증기 압축식 냉동기의 특징과 사이클 분석

증기 압축식 냉동기는 현대에서 가장 많이 사용되고 있는 방법으로 액체가 증발에 필요한 에너지를 주변 환경에서 흡수하여 냉동을 하는 방법입니다. 암모니아나 프레온을 냉매로 사용는 증기 압축식 냉동기는 증발, 압축, 응축, 팽창의 사이클을 반복합니다. 우선 증기 압축식 냉동기의 특징부터 살펴보고 냉동 사이클의 각 과정을 들여다보며 냉동기의 하나하나를 알아보겠습니다.

증기 압축식 냉동기의 특징

증기 압축식 냉동기는 흡수식에 비해서 가동하기가 용이하고 흡수식보다 냉동 효율이 좋습니다. 그리고 냉매로 암모니아가스나 프레온 가스를 사용하는데, 프레온 가스는 오존층 파괴에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 전기를 이용함으로써 전력 소비가 많고 소음 및 진동이 발생합니다. 종류로는 왕복식 냉동기, 터보식(원심식) 냉동기, 회전식 냉동기가 있으며, 터보식을 제외하고는 고압가스법이 적용됩니다. 우선 왕복식 냉동기는 냉동 용량을 조절할 수 있고, 진동이 적어 설치가 간단하며, 냉동 능력에 비해 작고 가격이 저렴합니다. 터보식 냉동기는 냉매가 고압가스가 아니어서 취급이 용이하고, 대용량일 경우 압축효율이 좋고 수명이 길며, 동절기에는 운전에 주의가 필요합니다. 회전식 냉동기는 용량에 대한 제어성이 좋고, 소음이 크고 고가이며, 냉방전용으로는 부적합하기에 공기열원 히트펌프 등에 사용됩니다. 이러한 특징을 가진 증기 압축식 냉동기는 4개의 작동과정을 거치는데, 이 과정에 대해 상세히 알아보도록 하겠습니다.

증기 압축식 냉동기 사이클

1. 압축사이클-시작비트: 증기 압축 냉동 사이클은 강력한 비트인 압축으로 시작됩니다. 이 단계에서는 일반적으로 프레온과 같은 냉매인 저압, 저온 증기가 압축기로 유입됩니다. 증발기에서 증발된 저온 저압증기를 압축기로 압축하면 분자간의 간격이 가깝워 지고, 압축기에서 하는 일이 열에너지로 변해 저온 저압증기에 작용하게 되어 압력과 온도가 증가합니다. 즉, 고온고압의 기체냉매를 만드는 실제 동력이 소비되는 과정입니다.

2. 응축사이클-냉각 크레센도: 에너지가 급증하면서 냉매는 증기 압축식 사이클의 크레센도인 응축기로 들어갑니다. 여기서 냉매가 증기에서 액체로 상변화하면서 열이 방출됩니다. 열 방출은 냉장 공간 내부 온도를 유지하는 것뿐만 아니라 냉매가 돌아오는 과정을 준비하는 데에도 중요합니다. 공기에 의해 응축되는 방법을 공랙식, 물에 의해 응축되는 것을 수냉식 응축기라고 합니다.

3. 팽창사이클-밀물과 썰물: 냉매가 응축기를 빠져나오면서 팽창 밸브로 흘러 들어갑니다. 증기 압축식 사이클의 팽창단계에서 고압 액체는 급격한 압력 강하를 경험하여 팽창합니다. 이러한 팽창은 온도 감소로 이어져 냉매를 액체와 증기의 저압, 저온 혼합물로 변환합니다. 팽창 밸브의 흐름은 냉매가 증발기의 냉각 장치로 다시 이동하는 단계를 설정합니다.

4. 증발사이클-냉각의 마지막: 이제 증기-액체 혼합물이 증기 압축식 사이클의 최종 냉각 단계인 증발기로 들어갑니다. 여기서 냉매는 냉장고 내용물이나 산업용 냉장 보관 장치의 공기 등 주변 환경으로부터 열을 흡수합니다. 열 흡수로 인해 냉매가 증발하여 다시 저압 증기로 변합니다. 이 증기는 다시 압축기로 흡입되고 증기 압축식 사이클이 새로 시작됩니다. 앞서 언급했던 압축-응축-팽창-증발을 지속적으로 반복하면서 주변환경을 낮은 온도로 유지하는데 기여합니다.

 

냉동 관리 영역에서 증기 압축 냉동 사이클을 이해하는 것은 압축, 응축, 팽창 및 증발의 멜로디 상호 작용인 음악적 구성을 해독하는 것과 유사합니다. 보편적으로 사용되는 냉동 사이클의 각 과정을 이해하고, 냉동기의 각 기기별 역할을 이해하는 것은 향후 냉동기 관리자로서 갖춰야하는 지식입니다. 이러한 냉동기의 지식을 점차 확대해 나가고 증기 압축식 냉동기뿐만 아니라 다양한 냉동기 타입을 살펴보며 지식을 축적하여 나간다면 우리는 향후에 전문적인 지식을 갖춘 냉동기 관리자가 되어 있으리라 믿어의심치 않습니다. 다음에는 앞서 언급했던 흡수식 냉동기의 특징과 세부 내용에 대해 알아보는 기회를 가져보도록 하겠습니다.