냉동의 개요

냉동 냉동기 냉매 냉동이 쓰이는 분야 공기 조화 Chapter 1 : 냉동의 개요 고체, 액체, 기체로부터 인위적으로 열을 제거하여 그 공간이나 물체의 온도를 주위의 온도보다 낮은 상태로 유지시키는 것 자연 냉동법과 기계 냉동법 두 분류로 나뉨 냉동기 냉동을 하는 기계 냉매 냉동기 내를 순환하면서 냉동에 사용되는 매개체인 작동유체 냉동이 쓰이는 분야 식품 저장, 식품 제조, 화학 및 제조 산업, 제빙 및 제설, 공기조화, 해수 탈염 분야, 의학 분야 등 공기 조화 공기의 온도, 습도, 청정도, 분배 및 유속 등을 일정한 조건으로 조정하는 것 온도나 습도를 낮추기 위해서 냉동을 이용하게 되므로 통상적으로 냉동과 공기조화는 같이 취급 공기조화에는 그 대상에 따라 보건용 공기조화와 산업용 공기조화로 나뉨

보건용 공기조화 산업용 공기조화 자연 냉동법 기계 냉동법 Chapter 1 : 냉동의 개요 건물이나 차량 등의 실내에 있는 사람에게 쾌적한 분위기를 제공하는 공기 조화 산업용 공기조화 제조 공정중의 대상이나 물질에 적당한 분위기를 만들어 주는 공기 조화 자연 냉동법 일시적 냉동이라고도 함 자연현상을 이용하여 일회적으로 냉동하는 방식 현열에 의한 냉동법과 잠열에 의한 냉동법이 있음 기계 냉동법 연속적 냉동이라고도 함 에너지를 소비하면서 연속적으로 냉동하는 방식 증기 압축식 냉동기, 흡수식 냉동기, 증기 분사식 냉동기, 공기 팽창식 냉동기, 줄-톰슨 냉동기 전자 냉동기, 초저온 냉동기 등이 있음

Chapter 1 : 냉동의 개요 현열에 의한 냉동법 잠열에 의한 냉동법 현열 : 온도 변화에 사용되는 열 온도가 다른 물질을 접촉시키면 열 평형원리에 의해 온도가 높은 물질은 그 온도가 낮아지고 온도가 낮은 물질은 온도가 높아지게 됨 물리적 성질을 이용하여 냉동하는 것 고체 액체 기체 응고잠열 응축잠열 융해잠열 증발잠열 승화잠열 온도 [℃] 잠열에 의한 냉동법 잠열 : 물체의 상태변화에 사용되는 열. 잠열에는 응고 잠열, 융해 잠열, 증발 잠열, 응축 잠열, 승화 잠열이 있음 응고 잠열 : 액체가 고체로 상태변화 시 사용되는 열 (물→얼음 잠열량 : 79.68kcal/kg) 융해 잠열 : 고체가 액체로 상태변화 시 사용되는 열 (얼음→물 잠열량 : 79.68kcal/kg) 증발 잠열 : 액체가 기체로 상태변화 시 사용되는 열 (물 →수증기 잠열량 : 539kcal/kg) 응축 잠열 : 기체가 액체로 상태변화 시 사용되는 열 (수증기 →물 잠열량 : 539kcal/kg) 승화 잠열 : 고체가 기체, 기체가 고체로 상태변화 시 사용되는 열 (드라이 아이스 승화 잠열량 : 137kcal/kg) 물은 증발 잠열이 크므로 소방 용수로 이용되고 액체 질소는 영하 196℃에서 48kcal/kg의 열이 사용되어 급속 동결장치에 사용

