냉동이론 및 성적계수 계산 2005. 5. 28 에너지관리공단 기술컨설팅사업단 대리 최성우.

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1 냉동이론 및 성적계수 계산 에너지관리공단 기술컨설팅사업단 대리 최성우

2 Contents 1교시 : 기초이론 및 용어 2교시 : 증기 압축식 냉동의 원리, 선도 이해
3교시 : 흡수식의 이해, 히트펌프

3 냉동이란? 정의 방법 어떤 물체의 온도를 주위온도 보다 낮게 인위적으로 낮게 유지 시키
는 방법을 넓은 의미에서 냉동(Refrigeration)이라 한다. 냉각(Cooling), 동결(Freezing), 냉방, 냉장 . . . Cooler, Chiller, Refrigerator, Freezer . . . 방법 자연적(일시적)인 냉동법 : 외기냉방, Pre Cooling 기계적(연속적)인 냉동법 : 냉동기(Refrigerator)

4 기계적인 냉동방법의 분류 기계적인 냉동방법(냉동기의 분류) ▶증기압축식(기계압축식) 왕복식 Screw Rotary Turbo
▶흡수식 1중(단일)효용 흡수식 2중효용 흡수식 ▶공기압축식, 증기분사식, 진공식, 흡착식, 자기식 . . .

5 기계적인 냉동방법의 분류 ※ 압축기 분류 작동원리에 따라 용적형과 터보형으로 분류할 수 있으며 용적형 압축기(Positive Displacement Compressor)는 체적의 감소를 통하여 압력을 증가시키는 방식이며, 터보형 압축기(Turbo Compressor OR Dynamic Compressor)는 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압력을 증가시키는 방식이다 용적형 압축기와 터보형 압축기는 작동형태에 따라 <표->와 같이 분류할 수 있다. 용적형 왕복동식 회전식 로타리식 롤링피스톤식 로타리베인식 스크류식 스크롤식 터보형 원심식 축류식

6 기초 용어 온도 압력 섭씨온도(tc), 화씨온도(tf), 절대온도(T)
tc = 5/9(tf-32), tf = 9/5tc + 32 T = tc + 273, T = tf + 460 압력 물체의 단위면적에 수직으로 작용하는 힘 열역학이나 냉동공학에서 ㎏/㎠를 주로 사용 1 atm(표준대기압) = 760 mmHg = ㎏/㎠ = Pa = mAq 1 at(공학기압) = 1 ㎏/㎠ = 10 mAq = mmHg = Pa ☞ 공학적으로 표준대기압이 불편하여 공학기압을 정의하여 사용

7 기초 용어 압력 Pata = Patg + P0 , Pata = P0 + Pv 진공도(%) = (진공압력÷대기압)×100
게이지압 (atg) 정압 표준대기압 진공도(0%) 부압 게이지압(부압) 또는 진공압력 대기압(Po) 절대압(ata) 절대압(ata) 절대진공(ata) 진공도(100%)

8 1usRT =2,000(lb)×144(Btu/lb)/24(h)=12,000(Btu/h)=3,024(kcal/h)
기초 용어 냉동톤((Refrigeration ton : RT) 냉동능력이라고 하며, 냉동톤(RT)란 표준기압에서 순수 1ton을 24시간동안에 0℃의 물을 0℃의 얼음으로 만드는 냉동기의 능력으로 미터제 냉동톤(RT)와 미국냉동톤(usRT)이 있다. 1RT = 1000(kg)×79.68(kcal/kg)/24(h) = 3,320(kcal/h) 1usRT =2,000(lb)×144(Btu/lb)/24(h)=12,000(Btu/h)=3,024(kcal/h) 냉동효과 단위 중량(1kg)의 냉매가 증발기에서 흡수하는 열량 단위로는 kcal/kg, Btu/Ib q2=h2-h1 h1 : 증발기 입구에서의 냉매 엔탈피 h2 : 증발기 출구에서의 냉매 엔탈피

9 기초 용어 냉각톤( RT : 3,900 kcal/h) 냉각톤이란 1RT의 냉동톤의 능력을 발휘하기위해 대기중으로 배출하여야할 열량 1냉각톤 = 냉동톤 + 냉동톤당 전기입력의 열(1KW=860Kcal/h ) = 3, =3,884Kcal/h≒3,900Kcal/h 냉각수 순환수량및 증발량 냉각수온 37℃ 물이 1Kg증발하면 약 577Kcal/h 의 잠열 흡수 3,900÷577≒6.76kg/h이 공기중으로 증발 순환수량 = 냉각열량 ÷ 온도차 = 3,900 ÷ 5 = 780 ℓ/RT.h로서 냉각탑에서 RT당 780ℓ/h로 순환되고 6.76Kg/h(0.86%)가 증발 소모

