냉동사이클(1)

 

 

  개요

 

  냉동사이클의 해석을 위하여 증기의 성질을 먼저 이해하고 이상적인 냉동사이클에 관해 각종 이론적인 해석을 위해서는 

P-v 선도, P-i 선도, T-s 선도에 냉동 사이클을 도시하는 방법과 실제의 냉동장치의 성능파악을 위한 수치계산을 위해서는

냉매의 모리엘(P-i) 선도를 주로 이용하므로 모리엘 선도를 이해하고 이를 이용하여 실제 계산하도록 한다.

 

 

  증기

 

  (1) 포화온도(saturated temperature)

    암모니아나 물 같은 냉매는 쉽게 증발을 하며 어느 일정한 압력에서 가열하면 온도가 상승하다가 어느 온도에 도달하면 

    더 이상 상승하지 않고 증발을 일으킨다. 이때의 온도를 포화온도라고 한다.

 

  (2) 포화압력(saturated pressure)

    위와 같은 상태에서 포화온도에 도달한 압력을 포화압력이라고 한다.

 

  (3) 포화액(saturated liquid)과 불포화액(unsaturated liquid)

    포화온도에 도달한 상태를 포화상태라고 하며 포화상태에 도달한 액을 포화액이라고 하고 포화상태에 도달하지 못한 액을

    불포화액(과냉각액)이라 한다. 포화온도에서 포화온도에 도달하지 않은 불포화액(과냉각액)의 온도차를 과냉각도라 한다.

 

  (4) 습포화증기(wet vapour)

    포화액을 계속 가열하면 증기의 양이 많아지고 모두 증기화 될 때까지 온도는 변하지 않는다. 즉, 포화온도하에서 증발이 

    시작되어 전부 증발하기 전까지는 포화액과 증기가 공존하는 상태가 지속되는데 이러한 상태의 증기를 습증기 또는 습포

    화 증기라고 말한다.

 

  (5) 건조포화 증기(dry saturated vapour)

    포화액이 전부 증발한 상태의 증기를 건포화 증기 혹은 건증기, 포화증기라 한다.

 

  (6) 과열증기(super heated vapour)

    건조포화 증기를 계속 가열하면 온도가 상승하게 되는데 이때 건포화 증기보다 더 높은 온도가 된 상태를 과열증기라 한다.

    여기서 과열증기온도와 포화온도의 차를 과열도라고 한다.

 

  (7) 임계점(critical point)

    가열과 증발, 증열과정은 과냉각액 → 포화액 → 습포화증기 → 건조포화증기 → 과열증기의 순서로 된다. 여기에서 증발

    과정은 포화액이 습증기를 거쳐 건포화증기가 되는 것이 일반적인 과정이지만 압력을 상승시키면 습포화증기 구역이 점점

    좁아져 어느 압력이 되면 습증기구역이 없어져 포화액과 건포화증기가 일치하는 점이 생긴다. 이러한 점을 임계점이라고

    하고 이때의 압력을 임계압력, 이때의 온도를 임계온도라고 한다. 임계점에서는 잠열이 0이 되고 증발이나 응축현상이 없

    어져 포화액이 바로 건포화증기가 되거나 건포화증기가 바로 포화액이 된다.

 

 

  카르노 사이클과 역카르노 사이클

 

  (1) 카르노 사이클(Carnot cycle)

    이 사이클은 프랑스 Sadi Carnot가 보고한 가장 이상적인 열기관 사이클로서 2개의 단열과정과 2개의 등온과정으로 구성

    된 가역 사이클을 말한다. 대개 열기관 사이클은 시계방향으로 변화한다.

    즉, 동작유체가 완전가스이고 고열원(Q1)에서 등온 (T1) 하에 열을 흡수하여 등온팽창(1 → 2 과정)한 후 다시

    팽창(2 → 3과정)하여 외부에 일을 하고 저열원(Q2)에서 등온(T2) 하에 열을 방출하게 되며 다시

    등온압축(3 → 4)한 뒤 단열압축(4→1)하면서 한 사이클이 완성된다.

 

    이 사이클의 열효율은 다음과 같이 표시한다.

