냉동 및 공기조화 기계공학과 한국산업기술대학교 기계공학과.

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1 냉동 및 공기조화 기계공학과 한국산업기술대학교 기계공학과

2 냉동의 원리 냉동(Refrigeration) : 어떤 물질의 온도를 인위적으로 주위의 온도보다 낮게 유지시키는 방법
냉각(Cooling) : 빙점 온도 전까지 차게 식히는 것 냉장 : 식품류 등을 얼지 않을 정도로 차게 보관하는 것 동결(Freezing) : 빙점 이하의 낮은 온도로 처리하는 것 자연냉동법(일시적냉동법) 잠열을 이용하는 법 : 물체가 상변화할 때 필요로 하는 잠열을 이용 융해열 : 물 79.6kcal/kg at 0℃ 증발열 : 물 539kcal/kg at 100 ℃, 암모니아 kcal/kg at-33.3℃ 승화열 : dry ice 137kcal/kg at -78.5℃ 한국산업기술대학교 기계공학과

3 냉동의 원리 감열을 이용하는 법 : 온도가 높아지는데 필요한 감열을 주위로부터
흡수하는 성질을 이용 기한제를 사용하는 법 : 두 종류 이상의 물질을 혼합하면 한 종류만을 사용할 때보다 더 낮은 온도를 얻을 수 있는 성질 이용 기계냉동법(연속적냉동법) 일이나 열에너지를 사용하여 냉동효과를 연속적으로 얻는 것 압축기체의 팽창에 의한 냉동법 : 압축기체를 급격히 팽창시키면 저 온으로 되는 것을 이용 교축팽창에 의한 냉동, 단열팽창에 의한 냉동 증발열에 의한 냉동법 증기압축식 냉동법, 증기분사식 냉동법, 흡수 냉동법 전자 냉동법, 단열 소자법 한국산업기술대학교 기계공학과

4 냉동의 원리 교축팽창 단열팽창 압축기체를 이용한 냉동장치 한국산업기술대학교 기계공학과

5 냉동의 원리 증기압축식 냉동기의 구성 한국산업기술대학교 기계공학과

6 냉동의 원리 냉동기와 물펌프의 비교 한국산업기술대학교 기계공학과

7 냉동의 원리 냉동기와 열기관의 비교 한국산업기술대학교 기계공학과

8 냉동의 원리 증기압축식 냉동장치 한국산업기술대학교 기계공학과

9 냉동의 원리 증기분사식 냉동장치 한국산업기술대학교 기계공학과

10 냉동의 원리 흡수식 냉동장치 한국산업기술대학교 기계공학과

11 냉동의 원리 Gd2SO4 Peltier effect 전자냉동법 이용 냉장고 단열소자법 냉동원리 한국산업기술대학교 기계공학과

12 냉매 냉매 : 증발하기 쉬운 액체로서 냉방기기 내에서 냉동사이클을 반복 냉매의 조건 물리적 특성 :
냉매 : 증발하기 쉬운 액체로서 냉방기기 내에서 냉동사이클을 반복 하면서 저온부의 열을 흡수하여 고온부에 운반, 방출하는 동작유체의 총칭 1차냉매 : 증기압축냉동시스템에서 저온부에서 증발, 고온부에서 응축, 액화되는 상변화 과정을 갖는 냉매 2차냉매 : 저온열을 상변화 없이 운반, 배출하는 유체, Brine 냉매의 조건 물리적 특성 : 증발압력이 대기압보다 높을것 응축압력이 낮을 것 임계온도가 높고 상온에서 반드시 액화할 것 증발잠열이 크고, 응고점이 낮을 것 전열작용이 양호할 것 한국산업기술대학교 기계공학과

13 냉매 화학적 특성 기타 특성 냉매의 종류 무기화합물(inorganic compound) 냉매
화학적으로 안정되고 변질되지 않을 것 부식성 및 윤활에 해가 없을 것 인화 폭발성이 없을 것 기타 특성 독성, 자극성, 악취가 없을 것 값이 싸고 구입이 용이할 것 냉매의 종류 무기화합물(inorganic compound) 냉매 암모니아, 물, 탄산가스, 아황산가스 탄화수소(hydrocarbon) 냉매 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등 한국산업기술대학교 기계공학과

