1.열역학 법칙
-열역학 제0법칙(열평형의 법칙): 두 물질이 또 다른 물질과 열평형을 이루고 있으면 그 물질은 서로 열평형 상태에 있다. 즉, 온도가 높은 물질과 낮은 물질을 접촉시킬 때 온도가 높은 물질에서 낮은 물질로 이동하여 두 물질은 동일한 온도가 된다. (온도의 정의)
-열역학 제1법칙: 열 에너지와 일 에너지의 관계를 규정하는 법칙으로 열은 일로 일은 열로 변환할 수 있고 변화 시 에너지 총량은 변하지 않고 일정하다.(에너지 보존 법칙)
-열역학 제2법칙: 에너지 변환에 대한 방향성을 제시한 법칙으로 방향성 법칙이라고도 부름. 만약 어떤 고립 계의 엔트로피가 열적 평형 상태에 있지 않다면 엔트로피는 계속 증가해야 하고 밀폐 계는 점차 열적평형상태에 도달하도록 변화한 다.
-열역학 제3법칙: 절대 온도가 0에 접근함에 따라 엔트로피도 0에 가까워진다.
2. 사이클의 종류와 특징
1) 카르노 사이클
열기관 중 가장 열효율이 좋은 가역사이클로서 두 개의 등온변화, 두 개의 단열변화로 구성된 사이클
카르노 정리: 두 열원 사이에서 작동하는 열기관 중 같은 두 열원 사이에서 작동하는 카르노 기관보다 더 효율적인 실제 기관은 없다.
2) 오토 사이클(Otto cycle)
전기점화기관의 공기표준사이클, 2개의 단열과정과 2개의 정적과정으로 구성.
3) 브레이턴 사이클(Brayton cycle)
두 개의 단열과정과 두 개의 등압과정으로 이루어진 사이클로 가스 터빈의 이상적 사이클
4) 역카르노 사이클
카르노 사이클을 역사이클을 역카르노 사이클이라고 하며 냉동 사이클의 이상 사이클이다.
5) 증기 압축 냉동 사이클
과정 1→2: 단열압축과정(등엔트로피) -압축기
과정 2 → 3: 정압 방열 -응축기
과정 3 → 4: 교축과정(등엔탈피) -팽창밸브
과정 4 → 1: 등온, 등압과정(흡열) -증발기
3. 냉동사이클의 성적계수
냉동기의 효율은 성적계수(COP)로 나타내며 저열원에서 흡수한 열과 공급한 일의 비로 나타낸다.
COP = QL/Wnet = (h1-h4)/(h2-h1)
4. 냉동기의 4대 구성요소
압축기(compressor): 증발기에서 주변으로부터 열량을 흡수한 저온 저압의 냉매 가스를 흡입하여 압축하므로 상온에서 쉽게 응축할 수 있도록 하는 장치
응축기(condenser): 압축기로부터 압축된 고온 고압의 가스가 공기 또는 물에 의해 열량을 제거하여 액화시키는 장치
팽창 밸브(expansion valve): 고온 고압의 액 냉매를 교축작용에 의해 단열팽창시켜 저온 저압의 냉매액을 증발기 부하 변동에 따라 공급하는 장치
증발기(evaporator): 냉매와 피냉각 물질과의 열교환에 의해 냉동목적을 달성하는 장치
*교축과정: 유체의 유동 중 팽창밸브나 오리피스, 모세관 등에 의해 유동의 단면이 줄어들 때 유체는 단열상태에서 외부와 열량이나 일량의 교환없이 압력강하만 일어나는 현상
5. 냉동용어 및 단위
냉동효과(냉동력, 냉동량): 냉매 1kg이 증발기에 들어가서 흡수하는 열량
냉동능력: 증발기에서 시간당 제거할 수 있는 열량[kcal/h]
냉동능력=시간당 냉매순환량[kg/h] X 냉동효과[kcal/kg]
1냉동톤(1RT): 0°C의 순수한 물 1ton을 24시간 동안에 0°C의 얼음으로 만드는 데 필요한 냉동능력
1RT= (79.68kcal/kg X 1,000kg)/24H= 3,320kcal/h
현열: 물질을 가열이나 냉각했을 때 상태변화 없이 온도변화에만 사용되는 열
잠열: 물질을 가열이나 냉각했을 때 상태변화를 일으키는데 사용되는 열
6. 냉매
넓은 의미에서 냉매란 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며 특히 냉동장치의 내부를 순환하면서 저온부에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하고 고온부에서 열을 방출시키는 작동유체이다.
1) 1차 냉매(직접 팽창식): 증기압축 냉동시스템에서 저온부에서 증발, 고온부에서 응축, 액화되는 상 변화과정을 갖는 냉매, 즉 열을 운반할 때 잠열상태로 운반
2) 2차 냉매(간접 팽창식): 저온열을 상 변화 없이 현열 운반, 배출하는 유체. 브라인, 냉각수 등이 해당