10 기초 용어 렌지와 어프로치 냉각탑의 용량결정에 사용되며 냉각탑의 용량은 냉각될 물의 수량(LPM), 물의 입구온도(EW), 물의 출구온도(LW), 냉각탑으로 들어가는 공기의 습구온도(WB)에 의해 용량이 결정된다 렌지(Range) 냉각수 입구온도와 출구온도의 차 Range = EW - LW 어프로치 공기의 습구온도와 냉각수 출구온도의 차 Approach = Wb - LW

11 기초 용어 표준냉동싸이클 증발온도 응축온도등 조건에 따라 냉동기의 성능은 다르게 나타난다. 따라서 동일한 조건에서의 냉동능력을 표시한다. ※ 조건 - 응축온도 : 30℃ - 증발온도 : -15℃ - 압축기 흡입상태 : -15℃(건포화증기) - 과냉각도 : 5℃(팽창밸브 직전 액의 온도 25℃)

12 기초 이론 열역학 제1법칙 열역학 제2법칙 에너지 보존의 원리로 열은 일로, 일은 열로 변환이 가능하며, 비례
관계가 성립한다. Q = AW , W = JQ 열역학 제2법칙 열을 일로 바꾸려면 반드시 그 보다 낮은 저온의 물체로 열을 버려 야 한다. 열을 저온의 물체로 부터 고온의 물체로 이동시키려면 에너지를 공 급하여야 한다. q1 = q2 + AW

13 기초 이론 냉동기와 열기관(열역학 제2법칙 적용)

14 기초 이론 카르노싸이클 & 역카르노싸이클 가역 등온변화와 가역 단열변화로 구성되며 이상적인 싸이클 AW Q2 Q2 Q2 ηc
ηrc = = 1 - = = Q1 Q1 Q1 – Q2 AW

15 냉동기의 원리 실내 실외 팽창밸브 증발기 응축기 실내공기흡일 실외공기흡일 찬공기 토출 더운공기 토출 압축기

16 냉매싸이클 이상적인 냉동싸이클(역 카르노 싸이클)

17 냉동기 원리 냉매 증기 선도 X=C T=C v=C s=C h=C P=C K T S h P x=C

18 이상 냉동 싸이클 과 실제 냉동 싸이클 K T S 1’ 5 2 1 4 3 a c b 2’ 3’ P=C h=C T1 P Aw
q2 h3 h1=h2 h4 h 팽창기(단열팽창) 증발기(등온증발) 압축기(단열압축 응축기(등온응축 이상냉동 싸이클 팽창밸브(교축팽창) 증발기(정압증발) 압축기(단열압축 응축기(정압응축) 실제냉동 싸이클

19 실제 냉동 싸이클

20 성적계수 계산 P-h 선도 응축기 P c1 팽창밸브 압축기 증발기 P e2 q e A w h h h h 1= 2 3 4

21 성적계수 계산 성적계수(COP) 냉동기의 성능 표시하는 무차원 수 증발기에서 냉매가 흡수한 열량 (kcal/h) 성적계수 =
냉각 효과(냉동능력) = 압축 일량 q2 = AW (h3 – h1) = (h4 - h3)

22 성적계수 계산 ※ 히트펌프의 성적계수 냉동싸이클의 응축기열을 이용하는 것을 히트펌프라고 하며 히트펌
프 COP는 냉동기 COP의 값에 1을 더한 것 q2 q2 ηc = = AW q2 – q1 q1 q2 + AW ηh = = AW AW q2 = + 1 AW ηc = + 1

23 성적계수 계산 증발기에서 흡수한 열량(냉동효과 : kcal/kg) 압축기에서의 일량(kcal/kg)
q2 = h3 – h2 = h3 – h1 압축기에서의 일량(kcal/kg) AW = h4 – h3 응축기에서의 일량(kcal/kg) q1 = h4 – h1 냉동능력(kcal/h) 1시간 동안 증발기에서 흡수하는 열량(kcal/h) = q2 × G ※ q2 : 냉동효과(kcal/kg) , G : 냉매순환량(kg/h)

