화학 플랜트에서 냉동 시스템은 반응열을 제거하고 설비를 안정적으로 운전하기 위한 핵심 설비입니다. 냉동기가 정지하면 플랜트는 즉시 셧다운될 수 있으며, 경우에 따라서는 폭주 반응, 화재, 폭발로 이어질 위험도 존재합니다.
본 글에서는 기계 및 전기 엔지니어가 반드시 이해해야 할 냉동 시스템의 기초 원리와, 실제 현장에서 중요한 운전·설계상의 포인트를 정리합니다.
냉동 관련 자격증 취득도 의미가 있지만, 현장에서는 시스템 거동을 이해하는 실무적 지식이 훨씬 중요합니다.
냉동의 원리
냉동 시스템은 폐열역학 사이클로 운전됩니다. 냉매는 다음 네 가지 주요 장치를 순환합니다.
- 증발기
- 압축기
- 응축기
- 팽창장치
순환 흐름은 다음과 같습니다.
증발기 → 압축기 → 응축기 → 팽창장치 → 증발기
증발기
증발기 내부에서는 다음이 일어납니다.
- 공정 유체가 냉각됨
- 냉매가 열을 흡수하며 증발
냉매가 상변화를 일으키기 때문에 증발기라고 부릅니다.
압축기
기체 상태가 된 냉매를 고온·고압 상태로 압축합니다.
응축기
응축기 내부에서는
- 냉매가 열을 방출하며 응축
- 외부 냉각 매체(공기 또는 물)가 열을 흡수
팽창장치
고압 액체 냉매를 감압시켜 온도를 낮춘 후 다시 증발기로 보냅니다.
스크류식 냉동기의 경우 윤활유 순환 계통도 존재하며, 실제 유지보수에서는 오일 관련 문제가 자주 발생합니다.
화학 플랜트에서 냉동 시스템이 필요한 이유
화학 플랜트에서는 다음과 같은 이유로 냉동 시스템이 필요합니다.
- 저온 반응 유지
- 냉각수 사용량 절감
냉동 시스템이 없다면 대량의 냉각수를 지속적으로 배출해야 하며, 이는 환경 부담 증가 및 해수 사용에 따른 부식 문제를 초래할 수 있습니다.
냉동 시스템은 냉각수 의존도를 낮추고 온도 제어 정밀도를 향상시킵니다.
브라인(2차 냉각 매체)
브라인은 동결 방지를 위한 2차 냉각 유체를 의미합니다. 과거에는 소금물을 뜻했지만, 현재는 다양한 용액이 사용됩니다.
화학 플랜트에서는 0℃ 이하 냉각이 필요한 경우가 많아 브라인이 필수적입니다.
에틸렌글리콜
가장 일반적인 브라인은 에틸렌글리콜입니다.
- 융점: −12.6℃
- 끓는점: 111℃
0℃ 이하에서도 액체 상태를 유지합니다.
그러나 −40℃ 수준의 고농도 조건에서는
- 점도 급증
- 열전도율 저하
온도만 고려하면 열교환 성능이 저하될 수 있습니다.
또한 에틸렌글리콜은 위험물로 분류되므로 화재 안전 관리가 필요합니다.
염화칼슘 / 염화나트륨
무기계 브라인으로 염화칼슘, 염화나트륨도 사용됩니다.
단점은 부식 문제입니다.
- 염 성분 존재
- 저온에서 높은 용존산소
탄소강 및 스테인리스강 모두 부식 가능성이 있으므로 적용에 주의해야 합니다.
냉매
냉매는 시스템의 핵심입니다.
온도 조건
냉매는 다음 조건을 만족해야 합니다.
- 브라인보다 낮은 온도에서 증발
- 외기보다 높은 온도에서 응축
적절한 온도 범위에서의 상변화가 필수입니다.
압력 조건
- 증발 압력은 대기압 이상
- 응축 압력은 압축기 허용 범위 내
증발 압력이 대기압 이하로 떨어지면 공기 유입으로 성능이 저하될 수 있습니다.
오존층 파괴 문제
과거에는 CFC 및 HCFC 계열 냉매가 널리 사용되었습니다.
그러나 염소 성분은 오존층을 파괴하기 때문에 국제적으로 규제되었으며, 현재는 대체 냉매가 사용됩니다.
지구 온난화 문제
오존 문제 해결 이후에는 지구온난화지수(GWP)가 중요한 규제 요소가 되었습니다.
현대 냉매는 다음 요소를 모두 고려해야 합니다.
- 오존층 파괴지수(ODP)
- 지구온난화지수(GWP)
- 독성
- 가연성
완벽한 냉매는 존재하지 않으며, 항상 균형이 필요합니다.
냉동기 오일
냉동 시스템은 윤활유 없이는 운전할 수 없습니다.
주요 기능은 다음과 같습니다.
- 압축기 밀봉
- 마모 방지
오일은 별도의 순환 계통을 가집니다.
- 압축기 주입
- 오일 분리
- 오일 냉각
- 재순환
실무에서는 냉매보다 오일 관련 트러블이 더 자주 발생합니다.
냉동 시스템의 종류
개방형 / 반밀폐형 / 밀폐형
- 개방형: 유지보수 용이
- 밀폐형: 제조사 수리 필요
- 반밀폐형: 현장 분해 가능
스크류식과 터보식
- 스크류식: 대용량에 적합 (화학 플랜트에서 일반적)
- 터보식: 비교적 소용량
흡수식 냉동기도 존재하지만 화학 플랜트에서는 일반적이지 않습니다.
공랭식 vs 수랭식 응축기
공랭식 장점
- 다중 유닛 제어 가능
- 냉각수 절감
- 환경 의존도 낮음
- 자동화 용이
- 이중화 구성 가능
수랭식 장점
- 오랜 운전 실적
- 소음 관리 용이
- 회전 기기 수가 적음
공랭식은 팬 유지보수 및 소음 문제를 고려해야 합니다.
방폭 설계
위험 지역에서는
- 방폭 설비 비용 증가
- 거리 확보 시 배관 비용 증가
설비비와 배관비의 균형이 중요합니다.
다중 유닛 제어
여러 대의 냉동기를 운영하면
- 부하 대응 유연성
- 리스크 분산
- 에너지 효율 향상
단, 부지 면적 증가와 초기 비용 상승이 있습니다.
정리
냉동 시스템은 화학 플랜트의 안전 운전을 지탱하는 핵심 설비입니다.
냉매 선택, 브라인 관리, 오일 계통, 압축기 종류, 냉각 방식, 방폭 설계, 이중화 전략에 대한 이해는 설계·운전·보전에 직접적인 영향을 줍니다.
안정성과 리스크 관점에서 적절한 이중화와 관리 전략은 필수적입니다.
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