증기압축식 시스템 개요, 냉동(냉수) 시스템 요소기술

1. 증기압축식 시스템 개요

 

o 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되며, 성능 향상을 위하여 유분리기, 수액기, 액분리기 등이 같이 사용되며 안전장치로 고저압 센서에 의하여 압축기 작동을 조절한 다. 대기압에 가까운 압력에서 쉽게 증발하는 냉매를 증발기에서 증발시켜 증발잠열을 피냉각물에서 흡수하여 냉각시키며 이때 증발-기화한 냉매를 다시 압축기에서 고온고압 으로 형성하여 응축기에서 액화하여 증발과 응축을 반복함으로서 냉동 작용을 연속적으 로 유지할 수 있다. 사용온도 범위가 넓고 경제적이어서 오늘날 일반적으로 사용된다.

 

 

 

 

2. 증기압축식 시스템 사이클 선도

 

o 냉동장치내를 순환하고 있는 냉매는 끊임없이 그 상태가 변화하고 있다. 따라서 냉동기 기 운전자는 장치의 어느 곳에서 냉매의 상태가 어떻게 되어 있는 가를 예측할 필요가 있고 효율이 좋은 운전조작을 한다거나 냉동능력이나 소요동력 등을 계산할 필요시 선 도를 이용하면 편리하다.

 

o 선도에는 ① 압력-체적선도(p-v선도), ② 온도-엔탈피선도(T-s 선도), ③ 엔탈피-엔트로피 선도(h-s 선도), ④ 압력-엔탈피 선도(p-h 선도)등이 있다.

 

 

 

1) p-h 선도(모리엘 선도)

 

o 냉동공학을 공부하는 사람은 냉매의 p-h 선도가 여행자의 지도와 같이 그 용법을 필수 적으로 알고 있어야 하고, 어떠한 운전 상태라도 냉매선도(p-h)상에 표시할 수 있어야 한다.

 

o 이 P-H선도를 사용하면 냉동기의 크기, 냉동능력, 냉동기의 운전에 필요한 전동기의 크 기 등을 쉽게 구할 수 있다. 아래 선도는 냉매 R-22의 모리엘선도를 나타낸 것이다.

 

가. 등엔탈피

 

o 비엔탈피는 어느 압력하에서 1kg의 물체내에 들어있는 열량인 내부에너지와 그 체적 만 큼 주위의 것을 밀어낸 경계일 pdv을 합한 것을 말하는데

 

o 어떤 상태에서 가지고 있는 그 물질의 총열량이라고도 표현할 수 있다. 세로축의 등엔탈 피선 위의 냉매는 모두 같은 엔탈피(kJ/kg)를 가진다.

 

 

 

나. 등압선

 

o 선도에서 횡으로 그어진 선 위의 냉매 압력은 모두 같다. 등압선에 표시된 압력의 단위 는 절대압력(절대압력=게이지압+대기압)을 사용하므로 냉동장치의 압력계(게이지압)와 비교할 때에는 주의하여야 한다. 압력의 단위는 kg/cm2-abs 이다.

 

 

다. 포화액선

 

o 포화액선은 완전포화상태의 상태점들을 연결한 선이다. 이 상태에서 왼쪽부분으로 가면 과포화액상태가 되고 오른쪽 부분으로 가면 증기가 포함된 상태가 된다.

 

 

라. 포화증기선

 

o 포화증기선은 냉매액이 엔탈피를 얻어 충분히 활성화 되어 그 압력에서 액으로서의 냉 매를 하나도 가지고 있지 않은 증기상태점들을 연결한 선이다. 포화증기선의 왼쪽 부분 으로 가면 습증기상태이고 오른쪽 부분으로 가면 과열증기가 된다.

 

o 포화증기선에 가까울수록 냉매의 건조도가 증가하게 되고 포화액선을 0, 포화증기선을 1 로 잡아 사이에서 의 건조한 정도를 그 냉매의 건도라고 한다.

 

마. 등비체적선

 

o 등비체적선은 냉매의 비체적, 즉, 냉매 1kg당의 체적이 같은 점을 연결한 곡선이다. v=0.1m3/kg이라고 표시된 등비체적선은 냉매 1kg당 체적이 0.1m³인 냉매를 나타내고 있는 것이다.