14 냉매 할로겐화 탄화수소(halocarbon compound) 냉매 공비혼합물(azeotropic compound) 냉매
프레온(freon)이라 불리며 메탄과 에탄에 할로겐 원소(Cl. F, Br, I)들이 치환된 냉매군 공비혼합물(azeotropic compound) 냉매 2종 이상의 냉매가 일정 조성으로 혼합되어 단일 냉매와 같은 물리적 성질을 갖는 것 냉매 명명법 할로겐계 냉매 R-ⓐⓑⓒ ⓐ : k-1, ⓑ : l+1, ⓒ : n ※ 일반화학식 : Ck Hl Clm Fn , 2k+2 =l+m+n 예 : CHClF2 : R-22 메탄(CH4)계는 두자리 수자 CF3CH2F : R-134a 에탄(C2H6)계는 세자리 수자 한국산업기술대학교 기계공학과

15 냉매 무기화합물계 냉매 공비혼합물 냉매 환고리식 유기혼합물 냉매 유기화합물냉매 불포화탄화수소 냉매
R-7○○ : 뒤 ○○은 분자량 예 : 암모니아(NH3) : R 물(H2O) : R-718 공비혼합물 냉매 R-5○○ : 개발순서대로 환고리식 유기혼합물 냉매 R-C○○○ : C는 사이클을 의미 공비혼합물 냉매 유기화합물냉매 R-6○○ : 개발순서대로 예 : 부탄계 :R-60○ 산소화합물 : R-61○ 유황화합물 : R-62○ 질소화합물 : R-63○ 불포화탄화수소 냉매 R-○○○○ : 1000단위에 1을 붙이고 나머지는 활로겐화탄화수소의 명명법에 따름 한국산업기술대학교 기계공학과

16 냉매 국제적으로 통용되는 냉매 명명법 CFC(chloro fluoro carbon) : R-11, R-12, R-113 등
규제대상 : 분해가 잘 안돼 오존층 파괴 염려 많음 HCFC(hydro chloro fluoro carbon): R-22, R-123, R-124, R-141b 등 규제대상 : 수소 함유로 비교적 분해 용이 → 오존층 파괴 염려가 적음 HFC(hydro fluoro carbon) : R-125, R-134a, R-152a 등 염소를 포함하지 않아 오존층 파괴 염려 없음 할론(halon) 냉매 : 화합물 중 취소(bromide)를 포함하는 냉매 halon-ⓐⓑⓒⓓ : ⓐ 탄소 ⓑ 불소 ⓒ 염소 ⓓ 취소원자수 CF냉매 : 불소와 탄소만으로 구성 R-116(CF3CF3) 한국산업기술대학교 기계공학과

17 냉매와 환경 오존층 파괴물질과 CFCs 성층권 : 고도 10km 내지 15km ∼50km로 올라갈수록 기온이 높아 역
학적으로 안정된 상태 오존층(O3) : 두께 3mm정도, 태양자외선을 흡수하여 성층권 가열원 * 오존 : 상온에서 약한 청색, 비린내 비슷한 냄새, 강력한 산화력으로 냄새나 세균을 제거하고 공기를 맑게 하는 역할 오존의 생성 : O2 → O + O O + O2 → O3 오존의 파괴 : 질소산화물(NO)의 경우 NO + O3 → NO2 + O2 오존파괴설 제기 : 1974년 미국 로랜드교수와 모리나 강사 프레온가스는 대기중에서 거의 분해되지 않고 성층권에 도달하여 강한 자외선에 의해 분해되어 염소원자(Cl)를 방출 →염소원자가 오존을 파괴 오존파괴 확인 : 1988년 미국 항공우주국(NASA)의 연구보고서 1986년까지 프레온으로 인해 오존층이 2.3% 감소할 경우 오존층을 통과하는 자외선의 양은 2∼3% 증가한다고 발표 한국산업기술대학교 기계공학과

18 냉매와 환경 오존층 파괴 메커니즘 CFC-11 : CFCl3 → CFCl2 + Cl, CFC-12 : CF2Cl2 → CF2Cl + Cl Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O → Cl + O2 한 개의 염소원자가 다량의 오존분자를 파괴함 염소를 포함하지 않는 프레온(예 : HFC-134a) 염소가 없어 오존층 파괴능력 없음 너무 안정되어 온실효과를 조장 대체냉매로 독성이 없고 불연성이며 제조비용이 높지 않은 물질 요망 염소를 포함하나 분해하기 쉬운 프레온(예 : HCFC-22) CHClF2 + H2O → CHF2OH + HCl CHF2OH + H2O → HCO2H + 2HF CHClF2 + OH → CClF2 + H2O CClF2 + 2H2O → HCl + 2HF + CO2H 한국산업기술대학교 기계공학과