24 성적계수 계산 압축비 소요동력(kW) Pc1 ÷ Pe1 (1단 압축 보통 3~4)
보통의 냉매로 -30℃이하를 얻을때 압축기 2대를 설치하여 2단 압축 (압축비 6~9) -70℃ 이하 초저온이 되면 단일냉매로 단단 혹은 2단압축하여도 저온 을 얻을수 없을때 2원냉동(일반냉매로 각각의 Cycle로 운전) 소요동력(kW) ( AW × G ) ÷ 860 ※AW : 압축일의 열당량(kcal/h), G : 냉매순환량(kg/h)

25 흡수식냉동기 증기압축식과 흡수식 특성 비교

26 흡수식의 분류

27 흡수식의 원리 흡수식의 냉방 원리 냉매로서 물은 대기압 중에서 100。C로 가열하면 비등 증발한다, 대기압보다
증발기를 6~7mm Hg 정도의 진공상태로 유지하여 냉매인 물을 약 5。C정도에 서 비등 증발시켜 냉각효과를 발생.

28 흡수식냉동기 1중효용 흡수식냉동기 구성(H2O – LiBr)

29 During 선도 1중 효용

30 흡수식냉동기 2중효용 흡수식냉동기 구성(H2O – LiBr)

31 During 선도 2중 효용(병렬흐름방식)

32 냉매의 흐름 방식 직렬흐름 방식과 병렬흐름 방식 ( 직렬흐름 방식 ) ( 직렬흐름 방식 )

33 흡수식 냉온수기 냉방싸이클

34 흡수식 냉온수기 난방싸이클

35 흡수식냉동기 성적계수 흡수식냉동기 증발기에서 흡수한 열량(kcal/h) 냉수 공급 열량 성적계수 = =
입력 에너지 냉수유량(kg/h)×(출구온도-입구온도) ℃ = 증기소비량(kg/h) × (증기엔탈피 - 응축수엔탈피) kcal/kg ×( 용액펌프 + 흡수액펌프 + 냉매펌프 )kW × 860 kcal/kW 냉수유량(kg/h)×(출구온도-입구온도) ℃ = 증기소비량(kg/h) × (중온수 입구온도 – 중온수 출구온도) ℃ ×( 용액펌프 + 흡수액펌프 + 냉매펌프 )kW × 860 kcal/kW

36 빙축열시스템 개요 빙축열 시스템은 심야시간에 냉동기를 가동하여, 얼음의 형태로 냉열을
저장하였다가 주간의 냉방에 활용하는 시스템 [물을 냉각하면 온도가 내 려가 0℃가 되며 더 냉각하면 얼음으로 상변환될 때 얼음 1kg에 대해서 응고열 79.68kcal를 저장되며, 반대로 얼음이 물로 변할 때는 융해열 79.68kcal/kg가 방출]

37 빙축열시스템 시스템 원리

38 빙축열시스템 빙축열 시스템 분류

39 히트펌프 개요 모든 냉동기와 히트펌프는 저열원에서 고열원으로 열을 이동시키는 일을 하는 기계

40 히트펌프 시스템 구성 실외기 실내기 실외기 실내기

41 히트펌프 히트펌프 분류 열펌프 (HP) Air Source Heat Pump 채열원 Water Source Heat Pump
Solar Source Heat Pump Ground Source Heat Pump EHP (Electric Heat Pump) 구동원 GHP (Gas Engine Driven Heat Pump)

42 연료전지 시스템 연료전기 시스템 구성도

43 냉매 냉매와 브라인 냉매란 냉동기에서 저열원으로부터 열을 흡수하여 고열원으로 운반 및
방출하는 동작유체를 말하며 상변화를 일으켜 잠열을 이용하는 것을 일 차 냉매(공기 포함)라 하며 상변화를 하지 않고 항상 액체상태에서 현열 을 이용하여 열을 흡수, 운반 및 방출하는 물질을 이차냉매(브라인)이라 한다. 자연냉매 NH3, H2O, C02, CH4…. 합성냉매(CFC) 메탄계, 에탄계, 이성처(Isormer), 공비혼합물(Azeotropic Mixture)

44 냉매 CFC(Chloro Fluoro Carbons) 냉매 C(탄소), Cl(염소), F(불소)로 구성된 화합물
탄화수소의 수소원자를 염소와 불소로 치환 구 분 종 류 물질 구성 규제일정 CFC R11, R12, R13 … C,Cl,F로 구성 강력한 규제 대상 ’99년 이후 동결 2010년 이후 전폐 HCFC R22, R123a … 최소한 하나 이상이 수소원자로 치환됨 염소를 소량 함유하여 규제 대상 2016년 이후 동결 2040년 이후 전폐 HFC R32, R152a, R134a 염소나 브롬을 함유하지 않은 대체 냉매 ※CFC냉매 규제내용은 몬트리올의정서 참조

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