냉동공학 - 냉동의 정의, 냉동의 원리

특정 물질로부터 열을 빼앗는 것을 냉동이라 합니다.

 

온도를 떨어뜨리고 유지를 하는 행위입니다.

 

냉동의 정의

 

냉동은 총 다섯 가지로 분류할 수 있습니다.

 

 

  1. 냉각 : 특정 물질의 온도를 빙점까지 떨어트리는 것 (상온보다 낮은 온도로 열을 제거)

  2. 냉장 : 특정 물질을 얼지 않을 정도로 보관하는 것 (식품류 보관)

  3. 냉방 : 실내의 온도를 조절하는 것 (공기조화)

  4. 동결 : 특정 물질을 빙점 이하로 떨어트리는 것 (냉각작용)

  5. 제빙 : 얼음 생산을 목적으로 물을 얼림

 

냉동의 원리

 

냉동에는 자연냉동법과 기계적 냉동법이 있습니다.

 

자연냉동법에는 융해열, 승화열, 증발열, 기한제 사용 등이 있습니다.

 

먼저 물질의 상태변화부터 보겠습니다.

 

기화 융해 승화(고체->기체)는 열을 흡수하고,

액화 응고 승화(기체->고체)는 열을 방출합니다. 

 

(시계방향으로 돈다고 생각하시면 금방 이해할 수 있습니다.)

 

열을 흡수하면 주변이 시원해지고 열을 방출하면 주변이 더워집니다.

 

냉동은 열을 흡수하면 주변이 시원해지는 원리를 이용합니다.

 

1. 융해열을 이용한 냉동법

 - 0ºC 얼음 1kg이 녹을 때 79.68kcal의 열을 흡수한다.

 

2. 승화열을 이용한 냉동법

 - -78.5ºC 드라이아이스 1kg이 승화할 때 137kcal의 열을 흡수한다.

 

3. 증발열을 이용한 냉동법

 - 30ºC 물 1kg이 증발할 때 580.2kcal의 열을 흡수한다.

 - -196ºC 액화질소 1kg이 증발할 때 48kcal의 열을 흡수한다.

 

4. 기한제 사용

 두 종류의 물질을 혼합시, 단독으로 사용할 때 보다 더 낮은 온도를 얻는 원리를 이용한 것입니다.

 대표적으로 얼음에 소금을 뿌리는 행위가 있습니다.

 

두 번째로는 기계적 냉동법이 있습니다.

 

증기압축식 냉동법, 흡수식 냉동법, 전자 냉동법, 증기분사 냉동법, 공기압축 냉동법이 있습니다.

 

1. 증기압축식 냉동법

냉매의 증발열을 이용합니다.

냉매가 압축기->응축기->팽창밸브->증발기를 이동하면서 주위의 열을 빼앗고 흡수하고를 반복합니다.

2. 흡수식 냉동법

냉매의 증발열을 이용합니다.

증기압축식과는 다르게, 압축기가 없습니다.

흡수기와 발생(재생)기가 압축기를 대체합니다.

냉매가 흡수기->열교환기->발생(재생)기->응축기->증발기를 이동하면서 주위의 열을 빼앗고 흡수하고를 반복합니다.

3. 전자 냉동법 = 열전냉동법

전자 냉동법은 냉매를 사용하지 않고, 열전반도체 소자를 이용합니다.

펠티어 효과를 응용한 방법입니다.

금속 두개를 연결 후 전류를 흐르게 합니다. (보통 Bi, Bi2Te3을 이용합니다.)

한쪽은 고온이 되며 다른 한쪽은 저온이 되는 현상이 일어나게 됩니다.

이를 펠티어 효과라고 합니다.

4. 증기분사 냉동법

증기분사 냉동법도 냉매를 사용하지 않습니다.

증기 이젝터를 이용합니다.

증기를 고속으로 분사하면 부압작용에 의해 압력이 내려가며 물이 증발합니다.

이 때 생기는 물의 증발열을 이용해 냉동을 합니다.

증기분사 냉동법은 폐증기가 많은 곳에서 효율이 높아집니다.

 

5. 공기압축 냉동법

공기압축 냉동법도 냉매를 사용하지 않습니다.

줄 톰슨 효과를 응용한 방법입니다. 

공기를 압축시킨 후 작은 구멍으로 팽창시키면 온도가 내려가는 원리입니다.