19 지구환경 자외선의 영향과 온실효과 자외선의 영향 피부암의 원인 : 2,800 ∼3,200Å 파장의 자외선에 민감
면역기능의 약화 및 곡물의 수학감소 온실효과(green house effect) 빛은 통과하나 지표면의 열의 방사가 차단되면 지구의 평균온도가 올라감 해수온도 상승, 기후나 기상의 혼란 가중, 태풍, 한발다우 등 지구규모의 기후패턴이 붕괴 남.북극의 얼음이 녹아 해수면 상승 → 해안 침식 → 농지감소로 식량생산 감소 주 요인 : 탄산가스, 동량일 경우 프레온가스가 10,000배 온실효과 큼 한국산업기술대학교 기계공학과

20 흡수식 냉동기용 냉매와 흡수제 물 냉매계 냉매와 흡수제의 조합시 요구 사항 잠열이 크고 임계압력이 충분히 높을 것
냉매와 흡수제의 비등점 차가 크고, 열용량(흡수액순환량×비열)의 값이 작을 것 냉매와 흡수제의 응고점이 실온보다 낮고 냉동기 정지시에도 응고하지 않을 것 부식성이 없고, 열 안정성이 있을 것 가격이 저렴하고, 구입이 용이할 것 물 냉매계 H2O + LiBr계를 기본으로 하는 2성분계와 이것을 개량하기 위한 3성분계, 4성분계 등이 있다. 물은 증발잠열이 크고, 성적계수가 좋으며, 쉽게 구할수 있는 장점 물의 비등점이 높아 공냉화가 곤란, 0℃이하가 불가 LiBr은 부식성이 강함 한국산업기술대학교 기계공학과

21 흡수식 냉동기용 냉매와 흡수제 암모니아 냉매계 알콜 냉매계
H2O + LiBr-LiSCN계가 태양열 이용 냉난방용 흡수냉동기에 주목 암모니아 냉매계 유독성, 가연성 및 폭발성 등의 결점이 있으나 냉매로서 좋은 특성이 있어 특수 공업용으로 사용 알콜 냉매계 알콜류는 물, 암모니아 다음으로 증발잠열이 크고, 물에 비하여 응고점이 낮음 가연성이 있어 바람직하지 못함 불화알콜인 3불소에탄올(CF3CH2OH)이 주목 → 증발잠열이 작지만 가연성, 독성 및 부식성이 적으며 결정석출이 적어 H2O + LiBr 대용 한국산업기술대학교 기계공학과

22 흡수식 냉동기용 냉매와 흡수제 프레온 냉매계 R-22, R-124는 열안정성이 높고, 효율이 좋아 열펌프용으로 유망
흡수제로는 DMF(dimethyformamide) 등이 있음. 한국산업기술대학교 기계공학과

23 COP(성능계수) = Q2/( Q1-Q2) = T2/( T1-T2)
냉동 사이클 T-s 선도상에서 표시한 역카르노사이클 COP(성능계수) = Q2/( Q1-Q2) = T2/( T1-T2) 한국산업기술대학교 기계공학과

24 냉동 사이클 냉매의 상태변화와 p-h선도 한국산업기술대학교 기계공학과

25 냉동사이클 표준냉동사이클의 온도조건 한국산업기술대학교 기계공학과

26 냉동사이클 이론냉동사이클과 실제냉동사이클의 비교 한국산업기술대학교 기계공학과

27 2원 냉동사이클 한국산업기술대학교 기계공학과

28 증기선도 증기선도 증기선도의 종류 냉동기 내의 냉매의 변화상황을 상세하게 알기 위하여 냉매의 상태를 도시한 선도
선도상에서 냉동기의 능력, 소요동력 등을 계산 가능 증기선도의 종류 압력-엔탈피 선도 (P-h diagram) : 모리엘선도(Mollier diagram) 응축 및 증발 열량, 압축일의 열당량이 엔탈피의 차로 표시 압력과 온도의 변화에 따른 엔탈피 차를 구하는데 편리 → 가장 많이 사용 온도-엔트로피 선도 (T-s diagram) 변화 중에 수수한 열량이 면적으로 표시 → T dS = delta Q 압력이나 엔탈피의 값을 읽는 것이 불편 → 별로 사용치 않음 한국산업기술대학교 기계공학과

29 냉동용어 냉동능력과 냉매량의 관계 증기의 비체적과 밀도
냉매증기의 온도가 높으면 비체적이 감소, 밀도 증가 → 단위부피의 흡입량에 대해 질량유량이 증가 질량유량 (mass flow, kg/s) 냉매의 시간당 질량유량은 냉동기의 냉동능력과 동력소요양의 결정 인자 압축기 흡입압력 강하 → 평행온도 저하, 극간체적효율 저하 및 비체적 증대로 질량유량 감소 → 냉동기 성능 저하 냉동효과 (refrigerating effect) 단위 질량(중량)의 냉매가 증발기에서 흡입하는 열량 ※ 체적냉동효과 : 압축기 입구에서의 단위체적의 냉매가 증발기로 부터 흡입하는 열량 한국산업기술대학교 기계공학과

