12주차 냉동 사이클.

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1 12주차 냉동 사이클

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

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

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

5 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

6 Mollier Diagram (P-h 선도)

7 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

8 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

9 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

10 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 kJ/kg, kJ/kg이다. 냉동기의 냉동능력이 10 kW라면 냉동효과와 1분당 증발기에서 증발하는 냉매의 질량은 얼마인가? q= h3-h1 = = kJ/kg 𝑚 = 𝑄 𝑞 = ×60=4.36𝑘𝑔/𝑚𝑖𝑛

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

12 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 kJ/kg(h3)와 kJ/kg(h4)이고 교축팽창 후 엔탈피가 kJ/kg(h2=h1)이다. 압축기 효율이 86%일 때 이 냉동기의 이론소요동력과 실제소요동력을 구하여라. sol) 이론소요동력 w=h4-h3 = = 45.66kJ/kg qL = h3-h1 = = kJ/kg m = QL/qL = 10 / = kg/s W=m x w = x = 3.31kW W(ac) = W(id) / η = 3.31 / 0.86 = 3.84kW

13 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.

14 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

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16 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

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18 습압축 사이클 건압축 사이클

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

20 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

21 과열압축 사이클

22 1 4 2 3' 3

23 과냉각 사이클(응축기 과냉각) 과냉각 사이클(열교환기 과냉각)

24 1 1' 4' 4 2 2' 3' 3

25 추가압축 냉동사이클 2단압축 1단팽창 냉동사이클

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