【열역학】 11강. 냉동사이클

11강. 냉동사이클

 

추천글 : 【열역학】 열역학 목차

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1. 냉매 [본문]

2. 냉동기와 열펌프 [본문]

3. 역카르노사이클 [본문]

4. 이상적 증기압축식 냉동사이클 [본문]

5. 실제 증기압축식 냉동사이클 [본문]

6. 열펌프장치 [본문]

7. 혁신적인 공기압축식 냉동장치 [본문]

8. 기체 냉동 사이클 [본문]

9. 흡수식 냉동 사이클 [본문]

10. 열전현상을 이용한 냉동기 [본문]

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a. 냉장고 예제

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1. (참고) 냉매(refrigerant) [목차]

⑴ 정의 : 냉동 사이클에 사용되는 작동유체

⑵ 냉매의 종류

① 무기화합물 냉매

○ 암모니아 : 저렴함. 높은 성능계수. 높은 열전달 계수. 누설 탐지 용이. 환경 무해; 독성이 큼

○ 탄산가스 : 비교적 안전; 고압 필요. 임계온도 낮음

○ 아황산가스 : 독성이 심함

○ 물 : 널리 쓰임

② 탄화수소 냉매

○ 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등 

○ 연소성이 있어 주의를 요함

③ 할로겐화 탄화수소 냉매 : 미국 내 시장의 90% 이상을 차지함

○ 할로겐 원소를 포함하는 탄화수소 계열 냉매군. 프레온(freon)이라고 부름

○ 분류 : 염화불화탄소(CFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소불화탄소(HFC)

○ R-11, R-12, R-115 등의 CFC는 오존층 손상효과가 큼

○ 분류 : 메탄계 할로겐 냉매, 에탄계 할로겐 냉매

○ 메탄계 할로겐 냉매 : R12(CCl₂F₂), R13(CF₃Cl), R22(CHF₂Cl) 등

○ 에탄계 할로겐 냉매 : R134a(CF₃CH₂F), R142b(C₂H₃F₃Cl) 등

○ 한동안 많이 사용된 R-12 냉매는 대부분 R-134a로 대체됨

④ 공비혼합물 냉매

○ 증발점이나 응축점이 다른 2종 이상의 냉매를 혼합한 것 : 단일 냉매와 같은 물리적 특성을 가짐

○ R500, R501, R502 등이 사용

⑶ 냉매 명명법 

① 프레온계 냉매의 분자식 

 

C_mH_nF_pCl_q

 

○ 불포화도가 0이므로 n + p + q = 2m + 2를 만족

② 명명법 : R(m-1)(n+1)(p)로 표시

○ CCl₃F : R11 또는 CFC11 (m = 1, n = 0, p = 1)

○ CCl₂F₂ : R12 또는 CFC12 (m = 1, n = 0, p = 2)

○ CHClF₂ : R22 또는 HCFC22 (m = 1, n = 1, p = 2)

○ C₂Cl₃F₃ : R113 또는 CFC113 (m = 2, n = 0, p = 3)

⑷ 냉매의 조건

① 열을 교환하게 되는 냉매와 매체(예 : 증발기)와의 온도차가 5 ℃ 내지 10 ℃ 정도가 유지돼야 함

② 냉동사이클에서의 최저압이 발생하는 곳은 바로 증발기인데, 이 압력이 대기압보다 높아야 냉동기로 공기가 새어 들어오는 것을 막을 수 있음

③ 암모니아와 R-134a는 이 조건을 만족

④ 응축기를 지난 냉매의 온도는 냉각수의 온도보다 낮을 수 없고, 이때 포화압력은 임계 압력보다 충분히 낮아야 함

 

 

2. 냉동기와 열펌프 [목차]

⑴ 정의

① 냉동기(refrigerator) : 저온부에서 고온부로 열을 전달하는 장치, 동력을 필요로 함

② 열펌프(heat pump)

○ 냉동기와 열펌프는 본질적으로 같은 장치지만 목적만 서로 다름

○ 냉동기의 목적은 냉동실을 저온으로 유지하기 위함이고 열 펌프는 실내를 따뜻하게 유지하기 위함

⑵ 성능계수(coefficient of performance, COP)

① COP_R = 냉각효과 ÷ 입력일 

 

 

② COP_HP = 가열효과 ÷ 입력일 

 

 

