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냉동
냉동(冷凍, refrigeration)은 물체나 기체 등에서 열을 빼앗아 주위보다 낮은 온도로 만드는 일이다. 따라서 냉동을 하는데에는 특별한 장치를 필요로 하며, 그것을 냉동기라 부른다.
제빙, 식품냉장, 공기조화, 화학공업용 등에 행하여진다. 냉동방식으로는 액체의 증발과 응축, 압축기체의 단열팽창(斷熱膨脹), 기체의 탈착(脫着), 펠티에효과의 이용 등이 있다. 대체로 액체는 증발할 때 주위에서 증발열을 빼앗으므로 그만큼 온도가 내려간다. 이것을 효과적으로 하기 위해 냉매를 사용하여 압축 ·액화하는 증기압축식 ·증기분사식이 있다. 또 기계적 압축 대신 열원(熱源)을 이용해서 열적(熱的) 압축을 하는 흡수식도 있다.
기체를 단열적으로 급팽창시킬 때 저온이 되는 현상을 이용해서 압축기체를 사용하는 기체냉동, 활성탄 등 다공성(多孔性) 물질이 고압 ·저온 상태에서 흡착한 다량의 가스를 탈착하는 과정에서 생기는 저온을 이용하는 냉동방식, 펠티에효과를 이용하는 전자냉동 등이 행하여진다.
개요
냉동은 물체나 어떤 장소로부터 열을 빼앗아 그 온도를 대기 온도보다 낮은 온도로 유지하는 것을 칭한다. 냉각이나 냉장 등의 용어와 혼동하는 경우가 많은데 냉각은 주위의 온도보다 높은 온도의 물체를 주위 온도만큼 낮추는 것이며, 냉장은 식품을 저장하기 위해 온도를 낮추는 것을 의미한다.
업계에서는 냉장과 냉동을 합쳐서 그냥 냉동이라고 부르기도 하며 여기에 냉난방과 같은 에어컨디셔닝까지 포함한 개념으로 공조(空調, HVAC)가 있다. 의학과 생물학 등을 포함한 현대의 생명관련 산업과 식품 산업의 발전이 냉동기술의 발전 덕분이라는 말이 과언이 아닐 정도로 냉동은 현대 산업에서 아주 중요한 기계공업 분야이다.
냉동의 분류
- 냉각(Cooling) : 상온보다 낮은 온도로 열을 제거
- 냉장(Sorage) : 식품류 등을 얼지 않을 정도로 차갑게 보관
- 냉방(Air Conditioning) : 실내의 온습도를 냉각 및 조절하는 행이.
- 동결(Freezing) : 냉각작용에 의해 물질을 응고점 이하까지 열을 제거하여 고체상태로 만드는 것.
- 제빙 : 얼음의 생산을 목적으로 물을 얼리는 행위
방법
상당히 많은 방법이 사용되고 있다. 크게 잠열같은 물리현상을 이용하는 방법과 기계적인 일이나 열에너지로 실행하는 방법이 있는데 전자를 자연냉동 (natural refrigeration), 후자를 기계냉동(mechanical refrigeration)이라고 칭한다.
자연냉동
융해열이나 승화열등의 현상을 이용하는데 우리가 흔히 볼 수 있는 얼음을 이용해 냉동하는 방법이 여기에 속한다. 그외에도 얼음에 비해서 냉동능력이 크고 더 저온을 얻을 수 있는 드라이아이스도 식품의 동결이나, 화학촉진냉장제에 쓰이곤 한다.
액체질소나 스프레이형 분사기를 이용하는 방법이 있다.
- 융해잠열을 이용하는 방법 (얼음의 융해잠열)
- 증발잠열을 이용하는 방법 (물의 증발잠열)
- 승화잠열을 이용하는 방법 (드라이아이스)
- 기한제를 이용하는 방법 (얼음과 식염/ 얼음과 염화칼슘)
기계냉동
공업이나 상업에서 많이 사용하는 냉동법으로 에너지를 소비해서 지속적인 냉동을 할 수 있도록 하는 방법이다.
아무래도 공학적인 측면이 자연냉동보다 강하다 보니 다양한 방법이 나오고 있으며 그중 가장 많이 쓰이는게 증기압축냉동법(vapour refrigeration)으로, 흔히 냉매(refrigerant)를 사용해서 냉동을 행하는 방법이다.
간혹 닭가슴살이나 냉동과일 등의 냉동 식품에 IQF(Individual Quick Frozen)라고 쓰여 있는 것을 볼 수 있는데, 원재료를 개별적으로 분리해서 급속동결했다는 뜻이다. 분리하지 않고 얼리면 떼어낼 때 식품 손상이 발생할 수 있는데 IQF는 이를 막을 수 있어서 신선도가 늘어난다는 장점이 있다.
암모니아 냉동법
특정한 목적으로 대상물을 냉동시켜야 하는 경우가 냉동법을 적용한 경우이며 이러한 냉동법에는 암모니아 냉동법이 있으며 암모니아 냉동법(ammonia冷凍法)은 암모니아가 증발할 때 주위의 열을 많이 빼앗는 성질을 이용한 냉동법이다.
냉동 기본 사이클
- 1)압축기(기체 냉매를 액체로 압축)
- 2)응축기(압축기에서 온 기체와 액체가 섞인 냉매를 공냉식 또는 수냉식으로 식혀 액체로 응축, (고압측))
- 3)팽창변 (응축기에서 온 고온/고압 냉매를 교축작용에 의해 저온/저압냉매로)
- 4)증발기(액체 냉매가 기체로 상이 바뀌면서 증발 잠열로 냉동 효과를 일으킴, 저압측))
냉동 기본사이클을 한마디로 쉽게 얘기하자면 압축기 => 응축기 => 팽창밸브 => 증발기
압축기(컴프레서)에서 압축된 냉매가스가 응축기를 지나면서 액화되고, 액화된 냉매가 팽창변을 지나, 증발기에서 액체가 기체로 바뀌면서 "증발잠열"을 이용하여 냉동효과를 일으키는 것이다.
냉동의 원리
1) 현열과 잠열이란?
- 현열: 섭씨 0도의 물 -> 섭씨 100도의 물, 온도계의 숫자로 측정되는 열
- 잠열: 섭씨 0도의 얼음-> 섭씨 0도의 물, 섭씨 100도의 물-> 섭씨100도의 수증기, 온도계 변화없이 상태변화에만 쓰이는 열
2) 증발잠열
- 팔에 물을 묻히면 그 물이 증발하면서 팔이 시원해진다. 물이 증발하면서 증발 잠열로 주위에 열을 흡수하면서 수증기로 증발하는 현상
3) 냉동기본사이클
- 압축 => 응축 => 팽창 => 증발
위의 4가지 사이클을 반복하면서 냉동의 과정이 이루어 진다. (예외: 냉온수기의 냉방사이클은 틀린다.)
아래 그림 참조.
참고자료
- 〈냉동〉, 《나무위키》
- 〈냉동〉, 《두산백과》
- 〈냉동〉, 《위키백과》
- 도하냉동산업, 〈냉동 기초- 냉동 사이클 원리 및 냉동 장비의 구성〉, 《네이버 블로그》, 2023-04-19
- UberSleep, 〈공조냉동기계의 냉동 원리에 대한 기초〉, 《티스토리》, 2020-10-31
같이 보기
