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연재기획

댄포스 러닝
사이클 구성 목적 따라 저온–냉동장치·고온-히트펌프 설계 사용

냉동 및 공기조화 사이클은 저온 열원으로부터 열을 전달받아 고온 열원으로 열을 전달하기 위해 사용된다. 이중에서 사이클의 구성 목적이 저온 열원으로부터 열을 전달 받는 것이면 냉동장치를 설계하는데 사용되고 그 목적이 고온 열원으로 열을 전달하는 것이면 히트펌프를 설계하는 데 사용된다.


가장 많이 사용되는 사이클은 증기 압축식 사이클로 냉매의 증발 및 응축 잠열을 이용하는 것이다. 냉매가 증발하기 위해서는 에너지가 필요하다. 그 에너지는 증발기 내 부의 냉매 온도보다 높은 온도의 열원으로부터 전달받아 사용한다.



이렇게 증발돼 저온 저압의 가스상태의 냉매는 압축기에서 고온 고압의 가스로 압축돼 응축기로 보내진다. 응축기로 보내진 냉매는 응축기내부의 냉매 온도보다 높은 고온 열원으로 열에너지를 방출해 고압의 액체상태가 된다. 이 고온 고압의 액체는 팽창과정을 거쳐 저온 저압의 2상 상태가 돼 증발기로 유입된다. 이것으로 기본적인 증기 압축 사이클이 구성된다.

 

사이클을 구성하는 가장 기본적인 잠열은 냉매의 열역학적 상태량을 이해함으로써 보다 효율적으로 이용할 수 있다.


이들 열역학적 상태량 중 온도와 압력을 기준으로 

 나타낸 것을 냉매의 상태도라 한다. CO2 냉매를 사용한 냉동사이클에서는 초임계 영역도 사용한다. 순수물질의 기본 상태인 고체, 액체, 그리고 기체의 상태는 3개의 선으로 명확히 구분된다. 고체영역에 서는 분자간의 상호 배치가 정해져 있으며 액체 영역에서는 근접 분자는 접촉하고 있지만 상호 배치는 정해져 있지 않다. 기체영역에서는 분자가 꽤 떨어져 있으며 기체운동은 매우 자유롭다.


고체, 액체, 기체를 구분하고 있는 경계 에서는 인접하는 2개의 상이 함께 존대하는 데 이것을 이상상태(2 phase)라고 한다. 이상상태에서는 온도와 압력 변화는 없이 에너지 변화에 따른 상변화만 일어나게 된다.

 

상변화 구간을 나타내기 위해 압력과 엔탈피로 냉매의 상태를 표시하면 <그림 1>과 같다. <그림 1>를 통해서 주어진 압력 조건에서 각각의 상변화시 요구되는 에너지량을 알 수 있어 압력-온도 상태도 보다는 확장된 형태의 도표라고 할 수 있다. <그림 2> 에서 증기 압축식 사이클에서 가장 많이 사용하는 영역인 액체와 기체영역만을 나타내었다. 이것을 몰리에르 선도(P-H선도) 라고 부른다.


 


P-H선도에서 이상상태를 구분하는 선을 포화선 이라고 한다. 액체와 이상상태를 구분하는 선을 포화 액선, 증기와 이상상태를 구분하는 선을 포화증기선이라고 한다. 또한 냉매는 포화 액선에서 100% 액체 상태로 존재하며 포화 기체선에서는 100% 기체 상태로 존재한다.

 

P-H 선도는 개발자가 구성하고자 하는 냉동공조사이클의 운전 상태를 표시할 수 있으며 냉방 및 난방능력, 전동기 소비전력 등을 쉽게 구할 수 있다. 이것을 가능하게 하기 위해 P-H선도에는 등압선, 등온선, 등엔탈피선, 등엔트로피선, 등밀도선, 및 등건조도선 등이 표시된다.



가장 널리 사용되는 1단 압축사이클은 냉매의 증발온도가 40°C까지 사용된다. 압축기는 증발기에서 증발한 저압의 냉매 가스를 흡입해 압축한 뒤 고온 고압의 가스를 응축기로 보낸다. 응축기에서는 공기 또는 냉각수로 열을 방출해 난방효과를 내면서 냉매를 응축시켜 액체상태로 팽창밸브로 보낸다. 고압의 액체냉매는 팽창밸브를 통과하면서 압력과 온도가 저하돼 증발기로 들어가게 된다. 증발기로 들어간 이상상태의 냉매가 공기 또는 물의 열을 흡수해 증발함으로써 냉동효과를 발생한다