12주차 냉동 사이클

냉동의 원리 ; 일시적 냉동 1. 현열에 의한 냉동 2. 잠열에 의한 냉동 열평형의 원리 증발열 흡수의 원리

냉동의 원리 ; 연속적 냉동 1. Joule Thomson 원리 2. 증발열을 이용 기체의 팽창에 의한 온도하강원리 냉동 사이클의 원리

냉동의 원리 ; 연속적 냉동 3. 전자냉동법 4. etc.. 기체탈착, 자기냉각법 등. Peltier Effect

냉매의 종류 1. 무기화합물 암모니아(NH4), 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 공기(O2) 등. 2. 탄화수소 냉매 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 이소부탄, 에틸렌(C2H4), 프로필렌(C3H6) 3. 할로카본 탄화수소 중 탄소를 할로겐족 원소 (F, Br, Cl, I) 로 치환한 냉매 초기 주로 사용되었으나 오존층 파괴의 주범으로 사용이 금지 4. 공비혼합물 냉매 동일 압력에서 증발온도가 다른 두가지 이상의 냉매를 일정비율로 혼합 5. 비공비혼합물 냉매 증발할 때 온도 상승, 응축할 때 온도 감소

Mollier Diagram (P-h 선도)

냉매 명명법 1. 공기 화학식에 취소(Br, Bromide)가 있는 경우는 냉매번호 우측에 영문자 “B”를 붙이고 그 다음에 취소의 개수 ex) CBrF3 = R-13B1 2. 방향족 유기화합물 냉매는 C를 번호 앞에 붙임 ex) C4F8 = R-C318 3. 탄소가 2개 이상 ex) a,b,c 를 뒤에 붙임 ex) CH2FCF3 = R-134a 4. 비공비혼합물 R-400, 공비혼합물 R-500, 부탄계열 R-600, 산소화합물 R-610, 유황화합물 R-620, 질소화합물 R-630 개발된 순서로 명명

냉매 명명법 1. CH3F = ? 백단위 숫자는 수1－1＝0, 십단위 숫자는 수3＋1＝4, 일단위 숫자는 수＝1 이므로 냉매 이름은 R-41 2. CH2FCF3 = ? 백단위 2-1=1, 십단위 2+1=3, 일단위 4 => R-134a

1-2 과정 : 교축(등엔탈피) 팽창 2-3 과정 : 등압 팽창 qL = h3-h2 = h3-h1 3-4 과정 : 단열 압축 w = h4-h3 4-1 과정 : 등압 압축 qH = h1-h4 (방출) 𝑚 = 𝑄 𝐿 𝑞 𝐿 𝑊= 𝑚 ×𝑤 𝑄 𝐻 = 𝑚 × 𝑞 𝐻

1 냉동톤 (RT) = 24시간 동안에 표준기압, 0℃의 순수한 물 1톤을 0℃의 얼음으로 얼리는데 제거해야 할 열량 sol) 물의 응고열 ~ 333.6kJ/kg 1RT = 1𝑅𝑇= 1000𝑘𝑔/𝑇𝑜𝑛 ×333.6𝑘𝐽/𝑘𝑔 24ℎ𝑟 ×3600𝑠/ℎ𝑟 = 3.861kW ex) R-134a 냉매가 30℃에서 교축팽창되어 -30℃에서 증발한다. 팽창 전과 증발 후 엔탈피가 각각 241.46 kJ/kg, 379.11 kJ/kg이다. 냉동기의 냉동능력이 10 kW라면 냉동효과와 1분당 증발기에서 증발하는 냉매의 질량은 얼마인가? q= h3-h1 = 379.11 - 241.46 = 137.65 kJ/kg 𝑚 = 𝑄 𝑞 = 10 137.65 ×60=4.36𝑘𝑔/𝑚𝑖𝑛