증기 압축식 냉동기 Chapter 1 : 냉동의 개요 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이뤄져 있음 대기에서 쉽게 증발하는 냉매를 사용 증발기에서 냉매를 증발시켜, 압축기에서 압축시킨 후, 응축기에서 다시 응축시키는 과정을 반복 압축기 : 증발기에서 오는 저온저압 증기를 고온고압의 증기로 만들어 응축기로 보내는 역할 고열원의 온도보다 냉매증기의 온도가 높을수록 온도 차가 커지고, 일정 압력 이상으로 고압을 유지해야 응축이 잘 일어나기 때문에 압축기를 사용하여 냉매를 압축 응축기 : 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매 증기가 외부에서 들어오는 저온열원과 열교환을 하여 냉매 액으로 응축하고 냉매와 열 교환한 매체는 난방용으로 쓰임 팽창밸브 : 응축기에서 만들어진 고온고압의 냉매 액을 교축 밸브 또는 모세관에 의해 저온저압의 냉매 액으로 만들어 증발에 용이하도록 하는 장치 증발기 : 팽창밸브를 통과한 저온저압의 냉매 액이 저온 열원으로부터 열을 흡수하여 냉매 증기로 증발시키는 장치. 증발기에서 열을 뺏긴 열원은 냉동으로 쓰임 소형제작이 가능하며 효율이 좋고 다양한 냉매 사용이 가능하기 때문에 현재 가장 널리 사용 압축기로 인한 운전시 소음, 진동이 발생하고 운전 비용이 많이 들기 때문에 일반 중 소형 냉동기에 사용 압축기 응축기 팽창밸브 증발기 고온 고압 기체 냉매 고압 액체 냉매 저압액체 냉매 저온 저압기체 냉매 <증기 압축식 냉동기 구조>

Chapter 1 : 냉동의 개요 흡수식 냉동기 압축기 대신 흡수기와 재생기를 이용하여 고온 고압의 냉매 증기를 발생시키는 냉동기 증기 압축식 냉동기는 기계적 에너지로 압축하지만 흡수식 냉동기는 열 에너지로 압축 흡수 용액이 필요 (냉매 : 암모니아 / 흡수용액 : 물, 냉매 : 물 / 흡수용액 : 리튬브로마이드) 냉매가 흡수 용액에 용해하는 비율은 압력이 높을수록 온도가 낮을수록 증가 냉매의 흐름 : 증발기의 저압으로 인해 비점이 낮아진 냉매는 증발하여 흡수기의 흡수용액에 용해됨 포화된 흡수 수용액은 발생기에서 가열되어 냉매는 증기가 되고 냉매 증기는 응축기에서 냉각수를 만나 액체가 되어 증발기로 돌아감 흡수용액의 흐름 : 흡수기에서 냉매와 용해되어 펌프로 인해 발생기로 감. 발생기에서 가열되어 냉매와 분리 되어 흡수기로 다시 되돌아 감 증발기에서 열원을 보내면 증기냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아져 냉동에 쓰임 압축기가 없어서 소음, 진동이 없으며 운전비용이 저렴하지만 흡수기와 발생기로 인하여 설치공간 및 설치 비용이 많이 듦 <흡수식 냉동기 구조>

Chapter 1 : 냉동의 개요 증기 분사식 냉동기 공기 팽창식 냉동기 <증기 분사식 냉동기> Q 물을 냉매로 사용 물이 증발기로 들어가 저온증발을 하여 일부는 수증기가 되어 이젝터로 가고, 일부는 증발 잠열을 빼앗겨 냉수가 되어 냉동에 이용 보일러에서 고온 고압이 되어 나오는 수증기는 노즐을 통해 저압이 되어 증발기에서 오는 수증기와 만나게 됨. 그래서 이젝터에 의해 높은 속도로 분출하게 되면 디퓨저를 만나 응축기로 가게 됨. 응축기에서 수증기는 물이 되어 급수펌프로 인해 보일러로 되돌아 가는 현상 압축기가 없어서 제작비가 저렴 효율이 매우 나빠 폐열을 이용할 수 있는 대형 선박의 냉방용으로 이용 공기 팽창식 냉동기 압축기 냉각기 팽창 터빈 저온실 Q <공기 팽창식 냉동기> 공기를 냉매로 사용 압축기에서 압축된 공기는 냉각기에 의해 냉각되고 팽창 터빈에 의해 급격히 단열팽창이 일어나 공기의 온도가 낮아짐. 그 때 실내의 공기가 흡입되어 실내에는 열이 빼앗겨 냉동에 사용 대량의 기체를 취급함에 따라 장치가 크고, 효율이 낮음 경량이면서 공기의 강제 흡입이 용이한 항공기 냉방장치로 사용

