개념 한 쪽
냉동기는 열을 한 장소에서 다른 장소로 이동시켜 냉방이나 냉각을 수행하는 장치라 정의한다. 흡수식과 압축식 등 여러 방식이 있고, 각 방식의 구성 요소와 사이클 순서를 정확히 이해해야 문제를 해결할 수 있다.
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출제기준 단원 「냉동기」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 2중 효용 구성기기 판단 | 1 | 2중 효용 흡수식의 핵심 구성 요소를 고르기 |
| 흡수식 사이클 순서 확인 | 1 | 흡수식 냉동기의 공정 순서를 올바르게 배열하기 |
| 열펌프 설명 옳지 않은 것 고르기 | 1 | 열펌프 범주에 흡수식 포함 여부 등 설명의 타당성 판단 |
흡수식 냉동기는 증발기에서 냉매가 증발하여 냉각을 일으키고, 흡수기에서 흡수제가 증기를 흡수한 뒤 재생기(발생기)에서 가열하여 냉매를 분리하는 과정을 반복하는 사이클을 사용한다. 기본 흐름은 증발기 → 흡수기 → 재생기(발생기) → 응축기이며, 이 4단계의 순서를 기억하면 사이클 관련 문항을 풀기 쉽다 한다.
2중 효용 흡수식 냉동기는 고온발생기와 저온발생기를 두 단계로 구성하여 에너지 효율을 높이는 구조라 정의한다. 고온발생기에서 발생한 증기의 열을 재이용하여 저온발생기를 가열하는 2단 구조가 핵심이며, '2중 효용'이라는 표현은 발생기가 두 단계로 운전됨을 의미한다. 따라서 관련 문제에서는 발생기 두 개(고온·저온 발생기)를 우선 연상해야 한다.
압축식 냉동기는 압축기에서 냉매를 압축하여 고온·고압 가스로 만들고, 응축기에서 액화한 다음 팽창밸브를 거쳐 증발기에서 다시 기화시키는 순환을 수행한다. 표준 순서는 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기이며, 이 연결 고리를 확인하면 장치 연결 순서 문제를 판단할 수 있다.
터보식(원심식) 냉동기는 임펠러의 원심력을 이용한 원심식 압축을 수행하는 증기압축식 대용량 장치라 정의한다. 터보식은 원심력 원리에 따라 압축을 하므로, 용적변화를 이용하는 회전식 압축기(스크롤·스크류 등)와 구별하여야 한다.
열펌프의 개념에서 흡수식 냉동기도 열을 이동시키는 장치이므로 열펌프 범주에 포함될 수 있다. 열펌프는 근본적으로 외부 열을 퍼나르는 장치이므로, 구동원리(열을 이용하는지 전동기를 이용하는지)에 따라 흡수식 포함 여부를 판단하면 된다.
사례: 냉동기 관련 선지에서 '2중 효용'이란 단어가 나오면 고온발생기와 저온발생기 두 개의 구성이 핵심이라는 점을 바로 파악해야 한다. 사이클 순서를 묻는 문제는 흡수식의 경우 증발기→흡수기→재생기→응축기의 흐름을, 압축식의 경우 압축기→응축기→팽창밸브→증발기의 흐름을 기준으로 비교하여 정답을 선택한다.
계산 사례: 터보 냉동기 용량이 386kW일 때 1시간 동안 순환되는 냉수량을 구하는 방법은 다음과 같다. 386kW는 초당 386kJ이므로 1시간의 열량은 386 × 3600 = 1,389,600kJ가 된다. 물 1kg의 온도를 1℃ 낮출 때 방출되는 열량은 비열 4.19kJ/kg·K이므로 온도차 5℃에 대한 1kg당 열량은 4.19 × 5 = 20.95kJ이다. 질량유량은 1,389,600 ÷ 20.95 ≈ 66,329kg/h이고, 물의 밀도 약 1000kg/m³를 적용하면 체적유량은 약 66.3m³/h가 된다.
오답 유의: 팽창관에 밸브를 설치하면 안 된다는 규칙, 냉동기 접속 배관에는 유지보수를 위해 밸브를 설치하는 것이 원칙이라는 점을 혼동하면 오답이 발생한다. 또한 터보식을 단순한 회전식(용적 변화) 압축기로만 이해하면 원심식의 특성을 놓치게 된다.
2중 효용 흡수식 냉동기의 구성기기로서 적합한 것은?
정답 ② · 이중효용 흡수식 냉동기(Double-Effect Absorption Chiller)는 기존 단일효용 냉동기에 비해 에너지 효율을 극대화하기 위해 발생기를 2단으로 구성한 장치입니다. 고온발생기에서 발생한 고온의 냉매증기를 이용하여 저온발생기를 추가로 가열함으로써 2회의 증발·응축 과정을 수행하므로 저온발생기와 고온발생기가 핵심 기기입니다.
2중 효용 흡수식 냉동기는 고온발생기와 저온발생기를 2단으로 구성하여 에너지 효율을 극대화한다.
흡수식 냉동기의 사이클로 옳은 것은?
정답 ② · 흡수식 냉동기의 사이클 순서를 묻는 문제이다. 흡수식 냉동기에서 냉매는 먼저 증발기에서 저온의 냉수로부터 열을 받아 증발하며 냉방 효과를 낸다.
흡수식 냉동기는 증발기, 흡수기, 재생기(발생기), 응축기의 순서로 사이클이 진행된다.
다음의 열펌프(heat pump)에 과한 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ② · 열펌프에 대한 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 열펌프는 냉동 사이클을 응용하여 저온측의 열을 고온측으로 이동시키는 장치로, 저온물질측에는 증발기가, 고온물질측에는 응축기가 위치하며 응축기의 방열량을 난방에 이용한다.
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