ex) R-134a 냉매가 30℃에서 교축팽창되어 -30℃에서 증발한다. qH 1 응축 4 팽창 압축 2 증발 3 qL

압축기 효율(η) = 이론 소비동력 / 실제소비동력 ex) 냉동능력이 10 kW인 냉동기의 R-134a 냉매가 -30℃에서 가역단열압축되어 응축기에서 30℃까지 응축된다. 압축 전, 후 엔탈피가 각각 379.11 kJ/kg(h3)와 424.66 kJ/kg(h4)이고 교축팽창 후 엔탈피가 241.46 kJ/kg(h2=h1)이다. 압축기 효율이 86%일 때 이 냉동기의 이론소요동력과 실제소요동력을 구하여라. sol) 이론소요동력 w=h4-h3 = 424.66-379.11= 45.66kJ/kg qL = h3-h1 = 379.11 - 241.46 = 137.65kJ/kg m = QL/qL = 10 / 137.65 = 0.0726kg/s W=m x w = 45.66 x 0.0726 = 3.31kW W(ac) = W(id) / η = 3.31 / 0.86 = 3.84kW

역 카르노 사이클 ① 상태변화 1-2 : 가역단열팽창과정으로 압력이 감소하고 온도가 TL로 강하한다. ② 상태변화 2-3 : 등온팽창과정으로 저온도물체로부터 QL의 열을 흡수한다. ③ 상태변화 3-4 : 가역단열압축과정으로 압력이 증가하고 온도가 TH로 상승한다. ④ 상태변화 4-1 : 등온압축과정으로 고온도물체로 QH의 열을 방출한다.

역 카르노 사이클 ① 상태변화 1-2 : 가역단열팽창과정으로 압력이 감소하고 온도가 TL로 강하한다. ② 상태변화 2-3 : QL = TL(s3-s2) = TL(s3-s1). ③ 상태변화 3-4 : 가역단열압축과정으로 압력이 증가하고 온도가 TH로 상승한다. ④ 상태변화 4-1 : QH = TH(s4-s1) W = QH - QL

증기압축사이클 1-2 교축 팽창 2-3' 등압 팽창 (증발) 3-4' 단열 압축 4'-1 등압압축 (응축) ※ 역 카르노 사이클 : 두개의 등온과정과 두개의 단열과정으로 이루어짐 등온을 유지하는것이 사실상 불가능하므로, 두개의 등압과정과 1개의 교축과정, 1개의 단열과정으로 개량하여서 냉각 사이클을 구성

습압축 사이클 건압축 사이클

ex) 증발온도와 압축온도가 각각 -20℃와 30℃인 R-134a 증기압축식 냉동기가 습압 축 사이클로 작동한다 냉동효과(qL) = h3-h2 = 378.64-241.46 = 137.18kJ/kg 압축일(w) = h4-h3 = 413.37-378.64 = 34.73kJ/kg 성적계수 = qL / w = 3.95 TH TL 1. TH(30℃) 일때 1번 점은 포화액 상태이므로 포화액의 비엔탈피는 241.46kJ/kg = h1 = h2 2. TH(30℃) 일때 4번 점은 포화증기 상태이므로 포화증기의 비엔탈피는 413.37kJ/kg = h4 엔트로피는 1.71 kJ/kgK = s3 = s4 3. s3 = s4 이므로 건도값 계산 TL(-20℃) 일때의 포화액, 포화증기의 비엔트로피는 각각 0.9025, 1.7362 kJ/kgK 이므로, x= (s3 - sf) / (sg - sf) = 0.9686 4. h3 = hf + x (hg-hf) 인데 TL(-20℃) 일때의 포화액, 포화증기의 비엔탈피는 각각 174.24, 385.28 kJ/kg 이므로. h3 = 174.24 + 0.9686*(385.28-174.24) = 378.64 kJ/kg

ex) 증발온도와 압축온도가 각각 -20℃와 30℃인 R-134a 증기압축식 냉동기가 습압축 사이클로 작동한다 qH 1 응축 4 팽창 압축 2 3 증발 qL

과열압축 사이클

1 4 2 3' 3

과냉각 사이클(응축기 과냉각) 과냉각 사이클(열교환기 과냉각)

1 1' 4' 4 2 2' 3' 3

추가압축 냉동사이클 2단압축 1단팽창 냉동사이클