줄-톰슨 냉동기 Chapter 1 : 냉동의 개요 <Linde법> <Claude법> 압축기에서 압축된 공기는 노즐과 같은 작은 구멍으로 분출시키면 교축 작용에 의해 온도가 낮아짐. 이를 반복해서 액체 공기를 만들고 열 교환기를 통해 서서히 온도를 증가시켜 공기 분자 비등점에 따라 각각 증발하기 때문에 공기를 분류할 수 있음 Claude법 : 산업용으로 다량의 액체 공기를 제조하는데 사용 압축된 공기 중 일부는 팽창기로 흘러가 급속하게 단열팽창 하므로 온도가 더 잘 낮아지게 되어 증류 탑으로 보내짐. 팽창기로 가지 못한 일부 공기는 노즐에서 교축 작용에 의해 액체 공기가 됨 <Linde법> <Claude법>

전자 냉동기 초저온 냉동기 Chapter 1 : 냉동의 개요 열전 냉동기라고도 함 펠티어 효과를 응용하여 냉동기로 응용 펠티어 효과 : 성질이 다른 두 금속을 접속시켜 직류전류를 흐르게 하면 접합부에서 열의 방출과 흡수가 일어나는 현상을 이용하여 저온을 얻는 방법 P-n접합 전극 A는 흡열하고, 상대극인 B는 발열함 전극 A에 의해 냉동을 얻음 사용되는 재료로는 비스무트 텔루르, 안티몬 텔루르, 비스무트 셀렌 등이 있음 제백 효과 : 서로 다른 두 종류의 금속을 접합하여 폐 회로를 만들고 한 쪽을 가열하여 양 금속간에 온도 차가 만들어지면 이 두 금속간에 전위차가 생성된다는 원리. 주로 온도센서에 사용 <전자 냉동기> 초저온 냉동기 <초저온 냉동기> 상자성염과 액체 헬륨과 자기장을 이용 상자성염 : 자기장 안에서는 자기장 방향으로 약하게 자성을 띄나 자기장이 제거되면 자성이 없어지는 물체 (주로 황산가돌라늄을 사용) 상자성염을 자기장 내에 넣으면 상자성염의 분자배열은 일렬로 정렬되는데 그때 열이 발생 그 열을 액체 헬륨이 받아서 증발하게 되고, 급격하게 자기장을 제거하게 되면 상자성염의 분자배열이 흐트러져 1K(약 -272℃)이하의 온도로 내려가 극 저온을 얻을 수 있게 됨

냉동 관련 단위

온도 섭씨 온도 화씨 온도 절대 온도 Chapter 2 : 냉동관련 단위 물체가 가지고 있는 열의 정도 온도 측정의 근거가 되는 자연법칙은 열역학 제 0법칙 열역학 제 0법칙 : 계A와 계B가 열적 평형 상태이고, 계B와 계C가 열적 평형 상태이면 계A와 계C도 열적 평형 상태이다. 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도가 있음 섭씨 온도 물의 응고점을 0, 비등점을 100이라 하여 그 사이를 100등분 한 것 단위 : ℃ 화씨 온도 물의 응고점을 32, 비등점을 212이라 하여 그 사이를 180등분 한 것 단위 : ℉ 절대 온도 물의 삼중점을 273.16(0.01℃)으로 하여 섭씨 눈금과 같은 간격으로 눈금을 정한 것 단위 : K 절대 0K는 -273.15℃이다. 삼중점 : 고체, 액체, 기체가 공존하는 온도와 압력의 조건 (물은 0.01℃에 4.579mmHg)