    이상적인 열기관사이클로서 두 개의 등온선과 두 개의 단열선으로 이루어진 사이클

    ① 1 → 2 과정 : 등온팽창

    ② 2 → 3 과정 : 단열팽창

    ③ 3 → 4 과정 : 등온압축

    ④ 4 → 1 과정 : 단열압축

 

 

  (2) 역카르노 사이클(reverse carnot cycle)

    카르노 사이클을 역으로 행하는 이상적인 냉동사이클로서 카르노 사이클과 마찬가지로 2개의 등온과정과 2개의 단열과정

    으로 구성된 비가역 사이클이다. 그림에서 1→2과정은 등온팽창 과정으로 저열원(Q2)의 열을 흡수하고 2→3과정은 단열

    압축 과정으로 동작유체의 온도가 T2에서 T1(저온에서 고온으로)으로 상승한다. 3→4과정은 Q1(고열원)을 외부로 방출

    하는 과정이고 4→1과정은 단열팽창 과정이다.

    ① 1 → 2 과정 : 단열압축(압축기) ← 단열되어 있어서 압축기를 통해 일(W)을 강제로 주입(전기, 가스 ...)

    ② 2 → 3 과정 : 등온압축(응축기) ← 실외기 (기체 → 액체)

    ③ 3 → 4 과정 : 단열팽창(팽창밸브)

    ④ 4 → 1 과정 : 등온팽창(증발기) ← 실내기

 

    역 카르노 사이클에 의한 냉동기의 성적계수 COPr(에너지 전환 정도)은 다음과 같이 표시한다.

    또한, 고온측에서의 3→4과정에서 Q1(고열원)을 열을 이용하여 난방을 행하는 히트펌프(heat pump)의 성적계수

    COPh는 아래 식에서 1을 더해주면 된다.

    COPh = COPr + 1

 

 

 

  냉매선도 및 냉동사이클

  

  (1) 냉매선도

    냉매의 열적 성질로서는 압력, 온도, 비체적, 엔탈피, 엔트로피(상태값) 등이 있고 이들 중 어느 두 가지를 선택하여 좌표축으로

    기준하고 다른 특성들의 값을 선도상에 나타낸 것을 냉매 선도라 한다. 이러한 냉매 선도에는 압력-엔탈피(P-i)선도, 압력-비체

    적(P-v)선도, 온도-엔트로피(T-s)선도, 엔탈피-엔트로피(h-s)선도 등이 있으나 여기에서는 일반적으로 가장 많이 사용되는 P-i

    선도에 대하여 설명하도록 한다.

 

  (2) 모리엘(P-i) 선도의 구성

    P-h선도라고도 하며 이 선도의 종축에는 절대압력을 대수눈금으로 표시하고 횡축에는 엔탈피가 표시되어 있다. 또한 선도에는

    포화액선, 건조포화증기선, 등압선, 등엔트로피선, 등온선, 등건조도선, 비체적선이 표시되어 있다. 모리엘 선도를 이용하면 첫

    째로 냉동기의 용량을 결정하고 둘째로 전동기의 크기 결정, 셋째로 냉동능력의 판단과 냉동장치의 운전상태 확인을 쉽게 파악

    할 수 있다.

 

    1) 2선 3구역과 과냉각도와 과열도

 

      ① 포화액선

          모리엘 선도를 구성하는 중요한 선으로 왼쪽 아래에서 위로 향하여 사선으로 그어져 있으며 과냉각액구역과 습포화증기

          구역을 구분하고 건조도 x 가 0인 포화액상태의 점을 이은 것으로 이 선을 전후로 냉매는 과냉각액이나 습증기 상태가 된다.

      ② 건조 포화증기선

          모리엘 선도를 구성하는 중요한 선으로 중앙에서 오른쪽에 있는 굵은 선으로 습포화증기구역과 과열증기구역을 구분하고 

          냉매의 건조도 x 가 1인 건조포화증기상태의 점을 이은 것으로 이 선의 좌측으로는 액과 증기가 공존하는 습증기이며 우측

          은 온도가 포화온도보다 높은 과열 증기가 된다.

