냉동사이클(3) - 실제 냉동사이클, 각 냉동사이클 계산법

냉난방공학

냉동사이클(3) - 실제 냉동사이클, 각 냉동사이클 계산법

소방학생 2023. 4. 7. 19:37

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실제 냉동사이클

실제 냉동사이클에서는 배관이나 장치 등을 통해 냉매가 흐르면서 발생하는 마찰저항에 따른 압력강하 등을 고려한

고려한 것으로 다음과 같은 차이점이 발생한다. 따라서 압력과 엔탈피가 똑바로 그려지지 않고 약간 휘어진다는 것

이 특징이다.

1) 증발기에서의 압력손실 (4-1 과정)

증발기에서의 압력손실은 증발기의 설계에 따라 무시될 수 있을 정도로 작은 경우도 있지만 0.2~0.3kgf/㎠(0.02~

0.03MPa) 정도의 압력손실을 무시하면 용량부족 등의 문제가 발생될 수 있으며 선도에서 4에서 1 과정으로 증발기

입구에서 출구쪽으로 압력손실이 일어나 증발온도는 증발기 출구로 갈수록 약간 내려간다.

2) 흡입배관에서의 압력손실 (1-1' 과정)

증발기 출구에서 압축기 흡입배관 사이에서 발생하는 압력강하나 흡입배관이 길거나 보온이 되어 있지 않으면 대기

로부터 흡열하여 과열증기로 되는 과정으로 엔탈피와 엔트로피가 증가하며 온도도 약간 증가하게 된다.

3) 압축기내에서의 흡입가스 변화 (1'-1'' 과정)

압축기 실린더 내에서 피스톤에 의해 압축을 개시하기 직전의 상태 1에서 압축기 흡입밸브를 통과하면서 교축팽창되

어 0.1~0.3kgf/㎠(0.01~0.03MPa) 정도의 압력손실이 발생하기 된다. 그리고 흡입밸브를 통해 실린더 내로 유입된 냉

매증기는 고온의 실린더 벽 등으로부터 흡열하게 한다. 또한 밀폐형 압축기에서는 흡입 냉매가스로 모터를 냉각할 경우

모터의 발열량만큼 흡입 냉매증기가 열을 취득하게 되어 1''가 된다. 이와 같은 변화에서 압축기 흡입증기의 비체적이 커

지게 되면 압축기 흡입 냉매량이 감소되고 체적효율과 냉동능력은 저하하게 된다.

4) 압축과정에서의 변화 (1''-2 과정)

압축과정에서의 냉매의 상태변화는 압축기의 구조에 따라 크게 달라지게 되며 왕복 동압축기에서는 단열압축 또는 폴리

트로우픽 압축이 되지만 스크류압축기에서는 냉각된 다량의 오일이 압축되어 등온압축에 가깝다.

5) 토출밸브에서의 압력손실 (2-2' 과정)

압축된 고온고압의 과열증기가 압축기 토출밸브를 통과하며 교축팽창되는 과정으로 압력은 약간 떨어지고 엔탈피는 약간

증가한다.

6) 토출배관에서의 압력손실 (2'-2'' 과정)

압축기에서 토출된 과열증기는 토출배관의 주위 공기에 의해 일부 냉각되어 온도가 떨어지고 응축기에 유입되어 냉각수나

공기에 의하여 과열이 제거되어 온도가 감소되어 건조포화증기로 되는 과정이다. 이 과정에서 배관의 마찰저항으로 압력은

약간 감소하게 된다.

7) 응축기에서의 압력손실 (2''-3 과정)

건조포화증기가 응축기에서 열을 계속 방출하여 고온 고압의 포화액으로 응축되고 응축된 냉매가 더욱 과냉각되는 과정으

로 실제 압력손실이 발생하여 압력은 약간 감소한다. 응축기에서의 압력손실은 응축기의 구조 등에 따라 크게 변화한다.

8) 팽창밸브에서의 교축팽창 과정

응축기에서 과냉각 된 냉매액을 교축 팽창하는 등엔탈피과정으로 실제로는 엔탈피가 약간 증가하게 된다.

사이클의 변화에 따른 영향

1) 압축기 흡입상태에 따른 영향

① 습압축 사이클

증발기에서 나온 냉매가 전부 증발하지 않고 습증기 상태로 압축기의 흡입측으로 유입되는 압축을 습압축이라고 한다.

이때는 흡입관 주변의 공기 중 수분이 얼어붙어 서리 및 얼음이 형성되며 흡입관에서 압축기 실린더까지 적상이 일어난

다. 압축후에는 건포화증기 및 과열증기가 된다. 특히 암모니아 냉매를 사용할 때에는 토출후의 가스온도가 높아서 가끔

습압축을 시도한다.

② 건압축 사이클

증발기에서 나온 냉매가 압축기로 유입될 때 건포화 증기상태를 압축하게 되는 압축을 건압축이라고 한다. 보통 압축기

는 건압축을 행하기가 어려우며 일반적으로 과열 압축을 하게 된다.

③ 과열압축 사이클

증발기에서 나온 냉매가 완전하게 증발하여 나온 후 흡입관 상에서 주위로부터 열을 흡수하거나 열교환을 실시하여 냉매

가 약간 과열되어 압축기로 유입되는데 이러한 사이클을 과열 사이클이라고 하며 냉동사이클을 일반적으로 이 과열 사이

클로 이루어진다. 이때 과열도는 보통 5~15℃ 정도이다.

2) 증발온도 및 응축온도의 변화에 따른 영향

① 증발온도(증발압력)의 변화

구분	증발온도 저하	증발온도 상승
압축비	증가	감소
냉동효과	감소	증가
압축일량(=전기세)	증가	감소
토출가스온도	상승	저하
성적계수	감소	증가

응축온도가 일정하고 증발(압력)온도가 낮아지면 압축비와 압축일량은 증가하고 냉동효과는 감소하게 되므로 성적계수

는 작아진다. 또한 압축일량이 증가하면 압축기가 과열되고 압축기 토출가스 온도는 상승하게 되며 윤활유가 열화되는

영향을 미치게 된다. 반대로 증발온도가 높아지면 냉동효과는 증가하고 압축일량은 감소하여 성적계수는 커진다.

② 응축온도(응축압력)의 변화

구분	응축온도 상승	응축온도 저하
압축비	증가	감소
냉동효과	감소	증가
압축일량	증가	감소
토출가스온도	상승	저하
성적계수	감소	증가