냉동 및 공기조화 Chapter 2. 냉동의 원리와 방법

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1 냉동 및 공기조화 Chapter 2. 냉동의 원리와 방법
B. K. Park, Ph.D. Department of Mechanical Engineering

2 2.1 냉동 냉동 (refrigeration) 냉매 (refrigerant)
물질의 온도를 그 주위의 온도보다 저온으로 만드는 것 cf). 냉각(cooling): 물질의 온도를 주의의 온도까지 내리는 것 냉매 (refrigerant) 냉동 장치를 순환하며 흡열 및 방열 반응을 수행하는 물질 Freon gas, R134a 등

3 2.2 냉동능력 냉동능력(refrigerating capacity) 단위 시간 동안 냉동 설비가 제거할 수 있는 총 열량
단위: kcal/h 또는 냉동톤(ton of refrigeration, RT) 냉동톤: 0 oC의 순수한 물 1톤을 1일 동안 0 oC의 순수한 얼음으로 만드는 냉동능력 물 1kg을 얼음 1kg으로 만들기 위한 응고잠열은 kcal/kg ≈ 80 kcal/kg cf. 미국냉동톤: 32 oF의 순수한 물 1톤을 1일 동안 32 oF의 순수한 얼음으로 만드는 냉동능력 미국에서 1톤은 2000 lb로 정의함 (2000 lb ≈ 909 kg) 얼음의 융해열은 144 Btu/lb 1 RT = USRT

4 2.2 Cont’d 동결능력(freezing capacity) : 동결장치 또는 동결용 냉매 압축기가 1일 동안에 제조할 수 있는 동결품의 생산톤수로서 T/D로서 표시하며, 1 T/D는 약 1.5~2.0 RT에 상당한다. 제빙능력(ice making capacity) : 제빙장치 또는 제빙용 냉매 압축기가 하루에 제조할 수 있는 얼음의 생산 톤수로서 단위는 T/D로 나타내고, 제빙 1 T/D는 약 1.6~1.8 RT에 상당한다. 냉장능력(cold storage capacity) : 냉장고를 갖춘 냉장화물의 수용능력을 나타내는 것으로서, 단위는 톤 또는 체적(m3)으로 나타낸다.

5 2.3 냉동의 방법 분 류 개 요 자연냉동법 융해열 이용 얼음이 녹으면서 주의의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법
분 류 개 요 자연냉동법 융해열 이용 얼음이 녹으면서 주의의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법 승화열 이용 드라이아이스가 승화하면서 주위의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법 증발열 이용 액화가스가 증발하면서 주위의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법 기 계냉동법 공기 압축식 고압상태의 공기가 저압상태로 단열팽창할 때 주위에서 열을 흡수하는 작용을 이용하여 저온을 얻는 방법 증기 압축식 액화가스의 증발잠열을 이용하고, 증발한 가스를 압축하여 다시 이용할 수 있도록 연속적으로 냉동작용을 하는 방법 흡수식 저온을 생성하는 냉매와 흡수하는 물질을 이용하여 냉매의 연속적인 증발을 유도하는 방법 증기 분사식 고압의 증기를 노즐을 통하여 빠른 속도로 분출함으로써 주위의 액체를 강제적으로 증발시켜 냉동작용을 하는 방법 열전식 서로 다른 성질의 금속제를 붙여 전류를 흘림으로써 한쪽 금속에서는 열을 흡수하고, 다른쪽 금속에서는 열을 방출하는 펠티어 효과를 이용하는 방법

6 2.3 Cont’d 증기압축 냉동법 냉동 사이클(refrigeration cycle)
증발잠열을 이용하는 자연냉동법을 기계장치를 이용하여 반복 수행

7 2.3 Cont’d 흡수식 냉동법 기계적인 일 대신에 열에너지를 이용 가스, 전기, 기름 및 폐열 등 이용
효율은 기계식에 비해 낮다.