      ③ 과냉각액 구역

          동일 압력하에서 포화온도 이하로 냉각된 액 구역이다.

      ④ 습포화증기 구역

          포화상태의 동일 온도에서 포화액과 포화증기가 공존하는 구역이다.

      ⑤ 과열증기 구역

          건포화증기에서 열을 더 흡수하여 포화온도 이상으로 온도가 상승된 과열증기의 구역이다. 

      ⑥ 과냉각도

          응축온도 - 팽창밸브 직전의 과냉각 액의 온도로 과냉각도가 크면 클수록 팽창밸브 통과시 가스 발생량이 감소하여 냉동효과가

          증대된다.

      ⑦ 과열도

          압축기 입구의 과열증기온도 - 증발온도로 과열도가 크면 냉동효과는 증가하나 압축기가 과열되어 압축기 토출가스가 상승하게

          되어 적절한 조절이 필요하다.

 

    2) 모리엘선도상의 각 상태점 ★

 

      ① 등압선 (P : kgf/c㎡abs, MPa, bar)

          수평선상의 압력은 과냉각액구역, 습증기구역, 과열증기구역이 모두 동일하며 냉매의 응축압력과 증발압력을 알 수 있으며

          압축기의 압축비를 구할 수 있다. 모리엘 선도에서의 압력표시는 절대압력으로 나타낸 대수눈금이기 때문에 실제 냉동기의

          압력계에 나타난 게이지압력과는 대기압을 더하여 비교하여야 한다.

 

      ② 등엔탈피선 (i, h : kcal/kg, kJ/kg)

          수직선상의 엔탈피는 과냉각액구역, 습증기구역, 과열증기구역이 모두 동일하며 순환되는 냉매상태에 따른 각각의 엔탈피를

          알 수 있으며 냉동장치의 냉동효과, 응축기 방열량, 압축기 소요열량 등의 계산이 가능하다. 선도의 제일 상단과 하단에 표시

          되어 있다.

      ③ 등온선 (t : ℃)

          동일 온도의 점을 연결한 선으로 과냉각액구역에서는 등엔탈피선과 직교하고 습증기 구역에서는 등압선과 평행하며 과열증기

          구역에서는 급경사로 우측하향으로 내려온 선으로 냉동기에서의 증발온도, 응축온도, 압축기 흡입가스온도, 토출가스 온도를 

          알 수 있다.

 

      ④ 등비체적선 (v : ㎥/kg)

          이 선은 습증기와 과열증기 구역에서만 존재하는 선으로 우측으로 기울어서 비스듬히 위로 그어진 곡선으로 일점쇄선으로 표시

          되어 있으며 건포화 증기선에서 그 기울기가 약간 변하며 습증기, 과열증기 구역에만 존재하고 압축기 흡입증기의 비체적을 알

          수 있다. 예를 들면 비체적이 0.51㎥/kg이라면 냉매 1kg당 차지하는 체적이 0.5㎥인 냉매를 말하는 것이며 비체적이 클수록 

          압축기 소요동력은 증가하게 된다.

      ⑤ 등건조도선 (x)

          습포화증기 구역에서만 존재하는 선으로 냉매의 건조도가 일정한 점을 연결한 선으로 건조도가 0이면 액상태인 포화액이며

          건조도가 1이면 100% 완전히 증기상태인 건포화증기이다. 건조도 x가 0이면 액 100%, 가스 0%, x가 1이면 가스 100%, 액

           0%이며, 건조도 x가 0.14이면 팽창밸브 통과후 냉매 액은 86%, 가스 14%가 되며 팽창밸브 통과후의 건조도는 작을수록

           플래쉬 가스량은 감소하고 냉동효과가 증가한다.

      ⑥ 등엔트로피선 (s : kcal/kg·K, kJ/kg·K)

          습증기구역과 과열증기구역에서 존재하며 조금 오른쪽으로 기울어서 위로 그려져 있는 곡선으로 냉동에서의 압축과정은 이론

          상 단열압축으로 간주하므로 압축과정은 등엔트로피선을 따라 변화하게 된다.

 

 

 

 

 

 

※ PC버전으로 보시는 것을 추천드립니다

2편에서 이어집니다.