⑶ 냉동톤(tons of refrigeration) : 냉동실로부터의 열제거율

① 0 ℃ (32 ℉)의 물 1톤을 24시간만에 0 ℃의 얼음으로 냉각시킬 수 있는 냉동장치의 능력

② 1 냉동톤 = 3.86 kW = 3320 kcal / hr

③ 일반적 주거 공간 기준 3 냉동톤의 냉동능력을 요함

 

 

3. 역카르노사이클 [목차]

⑴ 역카르노사이클(reversed Carnot cycle) : 카르노사이클의 역과정 = 카르노 냉동기, 카르노 열펌프

⑵ 과정 : 압축기(등엔트로피 과정) → 응축기(등온과정) → 교축 밸브(등엔트로피 과정) → 증발기(등온과정)

 

Figure. 1. 역카르노사이클의 T-s 선도

 

⑶ 성능계수

① COP_{R, Carnot} = Q_L ÷ W_{net. in} = 1 ÷ (T_H/T_L - 1) 

② COP_{HP, Carnot} = Q_H ÷ W_{net, in} = 1 ÷ (1 - T_L/T_H)

⑷ 역카르노사이클은 이상적인 냉동사이클 

① 역카르노사이클은 두 개의 주어진 열원에서 작동하는 냉동사이클 중 가장 효율이 좋음

② (주석) 카르노사이클이 가장 효율이 좋은 것과 관련 있는 듯

⑸ 역카르노사이클은 현실적이지 못한 냉동사이클^]

① 경우 1. 포화온도에서의 2상 혼합물을 포함한다면?

○ 과정 1-2와 과정 3-4는 포화온도가 자동적으로 고정되기 때문에 근접하게 구현할 수 있음

○ 과정 2-3이 기체-액체 혼합물을 압축하는 과정을 포함하고 있어 구현하기 어려움 

○ (참고) 압축기는 기본적으로 기체만 압축함

○ 과정 4-1 또한 수분함량이 높은 냉매를 팽창시키는 과정이 포함됨 → 등엔트로피가 힘듦

② 경우 2. 포화영역 밖에서 작동시키면

○ 흡열과정 및 방열과정에서 등온과정을 유지하기 힘듦

 

 

4. 이상적 증기압축식 냉동사이클 [목차]

 

Figure. 2. 이상적 증기압축식 냉동사이클

 

⑴ 과정

① 압축기에서의 등엔트로피적 압축(1-2) : 포화증기 → 과열증기

② 응축기에서의 정압 방열(2-3) : 과열증기 → 포화액

③ 팽창기에서의 교축(3-4) : 터빈에서 팽창밸브 또는 모세관 등과 같은 교축장치로 대체, 포화액 → 포화혼합물

④ 증발기에서의 정압 흡열(4-1)

⑤ 만약 등엔트로피 터빈으로 대체하면 정미 입력일은 터빈의 출력일만큼 감소

⑵ 정상유동에너지 방정식

① (q_in - q_out) + (w_in - w_out) = h_e - h_i

② COP_R = q_L ÷ w_{net, in} = (h₁ - h₄) ÷ (h₂ - h₁)

③ COP_HP = q_H ÷ w_{net, in} = (h₂ - h₃) ÷ (h₂ - h₁)

④ 이상적인 경우 h₁ = h_{g, sat, P1}, h₃ = h_{f, sat, P3}

 

 

5. 실제 증기압축식 냉동사이클 [목차]

⑴ 비가역성의 두 가지 원인은 유체마찰(이로 인한 압력강하 발생) 및 주위와의 열전달임

⑵ 압축기를 떠난 증기가 포화증기가 되도록 하기 어려움 → 약간 과열증기로 설정

⑶ 실제 압축기는 엔트로피가 증가 또는 감소; 증가하면 일 생산 ↑, 감소해도 입력일이 감소하므로 유리할 수도 있음

⑷ 냉매가 완전히 응축되기 전에 교축밸브로 보내는 것은 부적절 → 따라서 냉매가 교축밸브로 들어가기 전 과냉각시킴

 

 

6. 열펌프장치 [목차]