8 2.4 냉매 냉매 (refrigerant) 냉매의 조건 냉동장치 내를 순환하면서 주변의 열을 흡수하고 방출하는 물질
암모니아, 프레온, R134A, R407C, R410A 등 냉매의 조건 A. 물리적 성질 1) 냉매가 증발할 때의 압력(포화압력)이 대기압보다 높을 것 2) 응축 압력이 가능한 한 낮을 것 : 응축 압력이 높으면 냉매가 누설되기 쉬움. 압축기 토출 가스의 온도가 높아짐. 체적효율 감소로 인해 동력손실 초래 3) 임계온도가 높고 상온에서 반드시 액화할 것 : 임계온도가 상온보다 낮으면 액화시키는데 어려움이 따라 압축기의 효율저하를 초래함. 4) 응고 온도가 낮을 것 5) 증발잠열이 크고 액체 비열이 작을 것 6) 냉매가스의 비체적이 작을 것 : 장치의 부피를 줄일 수 있음. 7) 전기 절연성이 클 것 B. 화학적 성질 1) 화학적으로 안정되어 있을 것 ) 금속에 대한 부식성이 없을 것 3) 인화성 및 폭발성이 없을 것 ) 악취가 없을 것 5) 인체에 무해해야 하고 누설이 되어도 냉장품을 손상시키지 않을 것 6) 윤활작용에 장해를 일으키지 않을 것.

9 2.4 Cont’d 냉매의 호칭 1) 할로카본계(halocarbon compound) : 냉매의 화학식 중에서 Cl, F, Br과 같은 할로겐족 중 1개 혹은 2개 이상을 포함하는 냉매로서 호칭법은 다음과 같은 3자리 숫자 방식이 이용 되나 C를 2개 이상 포함하지 않으면 2자리가 된다. Cn-1 Hn+1 Fn 여기서 C : 탄소(carbon)원자 H : 수소(hydrogen)원자 F : 불소(fluorine)원자 n : 원자수 예) CCl3F (R11), CCl2F2(R12), CHClF2(R22), CCl2FCClF2(R113) 2) 무기물질: 700번대 번호 수치적 명칭 화학명 화학식 717 암모니아 NH3 718 물 H2O 729 공기 744 탄소산화물 CO2 764 황산화물 SO2

10 2.4 Cont’d 냉매의 종류 3) 탄화수소계 수치적 명칭 화학명 화학식 50 메탄 CH4 170 에탄 C2H6 290 프로판 C3H8 4) 공비혼합물(Azeotropes) : 2개의 물질이 혼합되어 있는 냉매로서 증류에 의하여 분리되지 않는다. 호칭은 500번대. 예). R502: 48.8%의 R22와 51.2%의 R115로 구성 종 류 특징 및 대표적인 물질 CFC (ChloroFluoroCarbon) ● R-11, R-12, R-13, R-22, R-115 등 ●화학적으로 매우 안정된 물질 ●오존파괴계수가 매우 큼(0.5~1.0): 염소 함유 ●CFC에서 방출된 염소는 연쇄반응을 통해 개당 100,000개의 오존분자를 파괴시킴 HCFC (HydroChloro -FluoroCarbon) ●R-123, R-141b, R-225 등 ●오존파괴계수 낮음(CFC의 약 1/10~1/50) ●염소가 있으나 수소가 함께 함유되어 있어 분해되기 쉽다 HFC (HydroFluoroCarbon) ●R-134a, R-152a, R-32, R-125 등 (대체냉매는 이들 냉매를 섞어서 사용) ●오존파괴 계수 0 ●온난화 계수가 다소 크다.

11 2.4 Cont’d 단일 냉매와 혼합 냉매 (1)단일 냉매(Pure Refrigerant) : 하나의 분자 형태로 구성된 단일 성분의 냉매로 비등/응축 시 동일압력하에서 온도변화가 없다. 예) CFC-11(ccl3F), CFC-12(ccl2F2), HFC-134a (2)혼합 냉매(Mixture) : 두개 이상의 단일 냉매를 혼합하여 만든 냉매임. HFC 냉매는 단일 냉매로는 에어컨에서 요구하는 물성을 만족할 수 없어서 혼합 냉매를 사용함. 두 성분 혼합 냉매는 두 물질이 서로 용해된 상태를 의미하고 이들 각각은 액체와 기체의 2상으로 존재할 수 있으며 일정한 온도와 압력에서 평형을 이룬다. 예) R500(CFC-12 + HFC-152), R502(HCFC-22 + CFC-115) R407C(HFC-32 + HFC HFC-134a), R410A(HFC-32 + HFC-125)

12 참고자료