냉동(냉수) 시스템 개요

"냉동이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗아 주위의 온도보다 낮은 온도로 만들거나 혹은 저온 상태를 유지하는 것. 이와 유사한 용어로 동결, 냉방, 냉장 등이 있으며 냉동의 대상물질로는 농산물, 수산물, 축산물, 공산품 또는 기타 유체가 있으며, 냉동의 방법은 자연적인 냉동법과 기계적(연속적)인 냉동법이 있는데 자연적인 냉동법은 외기 냉방과 같은 방법을 의미하고 기계적인 냉동법은 냉동기(Refrigerator)와 같은 물리적인 방식의 냉각법을 의미합니다. 또 냉동시스템에서 가장 많이 사용되는 방식은 증기압축식 냉동법과 흡수식 냉동법임. 증기압축식 냉동법은 왕복동식, 스크류식, 로터리식, 터보식 등이 있으며 흡수식은 1중(단일)효용흡수식, 2중효용흡수식 등이 있으며 기타 방식으로 공기압축식, 증기분사식, 진공식, 흡착식, 자기식 등의 방식들이 있습니다"

 

 

제1장 냉동(냉수) 시스템 개요

 

o 인위적인 수단을 이용하여 어느 공간 또는 특정물질의 온도를 그 주위 온도보다 낮게 하거나 또는 저온을 유지하는 조작을 냉동이라 한다. 또한, 기계적인 일이나 열에너지를 소비하여 요구되는 소정의 장소인 저온영역에서 열을 흡수하여 이용 가치가 없는 장소 로 열을 방출하는 것을 기계냉동이라 한다.

 

o 냉동기란 밀폐된 용기 속의 온도를 그 주위의 온도보다 낮추는 장치로 기계적인 작업이 나 기화열을 이용하여 열을 흡수하는 장치이다. 냉동기의 부품들을 크게 4가지로 보면 저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시켜 주는 압축기, 압축기로부터 고 온고압이 된 냉매가스를 냉각시켜 액체 냉매로 만들어주는 응축기, 응축기 내 고온고압 의 액체를 좁은 통로를 통해서 팽창시켜 저온저압의 냉매 혼합물을 증발기에 공급해주 는 팽창밸브, 마지막으로 팽창밸브로부터 혼합물과 외부의 열을 유입하여 압축기로 냉매 가스를 보내주는 증발기로 크게 구성이 되어있다. 냉매는 크게 이 4가지의 구성품을 순 환을 한다. 이를 냉동사이클이라고 한다.

 

o 냉동이란 넓은 의미에서 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗아서 주위의 온도보 다 낮은 온도로 만들거나 혹은 그 저온 상태를 유지하는 것을 말한다. 이와 유사한 용어 로 동결(Freezing), 냉방, 냉장 등이 있다. 이에 반해 냉각은 뜨거운 커피나 자동차의 라 디에이터를 식히는 조작과 같이 주위의 상온보다 높은 온도의 물체를 상온까지 온도를 내리는 것을 말한다. 냉동의 대상이 되는 물질로서는 농산물, 수산물, 축산물, 공산품 또 는 각종 유체가 될 수 있다. 냉동의 방법은 자연적(일시적)인 냉동법과 기계적(연속적)인 냉동법이 있는데, 자연적인 냉동법은 외기 냉방과 같은 방법을 의미하고 기계적인 냉동 법은 냉동기(Refrigerator)와 같은 물리적인 방식의 냉각법을 의미한다.

 

o 냉동시스템에서 가장 많이 사용되는 방식은 증기압축식 냉동법과 흡수식 냉동법이다. 증 기압축식 냉동법은 왕복동식, 스크류(Screw)식, 스크롤(Scroll)식, 로터리(Rotary)식, 터보 (Turbo)식 등이 있으며 흡수식은 1중(단일)효용 흡수식, 2중효용 흡수식, 3중효용 흡수식 과 직화흡수식 냉온수기 등이 있다. 위의 방식들 외에도 공기압축식, 증기분사식, 진공 식, 흡착식, 자기식 등의 방식들이 있다. Ÿ 냉동시스템은 1개의 열원과 1개의 열싱크로 구성되어 있으며, 단일 열원으로는 구성될 수 없다. 1개의 열원과 1개의 열싱크로 구성되는 시스템은 열기관과 냉동시스템(열펌프) 으로 분류되며, 각각의 이론에 대해서는 켈빈-플랑크(Kelvin-Planck)의 서술과 클라시우스(Clausius)의 서술로 표시된다.