⑴ 열펌프의 가장 큰 문제는 성에인데 이는 열전달을 크게 방해; 역가동시켜 성에를 제거할 수 있으나 효율을 감소시킴

① 5 ℃ ~ 18 ℃의 우물물을 쓰는 수열원열펌프는 성에 문제가 없음

⑵ 저온에서 열펌프의 성능과 효율이 모두 상당히 떨어짐

① 대부분의 공기열원 열펌프는 보조난방장치를 필요로 함

② 수열원 또는 지열원 자잋의 경우 열펌프 장치가 충분히 커야 함

⑶ 열순환 밸브를 추가함으로서 냉방기와 열펌프 간 전환을 함

① 열펌프의 증발기 ↔ 냉방기의 응축기

② 열펌프의 응축기 ↔ 냉방기의 증발기

⑷ 미국

① 미국 남부 : 냉방 부하↑, 난방 부하↓, 열펌프가 경쟁력이 있음

○ 이 지역에서의 열펌프는 가정용 및 상업용 건물의 냉난방 요건을 동시 만족

② 미국 북부 : 냉방부하↓, 난방 부하↑, 별로 경쟁력이 없음

 

 

7. 혁신적인 공기압축식 냉동장치 [목차]

⑴ 캐스캐이드 냉동장치

 

Figure. 3. 캐스캐이드 냉동장치

 

⑵ 다단 압축식 냉동장치

Figure. 4. 다단 압축식 냉동장치

 

⑶ 단일 압축기를 가진 다목적 냉동장치

Figure. 5. 단일 압축기를 가진 다목적 냉동장치

 

⑷ 기체의 액화(Linde-Hampson heat exchanger)

 

Figure. 6. Linde-Hampson heat exchanger

 

 

8. 기체 냉동 사이클 [목차]

⑴ 단순 기체 냉동 사이클(역브레이튼 사이클)

 

Figure. 7. 역브레이튼 사이클

 

⑵ 재생을 하는 기체 냉동사이클 : 극저온에도 도달할 수 있음

 

Figure. 8. 재생을 하는 기체 냉동사이클

 

 

9. 흡수식 냉동 사이클(예 : 암모니아 흡수식 냉동사이클) [목차]

 

Figure. 9. 흡수식 냉동사이클

 

⑴ 물-리튬브로마이드, 물-리튬클로라이드

① NH₃·H₂O를 형성하는 반응 : 발열반응

② 냉각수로 absorber의 열을 낮게 유지

③ W_pump ≃ 0

④ 효율이 훨씬 낮음

⑤ 훨씬 큰 냉각탑이 필요 (∵ 폐열↑)

⑵ COP_absorption = Q_L ÷ Q_gen (완전가역적)

⑶ 계산

① Q_L = COP_{R, rev} W = (T_L / (T₀ - T_L))W

② Q_gen이 카르노 기관으로 제공되면 W = η_{th, rev} Q_gen = (1 - T₀/T_s) Q_gen

③ ①, ②에 의해 COP_{rev, absorption} = Q_L ÷ Q_gen = (1 - T₀/T_s) × (T_L / (T₀ - T_L))

 

 

10. 열전현상을 이용한 냉동기 [목차]

⑴ 개요 

① 열전현상(Seebeck effect) : 온도차가 있으면 기전력이 발생하는 현상. 초전성이라고도 함

② (참고) 압전성 : 압력이 있으면 기전력이 발생하는 현상

③  응용 : 온도측정, 전력 발생

④ 일반적인 T형 열전대는 구리선과 콘스탄틴선으로 구성되고 1 ℃의 온도차에 대해서 약 40 ㎶가 생성됨

 

Figure. 10. 열전현상

 

⑤ 열전현상 심화이론 

⑵ Peltier 효과 : 열전 냉동의 이론을 제공함

① 발상 : 열전 발전기에서 외부적으로 역방향의 전위차를 주어 전자의 흐름을 반전시킬 수 있고, 이로 인해 냉동 효과 발생

② 정의 : 두 선의 접점을 통해 미세한 전류가 흐를 때 접점이 냉각되는 현상

③ 열전 냉동기의 구조

 

Figure. 11. 열전 냉동기의 구조

 

④ 단점 : 증기압축식 냉동장치에 비해 성능계수가 낮음

⑤ 장점 : 시장에서 쉽게 구할 수 있음. 크기가 작음. 단순함. 조용함. 신뢰도가 높음

⑶ 예제 : 작은 아이스박스와 유사한 열전 냉동기가 자동차 배터리로부터 전원을 공급받고 있는데, 성능계수(COP)는 0.1을 갖고 있다. 만일, 이 냉동기가 0.350 L의 캔 음료를 30분만에 20 ℃에서 4 ℃로 냉각시킨다면, 열전 냉동기에 의해 소비되는 평균전력을 구하라. (답 : 130 W)

 

입력: 2019.04.23 01:38