엔탈피 계산과 성능계수 — 압축일·방열량·냉동 효과, 등엔탈피, 냉동기·열펌프 성능계수 | 기초 열역학 3.3.3-2
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 03 냉동 사이클
3.3.3-2 엔탈피 계산과 성능계수
네 상태점의 엔탈피를 빼는 것만으로 압축일·방열량·냉동 효과가 나옴. 그 값을 나눈 냉동기와 열펌프의 성능계수까지.
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01장치마다 보존식 하나 — 엔탈피의 뺄셈으로 끝남교재 207p
- 앞 편에서 이어짐 — 3.3.3-1 에서 네 장치와 P-h 선도를 세움. 이 편은 그 선도의 가로축, 엔탈피로 에너지를 셈하는 자리.
- 셈의 바탕 — 각 장치에 에너지 보존식을 적용하면 출입하는 일과 열이 입구와 출구의 엔탈피 차로 나옴.
- 엔탈피는 받아 쓰기만 함 — 정의는 2.1.2 ② 에서 끝남. 네 상태점의 값은 냉매표나 P-h 선도에서 읽거나 문제에서 주어짐.
02상태점 넷에 엔탈피 넷 — 도는 차례대로 번호교재 207p
- h₁ — 증발기 출구 · 압축기 입구. 저압 건포화증기.
- h₂ — 압축기 출구 · 응축기 입구. 고압 과열증기.
- h₃ — 응축기 출구 · 팽창 밸브 입구. 고압 포화액.
- h₄ — 팽창 밸브 출구 · 증발기 입구. 저압 습증기.
03일을 넣고 열을 버림 — 압축기와 응축기교재 207p
- 압축일 w(압축기) = h₂ − h₁ (3.43) — 과정 1→2 에서 냉매를 압축하는 데 필요한 일. 넣어 준 일만큼 엔탈피가 늘어남.
- 방열량 qₕ = h₂ − h₃ (3.44) — 과정 2→3 에서 응축기가 외부로 방출하는 열량. 버린 열만큼 엔탈피가 줄어듦.
어느 쪽에서 어느 쪽을 빼는가
- 엔탈피가 늘어나는 장치는 나중 번호에서 먼저 번호를, 줄어드는 장치는 그 반대로 뺌.
- 그래야 일과 열이 언제나 양수로 나옴 — 부호를 따로 외울 필요가 없음.
04그대로 지나고 빼앗아 옴 — 팽창 밸브와 증발기교재 207p
- 팽창 밸브 h₄ = h₃ (3.45) — 과정 3→4 는 등엔탈피 과정. 압력은 급격히 내려가도 엔탈피는 그대로라 h₃ 을 알면 h₄ 도 앎. 앞 편 P-h 선도의 수직선이 바로 이 식.
- 흡수 열량 qₗ = h₁ − h₄ (3.46) — 과정 4→1 에서 증발기가 저온부에서 흡수하는 열량.
- 냉동 효과 — 이 qₗ 의 다른 이름. 냉매 1 kg 이 실어 나르는 열량이자 P-h 선도에서 점 4와 점 1 사이의 가로 길이.
05성능계수 — 넣은 일에 견준 두 몫교재 213p
- 2.3.1 ① 의 성능계수를 엔탈피 꼴로 — 분모는 둘 다 압축기 일, 분자만 갈림.
- 냉동기 COPᵣ = qₗ / w(압축기) = (h₁ − h₄) / (h₂ − h₁) (3.47) — 압축기에 넣은 일 대비 증발기가 흡수한 열의 비.
- 열펌프 COPₕ = qₕ / w(압축기) = (h₂ − h₃) / (h₂ − h₁) (3.48) — 압축기에 넣은 일 대비 응축기가 방출한 열의 비.
- 성능을 올리는 조건 — 응축 온도는 낮게, 증발 온도는 높게. 두 온도가 가까울수록 압축기가 할 일이 적어짐.
06예제의 갈래 — 무엇을 묻는가로 나눔교재 208p~213p
| 갈래 | 예제 | 답 |
|---|---|---|
| 일·열을 구함 | 3.95 압축일 · 3.97 방열량 · 3.100 흡수 열량 | 60 · 200 · 150 kJ/kg |
| 엔탈피를 거꾸로 구함 | 3.96 압축기 출구 · 3.98 응축기 출구 · 3.101 증발기 입구 | 300 · 100 · 100 kJ/kg |
| 등엔탈피 한 줄 | 3.99 팽창 밸브 출구 | 120 kJ/kg |
| 성능계수까지 | 3.93 냉동기 성능계수 · 3.94 열흡수율과 성능계수 | 3 · 8 kW와 4 |
- 예제 3.92 — 주어지지 않은 h₄ 를 등엔탈피로 h₃ 에서 받아 씀. 답은 방열량 50, 흡수 열량 30.
네 상태점의 엔탈피만 있으면 일·열·성능계수가 모두 나옴. 여기까지는 냉매 1 kg 기준이고, 다음은 냉매 유량을 곱하는 자리 — 3.3.3-3 압축기 동력과 냉동 능력.
이 절의 핵심 정리
- 증기 압축 냉동 사이클의 각 과정에서 출입하는 일과 열은 장치 입구와 출구의 엔탈피 차로 구한다.
- 압축일은 w(압축기) = h₂ − h₁, 응축기 방열량은 qₕ = h₂ − h₃ 이다.
- 팽창 밸브는 등엔탈피 과정이어서 h₄ = h₃ 이고, 증발기 흡수 열량 qₗ = h₁ − h₄ 를 냉동 효과라고 한다.
- 냉동기의 성능계수는 COPᵣ = (h₁ − h₄) / (h₂ − h₁), 열펌프의 성능계수는 COPₕ = (h₂ − h₃) / (h₂ − h₁) 이다.
- 응축 온도가 낮고 증발 온도가 높을수록 성능계수가 커진다.
강의 자료3.3.3-2 엔탈피 계산과 성능계수
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