 

바. 등엔트로피선

 

o 내적가역시 엔트로피란 물체가 어느 열량을 잃어버리거나 얻을 때, 그 열량을 물체의 절 대온도로 나눈 값으로서 엔트로피의 감소 또는 증가로 나타난다고 생각할 수 있다. 바꾸 어 말하면 물체에 열의 출입이 없고 즉 단열과정과 엔트로피 생성이 없는 등엔트로피 과정으로 엔트로피가 변하지 않게 된다.

 

o 냉동장치의 압축기에서 냉매 가스를 압축할 때 일어나는 과정을 가역 단열 압축이라 가 정하고 이 때 엔트로피는 변화하지 않는다. 이상적인 경우 압축기에서의 냉매변화는 등 엔트로피선을 따라 움직인다. 그러나 다양한 조건에서 단열압축이 아니라 등온 또는 폴리트로픽 압축 과정을 이루게 된다.

 

 

 

 

o 다음 그림은 P-h 선도상에서의 표준 증기압축 사이클과 각각의 구성요소이다. 1'-2'은 압 축과정으로 저온저압의 기체가 고온고압의 기체 상태로 바뀌게 된다. 이상적인 과정은 등엔트로피 과정이며 압축기(Compressor)가 이를 수행한다. 2'-3'은 응축과정으로 등온 냉각을 거쳐 열을 방출하며 이 때 사용되는 열교환 유닛을 총칭하여 응축기라 한다. 3'-4'은 팽창 과정으로 고온고압의 기체가 저온저압의 기체 혹은 2상 유체로 변화 하며 모세관, 전자팽창장치(EEV) 등이 이용된다. 마지막으로 4'-1'은 증발과정으로 등온가열을 통해 열흡수가 일어나며 이 때 사용되는 열교환 유닛을 증발기라 한다.

 

 

o 사이클은 과정 중에 어떤 변화를 거쳐 최초의 상태로 되돌아오는 주기적 과정을 말한다. 냉동사이클은 최초의 상태로 돌아오는 과정 중에 냉동작용을 하는 사이클을 말한다.

 

o 냉동장치에 있어서 냉매는 팽창밸브를 통하면서 저온저압으로 된 후 증발기에 들어가고, 증발기에서는 액체냉매가 증발잠열을 취하여 증발하게 된다. 그리고 증발된 냉매증기는 외부로부터의 일, 즉, 압축기에서 외부로부터 일을 받아 냉매증기를 압축하여 고온, 고압 으로 된다. 압축된 고압의 증기가 응축기로 보내어 지며 여기서 응축열을 방출하고 응축 하게 된다. 응축액은 다시 팽창밸브로 들어가는 사이클을 형성하게 된다. 냉매는 냉동장 치에서 연속적으로 액으로 되기도 하고 증기로 되기도 하면서 끊임없이 순환한다.

 

o 증기 압축을 위한 압축기는 과열도 5℃ 정도로 증발기 출구에서 기체 상태의 냉매가 유 입하여 압축하며 압축기 소비동력을 줄이기 위한 방안으로 비체적을 작게 하는 것이 요 구되며 이를 위하여 등엔트로피, 폴리트로픽, 등온과정, 중간냉각 다단압축과정 등이 기 술적으로 검토되어진다.

 

o 과열증기로 승온승압 후 등압과정의 냉매 기상에서 액상으로의 응축 잠열을 외부로 열 방출한다. 교축밸브 출구의 건도를 향상시키기 위하여 응축기 끝단부에서 과냉각기를 활용 하여 포화액의 온도보다 5℃ 낮은 압축액으로 온도를 낮춘 후 교축밸브로 유입하게 된다.

 

o Joule-Thomson 계수가 양인 경우, 교축밸브인 팽창밸브, 다공성물질, 모세관을 이용한 등엔탈피 과정에 의한 압력강하에 따른 온도 강하를 이용하여 압축액 상태의 냉매를 일 정 건도 이상이 유지되는 포화액 및 포화증기가 포함된 포화수증기 상태를 만들게 된다.

 

o 일정 건도를 지니는 포화수증기를 등압 상태에서 외부로부터 증발열량을 받아 건도를 향상시키면서 증발기 끝단부가 포화증기의 상태가 유지되도록 한다. 만약 포화상태가 유 지되기 어려운 경우 과열기를 설치하여 5℃ 이상의 과열도를 유지할 수 있도록 한다. 만 약 증발기 출구 쪽 냉매의 건도가 “1” 이 유지되지 않은 채로 압축기 유입되는 경우 액 압축으로 압축기의 다양한 문제를 발생시키게 된다.

 

 

 

 

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