30 냉동용어 냉동능력 (refrigerating capacity) 동결능력, 제빙능력, 냉장능력
냉동기가 단위시간당 증발기에서 흡입하는 열량, 냉매 전체에 대한 냉동효과 ※ 냉동톤 : 0℃ 물 1톤(2000lb)을 하루동안 0℃ 얼음으로 만드는데 필요한 열량 RT (냉동톤) : 1RT = 1000kg x 79.68kcal/kg / 24hr = 3320kcal/h USRT(미국 냉동톤) : 1USRT = 2000 lb x 144 Btu/lb / 24hr = 12000Btu/h = 3024kcal/h 1RT = USRT, 1USRT = RT 동결능력, 제빙능력, 냉장능력 동결능력(freezing capacity) : 동결장치 또는 동결용 냉매 압축기가 하루에 제조할 수 있는 동결품의 생산톤수 [T/D] → 1.5 ∼ 2.0 RT 상당 한국산업기술대학교 기계공학과

31 냉동용어 제빙능력(ice making capacity) : 제빙장치 또는 제빙용 냉매 압축기가
하루에 제조할 수 있는 얼음의 생산톤수 [T/D] → 1.6 ∼1.8 RT 상당 냉장능력(cold storage capacity) : 냉장고가 갖는 냉장화물의 수용능력 [톤 or m3] 톤과 m3의 관계 : 냉장물의 종류, 모양 및 수용상태에 따라 차이 공칭능력 : 냉장고 내용적 1 m3 당 0.4톤의 냉장능력을 톤으로 표시할 경우 한국산업기술대학교 기계공학과

32 2원냉동사이클 2원냉동사이클(cascade refrigeration cycle)
왕복식 압축기에서 흡입압력이 약 0.1ata 이하가 되면 체적효율이 작아져 다단압축으로도 저온습득 불가 고온냉동기의 증발온도와 저온냉동기의 응축온도의 차 : 5 ∼ 10℃ <표> 극저온용 냉매 한국산업기술대학교 기계공학과

33 흡수식 냉동기 흡수식 냉동기 냉매와 흡수제의 특성 흡수기, 재생기(발생기), 증발기, 팽창밸브, 용액열교환기로 구성
압력과 증발온도의 관계(물) 대기압 : 100℃ 기압 : 46℃ 기압 : 6.5℃ 냉매와 흡수제의 특성 H2O-LiBr 공조용 냉매 : 증류수 흡수용액 : 리튬브로마이드 수용액(H2O/LiBr) 냉수출구온도 7℃정도, 냉각수 입구온도 32℃정도가 되도록 설계 부식억제제 첨가 → 금속표면 피막형성(용액온도 높고, 공기가 많이 존재할수록 빨리소멸) → 정기적으로 부식 억제제 추가 필요 한국산업기술대학교 기계공학과

34 흡수식 냉동기 흡수식의 종류 NH3-H2O 냉매 : 암모니아 o 흡수제 : 물 최근 환경문제의 대두로 새로이 각광
냉매와 흡수제의 비점차가 적어 정류기 필요 흡수식의 종류 최근 사용동향 중압증기(8kgf/cm2g 정도) 사용 직화식 2중효용(증기소비량 : 2/3, 냉각탑용량 : 3/4, 성적계수 : 1.0 ∼ 1.2) ← 단효용(성적계수 : 0.6 ∼ 0.7) → 터보냉동기의 대체기종 열병합발전용과 지역냉난방의 열원기기로 저온수흡수냉동기의 적용 검토 한국산업기술대학교 기계공학과

35 압축식과 흡수식의 비교 한국산업기술대학교 기계공학과

36 단효용 흡수식 냉동기 단효용 한국산업기술대학교 기계공학과

37 흡수식 냉동기 이중효용 병열 한국산업기술대학교 기계공학과

38 열병합 발전설비 한국산업기술대학교 기계공학과

39 압축기 압축방법에 의한 분류 압축기의 개요 증기압축식 냉동기의 4대 요소 : 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브
압축기 중 사용냉매의 종류, 압축비, 용량, 응축기의 조건에 따른 압축 시 선정능력배양 압축방법에 의한 분류 왕복식(reciprocating) : 피스톤의 왕복운동에 의하여 흡입, 압축 및 송출 회전식(rotary) : 편심으로 설치된 로터(또는 피스톤)의 회전에 의하여 로터와 실린더 벽의 공간으로 냉매가스를 흡입, 압축, 송출 → 회전용적형 터보식(centrifugal/turbo) : 임펠러의 고속 회전운동에 의하여 냉매 가스에 속도에너지 → 압력에너지로 변환 한국산업기술대학교 기계공학과