 

o 열원과 열싱크 사이에서 동작하는 열기관의 최대 효율은 카르노 사이클(Carnot Cycle)로 표현된다. 카르노 사이클은 2개의 등온(isothermal) 과정과 2개의 등엔트로피(isentropic) 과정으로 구성되어 있다. T-s 선도(온도-엔트로피 선도)상에서 카르노 사이클의 동작과 선도 상에서의 일과 열을 아래 그림에 나타내었다.

 

o T-s 선도에서 1'-2'과정은 등온팽창 과정으로 동작유체가 고열원에서 열량 q1을 받아 등 온팽창하여 2‘의 상태가 된다. 2’-3‘과정은 등엔트로피 가역단열팽창 과정으로 엔탈피차 만큼을 일로 전환하여 w에 해당하는 일을 발생시키고 3’에 이른다. 3‘-4’과정은 동작유체 가 등온압축되면서 압축일에 상당한 발생열량 q2를 저열원에 버리면서 4‘에 이른다. 4’ 상태의 동작유체는 외부에서 일을 받아 등엔트로피 가역단열압축되어 1‘의 상태에 이르 게 되어 사이클을 이룬다.

 

 

 

o 역카르노사이클(Reversible Carnot Cycle)이란 이상적인 열기관 사이클의 일종인 카르노 사이클(Carnot Cycle)을 역작용시킨 것으로 이상적인 히트펌프 또는 냉동 사이클이다. 역 카르노 사이클은 카르노 사이클과 동일하게 2개의 등온과정과 2개의 등엔트로피 과정으 로 구성되며, T-S선도(온도-엔트로피 선도)상에서 역카르노 사이클의 동작과 선도 상에 서의 일과 열을 아래 그림에 나타내었다. 역카르노 사이클인 T-s 선도에서 1'-2' 과정은 단열압축 과정으로 압축기에 의한 외부로부터 W의 일을 받아 저온저압의 과열증기 (super heated vapor)상태의 동작유체를 고온고압의 과열증기 상태로 바뀌게 된다. 일반 AC 적용 R-22 냉매의 경우 증발기 출구 40℃, 69psig(4.76bar)를 단열압축하여 응축기 입구 125℃, 278psig(19.2bar)의 고온고압을 형성한다. 2'-3' 과정은 등온압축과정으로 고 열원에서 q1의 열을 방출하고 동작유체는 응축액화한다. 3'-4' 과정은 단열팽창 과정으로 고온고압의 기체가 저온저압의 기체 혹은 2상 유체로 변화하며 마지막으로 4'-1' 과정은 동작유체가 저열원에서 q2의 열을 흡수하며 증발한다.

 

 

 

o 아래 그림은 증기 압축 냉동 사이클의 T-S선도 및 p-h선도이다. 1의 상태인 건포화증기 냉매는 압축기에 의하여 압력 p1에서 p2까지 단열 압축되어 2의 상태로 된다. 고압으로 된 냉매는 응축기에서 냉각되어 포화액 3이 되고, 이상태에서 팽창밸브를 통하여 p1까지 등 엔탈피로 교축된다. 교축후의 냉매는 상태 4에서 증발기에 들어가 냉동효과를 발휘한 다.

 

 

 

 

 

제2장 냉동(냉수) 시스템 개념도

 

o 각 서술을 기준으로 고온 열원과 저온의 열싱크 사이에서 열 흐름 방향과 일의 입출력 방향에 따라 열기관과 냉동시스템(열펌프시스템)으로 나누어지게 되며, 아래 그림에서와 같이 열펌프시스템은 저온의 열원에서 외부의 일을 이용하여 고온의 열원으로 열을 이 동하는 기구를 의미한다.

 

 

 

 

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