냉동의 방법
냉동의 방법에는 기계냉동법과 자연냉동법으로 분류할 수 있다.
(1) 기계냉동법
기계냉동법의 종류에는 증기압축식이 가장 많고, 다음이 공조용으로 주로 사용되는 흡수식이며, 일부 특수분야에서 공기냉동기(항공기), 증기분사식 냉동기, 전자식 냉동기 등이 사용되고 있다.
1) 증기압축식 냉동기
① 현재 설치되어 있는 냉동장치 중 가장 많은 부분을 차지하는 방식으로,
② 냉매를 팽창밸브나 모세관(capillary tube)과 같은 유로가 좁은 부분을 통하게 하여 단열팽창시키면 온도가 강하한다는 Joule-Thomson효과 이용한 냉동법이다.
③ 냉동장치의 구성은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 기타 부속기기(수액기 등)들로 구성되며,
④ 작동매체(냉매)는 암모니아, 프레온(freon)계 냉매가 주로 사용된다.
2) 흡수식 냉동법(absorption refrigeration)
① 흡수식 냉동기는 구동열원으로 전기(電氣)가 아닌 가스 등을 열원을 사용함으로, 현재 우리나라에서 문제가 되고 있는 여름철 전기수요의 피크(peak)를 해결할 수 있는 냉동법으로,
② 증기압축식은 압축기를 사용하여 가스를 압축하는데 비해, 흡수식은 흡수기(absorber)에서 흡수제의 화학작용으로 냉매증기를 흡수하고, 발생기(generator)에서 가열, 분리하여 처리하는 것이 다르다.(흡수기+발생기=압축기 역할을 하며, 증발기와 응축기는 증기압축식과 마찬가지로 가지고 있음)
③ 즉, 흡수식은 기계적인 일 대신에 열에너지를 이용하는 것으로 가열원으로서는 LNG, LPG, 기름 및 폐열 등을 이용할 수 있으나 효율이 낮다.
④ 그러나 폐열을 이용할 수 있다는 큰 장점이 있어 고온의 폐열을 얻을 수 있는 곳에 적합하고, 냉매와 흡수제의 종류에 따라 저온의 열원도 이용 가능하다.
⑤ 작동원리는
- 물은 압력이 낮으면 낮을수록 더 낮은 온도에서 비등한다.
- 이 원리를 이용, 증발기내를 고진공 상태(5～6mmHg정도)로 만들어 주면, 물은 5℃ 근방에서 증발하며, 여기에 AHU 등에서 돌아오는 냉수를 순환시켜 열교환하면 7℃ 정도의 냉수를 얻을 수 있다.
3) 흡착식 냉동법
① 흡착식 냉동기는 흡수식 냉동기와 더불어 비프레온화와 폐열 이용이라는 관점에서 주목을 받고 있는 냉동방식으로,
② 냉동원리는 흡수식과 비슷한데, 흡수기 대신 흡착탑이 있으며, 흡수식에는 흡수용액이 냉매와 같이 순환하지만 흡수식에서는 흡착제는 고정되어 있고 냉매만 순환한다는 점이 다르다.
4) 공기냉동기
① 공기 냉동사이클은, 냉매인 공기를 압축하여, 고온고압으로 된 압축공기를 상온(常溫) 부근까지 냉각한 후,
② 팽창 터빈에서 팽창시켜 저온을 얻는 방식으로, 효율은 낮지만 소형·경량이기 때문에 주로 항공기 공조용으로 많이 사용된다.
5) 전자 냉동법
① 종류가 다른 두 금속도체를 접합하여 전류를 통하면, 전류의 방향에 따라 한쪽 접합점에서는 열을 방출하고, 다른 쪽 접합점에서는 열을 흡수하게 된다.
② 이러한 원리를 펠티어 효과(Peltier's effect)라 하는데, 전자냉동법은 이 원리를 이용한 냉동법으로, 반도체기술이 발달하면서 실용화되기 시작하여,
③ 전자기기의 냉각 등 특수한 분야에서 이용되는 예가 있고, 최근에 와서는 전자 냉장고, 전자식 룸-쿨러(room-cooler) 등의 시제품이 개발되고 있다.
6) 증기분사 냉동법
① 흡수식 냉동기가 진공펌프로 증발기내를 진공으로 만들어 물을 낮은 온도에서 증발하게 만드는 것과 같이,
② 진공펌프 대신 증기 이젝터(steam ejector)를 이용하여 다량의 증기를 분사할 때의 부압작용에 의하여 진공을 만들어 냉동작용을 하는 방법을 증기 분사 냉동법이라 한다.
③ 이 냉동법은 배출증기가 풍부한 공장에서 냉수를 만드는 장치 등에 이용하여 배출 증기를 유효하게 이용할 수 있다.
(2) 자연냉동법
1) 융해열을 이용하는 방법
얼음 등과 같이 물체가 융해할 때에는 융해 잠열을 흡수하게 된다. 예를 들면 얼음의 경우 1kg은 80kcal의 열을 흡수하는데 이와 같은 원리를 이용하면 냉동작용을 얻을 수 있다.
2) 승화열을 이용하는 방법
드라이 아이스가 고체에서 기체로 될 때에는 -75.8℃에서 약 137kcal/kg의 열을 흡수하게 되는 것과 같이 어떤 물질이 고체에서 기체로 변화할 때 흡수하는 열을 이용하여 냉동작용을 얻는 방법이다.
3) 증발열을 이용하는 방법
어떤 물질이 액체에서 기체로 될 때는 증발 잠열을 피냉각 물질로부터 흡수하게 되는 원리를 이용하는 방법이다.
4) 기한제를 이용하는 방법
서로 다른 두 물질을 혼합하면 한 종류만을 사용할 때보다 더 낮은 온도를 얻을 수 있는데, 이와 같은 방법을 이용하여 냉동작용을 얻을 수 있고, 이와 같은 혼합물을 기한제라 한다.
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