증발 냉각은 물을 증발시켜서 열을 없애는 냉각 공정입니다. 물이 증발 잠열을 받으면 증발합니다. 물은 증발 잠열을 받을 때까지 열을 흡수하지만, 고온 매체도 같은 양의 열을 잃습니다.

증발 냉각 시스템은 이 공정을 효과적으로 이용합니다. 증발 냉각의 원리는 의외로 익숙한 용도에도 이용됩니다.

예를 들어 일부 고성능 자동차에는 터보 과급기와 결합된 공냉식 인터쿨러의 냉각 성능을 개선하기 위한 증발 냉각용 물분사 시스템이 있습니다.

더운 여름날에 밖에 물을 뿌리는 것도 증발열을 사용해 노면과 기타 표면의 온도를 낮추는 증발 냉각의 한 형태입니다.

대기압인 실온 환경에서도 물이 증발할 수 있습니다. 이 경우 물은 증발하기만 하고 끓지 않습니다. 물이 예를 들어 40 °C 에서 끓고 증발한다면 증기의 잠열과 동일한 많은 양의 열이 전달되는 결과로 이어질 것입니다.

대기압에서 물의 끓는점은 100 °C 입니다. 압력을 대기압보다 낮게 낮추면 끓는점도 100 °C미만으로 낮아집니다. 포화 온도가 100 °C미만이기 때문입니다. 자세한 내용은 진공 증기 가열 시스템에 설명되어 있습니다.

진공 증기 가열에는 온도가 100 °C인 포화 증기가 가열원으로 이용되는 반면, 진공 증기 냉각에는 100 °C이하에서 발생하는 비등 현상이 이용됩니다.

엄밀히 말해 진공 상태이긴 하지만, 진공 증발 냉각에 사용되는 온도 범위에서 증기의 포화 압력은 몇 kPa 정도이며, 압력을 이 수준으로 낮추기는 그렇게 어렵지 않습니다. 문제는 증발 냉각 공정에서 증기가 더 식을수록 열전달 표면에서 발생하는 증기의 양이 더 많아지고, 이 증기를 어떻게든 처리해야 한다는 것입니다.

이 압력 범위에서 증기의 용적은 물의 용적보다 천 배 또는 몇 백 배 더 크므로, 발생하는 증기를 배출하지 않으면 압력이 빠르게 상승합니다. 압력이 상승하면 원하는 온도에서 증발 냉각이 불가능해집니다.

이런 이유로 증발 냉각 시스템은 에어와 증발 냉각 중에 생성되는 증기를 배출할 수 있는 대용량 진공 펌프를 사용합니다.

상기에서 설명했듯이, 증발 냉각은 진공 압력 범위에서 물의 증발을 촉진하고 냉각 시에 증기 가열과 유사한 열전달 성능을 실현합니다. 업계에서 증발 냉각은 다음과 같은 목적으로 사용됩니다:

• 빠르고 균일한 냉각으로 불순물 형성을 줄이기 위해
• 발열 반응을 억제하는 고성능 냉각을 통해 생산 수율을 높이기 위해
• 더 빠른 냉각으로 전체 처리 시간을 단축하기 위해

또한 증발 냉각 기술을 진공 증기 가열과 결합하면 가열과 냉각 공정을 빨리 전환할 수 있고, 매우 정확한 온도 조절도 가능합니다. 진공 증발 냉각 시스템은 재현성과 제어 성능이 우수하여 일반적으로 다음과 같은 상황에서 사용됩니다:

• 원료 주입, 발열 또는 흡열 반응, 교반 반응기 내 열 전달 등과 같이 빠른 온도 조절이 중요한 경우
• 여러 유틸리티가 사용되고 제품 배치 간 온도 차이를 없애는 것이 요구되는 경우
• 신제품 파일럿 또는 실제 생산을 위해 공정 조건을 빨리 결정해야 하는 경우
• 신제품 개발을 위해 여러 생산 조건을 테스트하는 경우

증기 제어와 진공 가열 및 냉각에 대한 이 시리즈를 흥미롭게 읽으셨기 바랍니다. 증기를 효과적으로 제어하면 생산성을 높이고 전체 처리 시간을 단축하면서 에너지 비용과 장비 면적도 줄일 수 있습니다.