증기 압축 냉동 사이클의 개요와 P-h 선도 — 압축기·응축기·팽창 밸브·증발기, 등엔탈피, 몰리에르 선도 | 기초 열역학 3.3.3-1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 03 냉동 사이클
3.3.3-1 증기 압축 냉동 사이클의 개요와 P-h 선도
완전히 증기로 만든 뒤 압축해 역카르노의 젖은 압축을 피한 실제 냉동 사이클. 네 장치를 도는 네 과정과 그것을 곧은 선으로 그려 내는 P-h 선도.
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01젖은 냉매는 누르지 않음 — 역카르노의 벽을 넘는 자리교재 204p
- 앞 편에서 이어짐 — 3.3.2 역카르노 사이클은 같은 두 온도 사이에서 가장 높은 성능계수를 주는 이상적 상한. 그대로 장치로 옮기기는 어려움.
- 증기 압축 냉동 사이클(Vapor-Compression Refrigeration Cycle) — 역카르노 사이클의 현실적 문제점을 해결한 사이클. 오늘날 냉장고·에어컨·열펌프의 표준.
1역카르노 사이클
- 액체와 기체가 섞인 냉매를 그대로 압축함.
- 압축기가 액체를 물어 버티기 어려움.
2증기 압축 냉동 사이클
- 증발기에서 완전히 증기가 된 냉매만 압축함.
- 압축기를 보호하고 안정적인 운전이 가능함.
02상변화가 열을 나름 — 증발로 받고 응축으로 버림교재 204p
- 증발할 때(액체 → 기체) — 냉매가 주변의 열을 대량으로 흡수함. 1.4.2 에서 본 기화 잠열이 쓰이는 자리.
- 응축될 때(기체 → 액체) — 실어 온 열을 밖으로 방출함.
- 결과 — 냉장고 내부처럼 차가운 곳의 열을 빼앗아 실외처럼 더운 곳으로 옮김. 이 상변화를 되풀이해 연속적인 냉동 효과를 냄.
03네 장치, 네 과정 — 냉매가 한 바퀴 도는 고리교재 204p~206p
| 과정 | 장치 | 성격 | 냉매의 변화 |
|---|---|---|---|
| 1 → 2 | 압축기 | 등엔트로피 압축 | 일 Wᵢₙ 을 받아 저압 기체 → 고온·고압 기체 |
| 2 → 3 | 응축기 | 정압 방열 | 열 Qₕ 를 주위로 버리고 고압 액체로 |
| 3 → 4 | 팽창 밸브 | 교축 · 등엔탈피 | 좁은 틈을 지나며 압력이 급격히 낮아져 차가운 습증기로 |
| 4 → 1 | 증발기 | 정압 흡열 | 주변의 열 Qₗ 을 흡수해 모두 증발, 저압 기체로 |
- 냉장고에서 찾기 — 뒷면의 뜨거운 코일이 응축기, 냉동실 안의 차가운 배관이 증발기.
- 냉동 효과 — 열을 빼앗긴 증발기 주변 공간의 온도가 낮아짐.
04팽창 밸브 — 압력은 떨어지고 엔탈피는 그대로교재 205p~206p
- 하는 일 — 응축기에서 나온 고압 액체를 좁은 틈으로 통과시켜 압력을 급격히 낮춤.
- 등엔탈피 과정 — 엔탈피가 일정한 과정이라 h₄ = h₃. 이 성질이 P-h 선도에서 수직선이 되는 까닭(206p).
터빈이 밸브로 바뀐 자리
- 앞 편 역카르노 사이클에서 터빈으로 그렸던 팽창 장치가 실제 냉동기에서는 팽창 밸브.
- 팽창 밸브는 일을 내놓지 않음 — 그래서 들어갈 때와 나올 때의 엔탈피가 같음.
05P-h 선도 — 압력과 엔탈피로 그린 지도교재 206p
- P-h 선도 — 냉동 사이클의 상태 변화를 쉽게 파악하려고 세로축을 압력 P, 가로축을 비엔탈피 h 로 하여 냉매의 상태량을 나타낸 선도.
- 몰리에르 선도 — 개발자의 이름을 딴 다른 이름. 증기 압축 냉동 사이클 해석에 가장 널리 쓰임.
06세 과정이 곧은 선 — 한눈에 읽히는 까닭교재 206p~207p
| 과정 | 선도 위의 꼴 | 까닭 |
|---|---|---|
| 2 → 3 응축기 · 4 → 1 증발기 | 수평선 | 압력이 일정한 정압 과정 |
| 3 → 4 팽창 밸브 | 수직선 | 엔탈피가 일정한 등엔탈피 과정 |
| 1 → 2 압축기 | 비스듬한 선 | 압력과 엔탈피가 함께 커짐 |
- 선분의 길이가 곧 에너지 — 가로축이 엔탈피이므로 각 과정의 에너지 출입량을 가로 길이로 바로 읽음. 증발기에서 흡수한 열은 점 4와 점 1 사이의 길이.
네 과정 가운데 셋이 수평·수직선이라 상태 변화와 성능을 한눈에 파악함. 다음은 이 엔탈피 값으로 일과 열을 셈하는 자리 — 3.3.3-2 엔탈피 계산과 성능계수.
이 절의 핵심 정리
- 증기 압축 냉동 사이클은 증발기에서 완전히 증기가 된 냉매만 압축해 역카르노 사이클의 젖은 압축을 피한다.
- 냉매는 증발할 때 주변의 열을 흡수하고 응축될 때 그 열을 방출하는 상변화로 열을 옮긴다.
- 냉매는 압축기 → 응축기 → 팽창 밸브 → 증발기를 차례로 돌며 등엔트로피 압축·정압 방열·등엔탈피 팽창·정압 흡열을 되풀이한다.
- 팽창 밸브의 교축은 엔탈피가 일정한 과정이어서 h₄ = h₃ 이다.
- P-h 선도는 세로축이 압력, 가로축이 비엔탈피인 몰리에르 선도로, 응축기·증발기는 수평선, 팽창 밸브는 수직선으로 그려진다.
강의 자료3.3.3-1 증기 압축 냉동 사이클의 개요와 P-h 선도
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