출구측이 막히고 냉매 회수 측으로 액체냉매가 흐름
- 2. 완전히 푼 상태(좌측으로 돌림) - 냉매 회수측이 막힘
- 3. 중간상태 - 수액기 출구 및 냉매 회수 측 둘 다 열리게 된다.
- 필터 드라이어(Filter Drier) : 냉매계통 중에 수분과 이물질제거(수분 존재시면 냉동 장치에 여러 가지 악영향을 미치게 되므로 이를 제거하기 위해 팽창밸브와 수액기사이의 액 배관에 설치
- 사이트 글라스(Sight glass) : 냉동장치의 액 배관 중 응축기(수액기)쪽에 설치되어 적정 냉매량이 충전되었는지 여부와 냉매의 건조 상태를 색상의 변화로 확인한다.
- 전자밸브 :
- 1. 전원투입에 의하여 전자밸브가 열리거나 닫힌다.
- 2. 사용처 : 펌프다운 시, 핫 가스 제상 시, 주배관용 전자밸브
- 팽창밸브 : 고온, 고압의 액체냉매를 증발기에서 증발되기 쉽도록 저온·저압의 액체냉매로 단열팽창 시킨다.
- 증발기(Evaporator) : 냉동장치의 팽창밸브에서 도입된 저온·저압의 액체냉매가 증발잠열을 흡수 냉각작용을 하여 냉동목적을 직접 달성하는 열교환기이다.
- 열교환기 : 응축기에서 흐르는 고온·고압의 액체냉매와 증발기에서 증발된 저온·저압의 기체냉매가 서로 열 교환하여 팽창밸브직전의 냉매를 과냉각시켜 냉동능력 향상, 액 압축 예방
- 액 분리기 : 증발기에서 증발되지 않은 일부 냉매 액을 액 분리기 하부에 고이게 함으로써 압축기에 액이 유입되는 것을 방지(액 압축 방지)
- 냉매회수장치 : 냉동장치의 운전을 장시간 정지 시 냉매를 수액기로 모아서 저장시키거나 빈 용기에 회수시킬 수 있다. 이 때, 냉매용기 압력이하의 잔 가스는 이송되지 않는다.
- 스톱밸브 : 장치의 냉매 흐름방향 전환과 냉매 흐름배관의 개·폐에 필요하다.
- 냉매충전리플 : 냉동장치의 고·저압 배관에 부착하여 냉동장치의 기밀시험·진공시험·냉매충전 및 냉매이송 시에 매니폴드게이지를 연결하여 사용
참고자료[편집]
- 조진균 교수, 〈<알기 쉬운 기계설비⑱> 냉동설비(기초)1〉, 《기계설비신문》, 2024-06-10
- 은준남, 〈냉동설비 장치 구성 및 역할〉, 《네이버 블로그》, 2021-12-06
- 부동산연구소, 〈냉동설비-냉동원리, 냉동방법〉, 《네이버 블로그》, 2020-12-09
같이보기[편집]