압력 Chapter 2 : 냉동관련 단위 P1 Pg P0 P2 Po 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘 단위 : Pa, kg/㎠, psi, mmAq, mmHg등 절대압력, 계기압력, 진공압력, 대기압력이 있음 표준대기압 : 지구 중력 가속도가 9.80665m/s²이고 온도가 0℃일 때 수은의 액주를 760mm만큼 밀어 올릴 수 있는 대기의 압력 (760mmHg, 1atm) 계기압 : 게이지 압력이라고도 하며 압력계로 측정한 압력 (대기압을 기준으로 하였기 때문에 0보다 크거나 작을 수 있음) 진공압 : 대기압 이하의 압력 [torr, micron] 절대압력 : 완전 진공을 기준으로 측정한 압력 절대압력 = 대기압 + 계기압, 절대압력 = 대기압 – 진공압 1atm = 760mmHg = 101.3kPa = 14.7psi(lb/in²) = 1.0332kg/㎠ 절대압력 대기압 계기압력 진공 P1 P2 P0 진공도 100% (완전진공) Po Pg 절대압력 0

일 동력 비열 Chapter 2 : 냉동관련 단위 Cp > Cv , κ = Cp/Cv ∴ κ > 1 어떤 물체에 힘을 가하여 그 물체가 힘의 방향으로 이동 했을 경우 힘과 이동거리의 곱 단위 : J, kgf m 등이 있음 동력 단위 시간당 하는 일량 (일의 능률) 단위 : W(J/s), PS, HP(영국 단위)등 1PS = 75kg m/s = 736W = 632kcal/h = 0.987HP 1HP = 76kg m/s = 746W = 642kcal/h = 1.014PS 1kW = 1.36PS = 1.34HP = 860kcal/h 비열 어느 물질 1kg을 1℃ 높이는데 필요한 열량 정압 비열, 정적 비열이 있음 정압 비열 (Cp) : 기체에 대해 압력이 일정할 때 비열 정적 비열 (Cv) : 기체에 대해 체적이 일정할 때 비열 비열비 (κ) : 정압 비열과 정적 비열의 비 Cp > Cv , κ = Cp/Cv ∴ κ > 1

열 에너지 열량 엔탈피 Chapter 2 : 냉동관련 단위 물질을 구성하고 있는 분자의 운동에너지 온도를 상승시키든, 분자의 상태변화를 시키든, 또는 외부에 대하여 일을 하게 되는 원인 열량 열이 고온에서 저온으로 이동한 열의 양 단위 : J, kcal, Btu, kWh 등 1kcal : 표준대기압하에서 순수한 물 1kg을 1℃ 변화시키는데 필요한 열량 Btu : 영국단위, 물 1lb를 1℉ 변화시키는데 필요한 열량 Q = G ∙ C ∙ Δt Q : 열량 [kcal], G : 중량 [kg], C : 비열 [kcal/kg℃], Δt : 온도 차 [℃] 엔탈피 물체가 그 상태에서 보유하고 있는 에너지 총 합 내부에너지 + 유동에너지 = 엔탈피 내부에너지 : 물체의 온도나 압력 등에 따라 그 물체의 내부에 보유하고 있는 에너지 분자의 운동에너지, 진동에너지, 회전에너지, 분자를 사이에서의 상호 분자력에 관계된 형태의 에너지를 뜻함 유동에너지 : 유체가 흐르기 위해 자체적으로 가지고 있는 에너지 (체적 X 압력)

엔트로피 냉동능력 냉동톤 Chapter 2 : 냉동관련 단위 1g의 기체가 상태변화를 일으켜 이 기체가 가지고 있는 열량이 극히 조금 변화한 경우, 그 때 변화한 열량의 값을 그 기체의 절대 온도로 나눈 값 열역학 제 2법칙에서 도입한 상태량 열역학 제 2법칙 : - 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피는 감소하지 않는다. - 열은 그 자체로는 다른 물체에 아무 변화도 주지 않고 저온의 물체로부터 고온의 물체로 이동할 수 없다. - 일 에너지가 열 에너지로 변환할 수 있지만 열 에너지가 일 에너지로 변환하기는 어렵다., 냉동능력 냉동기가 단위 시간 동안 증발기에서 흡수한 열량 단위 : kcal/h 냉동톤 포준대기압 0℃에서 순수한 물 1ton을 하루동안 0℃의 얼음으로 만드는 냉동기의 능력 단위 : RT, USRT 등 1RT = 79.68kcal/kg X 1000kg / 24h = 3320kcal/h 1USRT(미국 냉동톤) = 144Btu/lb X 2000lb / 24h = 12000Btu/h = 3024kcal/h