40 왕복식 압축기 왕복식압축기(reciprocating compressor)
3∼4RT(10∼15kW)급 이하에 주로 사용 ← 중대형은 스크류식이 주로 사용 15kW급 이상 대형은 고속다기통 개방형 왕복식압축기가 사용 냉매 : R-12, 22, 500, 502, 717 등 한국산업기술대학교 기계공학과

41 회전식 압축기 장점 소형으로 설치면적이 작음 윤활유 펌프 및 흡입밸브가 없음 배출증기의 온도가 낮음
압축비에 비하여 체적효율이 높음 액격(liquid hammer) 또는 유격(oil hammer)이 적음 운동이 정숙하고 진동이 적음 부품수가 적음 단점 오일분리기와 오일냉각기가 큼 전체 폭과 높이는 작으나 길이가 김 윤활에 주의, 용량제어 불가 분해조립 및 정비에 특수한 기술이 필요 비체적이 큰 냉매에 적합 한국산업기술대학교 기계공학과

42 회전식 압축기 고압용 다단압축기의 저압용 한국산업기술대학교 기계공학과

43 회전식 압축기 구조 및 원리 한국산업기술대학교 기계공학과

44 스크류압축기 장점 소형경량으로 설치면적이 작음 진동이 없고, 강고한 기초가 필요없음
12 ∼ 100%의 무단 용량제어가 가능하며 자동운전에 적합함 액격(liquid hammer) 또는 유격(oil hammer)이 적음 밸브와 피스톤이 없어 장시간의 연속운전이 가능 부품수가 적고 수명이 김 단점 오일분리기와 오일냉각기가 큼 오일펌프를 별도로 설치해야 함 경부하시 동력이 큼 분해조립 및 정비에 특수한 기술이 필요 소음이 비교적 큼 한국산업기술대학교 기계공학과

45 스크류압축기 스크류 압축기의 원리 한국산업기술대학교 기계공학과

46 스크롤압축기 원리 한국산업기술대학교 기계공학과

47 터보압축기 장점 개요 원심력을 이용하여 냉매를 압축 압축냉매증기의 체적은 크지만 압축압력을 크게하는 것은 곤란 대용량이 가능
용량에 비해 소형 진동이 적음 압축냉매증기 속에 유적(기름방울)이 없음 응축기에서 응축되지 않는 경우에도 이상고압이 되지 않음 접동부가 적음 단점 소용량압축기는 효율이 감소하여 비경제적 부하가 감소하면 서징(surging) 발생 냉매회수장치가 필요(R-12는 불필요) 흡입관 및 배출관이 직접팽창식에서는 커지므로 브라인식이 필요 한국산업기술대학교 기계공학과

48 터보압축기 2단 터보압축기 한국산업기술대학교 기계공학과

49 압축기의 사용범위 한국산업기술대학교 기계공학과

50 응축기와 증발기 응축기 증발기 고온고압의 냉매가스를 냉각시켜 액체냉매로 만드는 장치 열교환매체에 따라
공기냉각방식 물냉각방식 증발방식 증발기 내부에 흐르는 저온의 냉매가 주위의 열을 흡수하면서 증발하여 냉동작용을 하는 장치 한국산업기술대학교 기계공학과

51 팽창장치 팽창장치의 종류 및 특징 팽창장치의 개요 냉매의 압력강하와 증발기내 냉매량을 조절 → 일명 압력조절밸브
냉동부하에 따라 냉매량 주입 조절 → 압축기내 냉매액 유입방지, 냉동시스템 균형유지 팽창장치의 종류 및 특징 수동식 팽창밸브(hand expansion valve) 자동식 팽창밸브 온도식 팽창밸브(thermostatic expansion valve) 자동 또는 정압식 팽창밸브(automatic expansion valve, constant pressure expansion valve) 플로트식 팽창밸브(float type expansion valve) - 저압플로트 팽창밸브 - 고압플로트 팽창밸브 모세관(capillary tube) 한국산업기술대학교 기계공학과

52 냉동부속기기 냉동부속기기 냉동장치의 안전을 도모하기 위한 장치
유분리기, 수액기, 건조기, 여과기, 오일냉각기, 액분리기, 제상장치, 중간냉각기, 열교환기, 액반송장치, 윤활유반송장치, 자동제어기기류, 밸브류, 각종 안전장치류 등 한국산업기술대학교 기계공학과