1. 증기 선도
냉동기 내의 냉매의 변화상황을 상세하게 알기 위하여 냉매의 상태를 도시한 선도. 냉매가 냉동장치를 순환하면서 각 장치 내에서의 온도, 압력 엔탈피 및 상태변화를 선도에 작성하여 사이클을 쉽게 파악할 수 있다.
1)증기선도의 종류
압력-체적 선도(P-V 선도)
온도-엔트로피 선도(T-s 선도)
엔탈피-엔트로피 선도(h-s 선도)
압력-엔탈피 선도(P-s 선도) → 가장 많이 사용(몰리에르 선도)
몰리에르 선도를 가장 많이 사용하는 이유
ㄱ. 응축 및 증발 열량, 압축일의 열당량을 엔탈피의 차로 표시
ㄴ. 압력과 온도의 변화에 따른 엔탈피 차를 구하는 데 편리
2. 일반증기의 성질
과냉각액: 포화온도 및 포화압력 이하의 냉매액
포화액: 포화온도 및 포화압력에 해당하는 냉매액
습포화증기: 포화액의 동일 온도 및 압력에서의 액과 증기가 공존
건조포화증기: 포화액이 완전히 증발하여 증기로 전환된 냉매증기
과열증기: 건조포화증기를 가열하여 증기가 포화온도이상으로 상승된 냉매증기
임계점: 액체와 기체의 상이 구분될 수 있는 최대의 온도-압력 한계. 암계온도 이상에서는 증기를 냉각시켜도 액화되지 않으며, 임계온도 이상에서는 액체와 증기가 서로 평형으로 존재할 수 없는 상태
비등점: 액체의 증기압이 액체 상부의 압력(대기중에서는 대기압)과 같아질 때의 온도
건조도: 습포화 증기 중의 증기의 비율로서 포화액은 건조도 (x)=0, 건조포화증기는 건조도 (x)=1로 표시
과열도 = 과열증기온도-포화온도
과냉각온도 = 응축온도-팽창밸브 직전 온도
3. P-h 선도(몰리에르 선도)
등압선: 가로축과 평행하며 한 선에서의 압력은 과냉각액, 습증기, 과열증기 구역에서 모두 동일하다.
등온선: 과냉액 구역에서는 등엔탈피선과 평행. 습증기 구역에서는 등압선과 평행. 과열증기 구역에서는 약간 구부러져 급하향.
등엔탈피선: 세로축과 평행하며 모든 냉매의 0°C 포화액의 엔탈피는 100kcal/kg이다.
등엔트로피선: 습증기, 과열증기 구역만 존재. 압축과정은 이론상 단열압축과정(등엔트로피 과정)
등비체적선: 습증기, 과열증기 구역에만 존재하며 압축기 흡입증기의 비체적을 알 수 있다.
등건조도선: 습증기 구역에서만 존재하며 단위중량의 습증기 중에 건조포화증기가 차지하고 있는 무게비를 나타낸 값이다.
건조도(x)=건조포화증기/습증기=플래시 가스 열량/증발잠열 (0≤x≤1)
과냉각 구역과 포화액선까지의 건조도는 0이고, 건조포화 증기선에서의 건조도는 1이다. 위의 식을 통해 플래시 가스량 및 냉동효과를 알 수 있다.
*플래시 가스: 냉동 사이클에서 팽창밸브를 지나 증발기로 들어가는 과정에서 증기로 유입되는 냉매. 즉, 미리 증발해버린 냉매를 말한다.
4. 표준 냉동 사이클의 냉매 상태의 따른 압축 방식
1) 표준 냉동 사이클의 몰리에르 선도
2) 압축방식에 따른 몰리에르 선도
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구분 |
습압축 |
건조포화압축 |
과열압축 |
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흡입증기 |
습증기를 흡입 |
건조포화증기 흡입 |
과열증기 흡입 |
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구간 |
1’’-3-4 |
1’-3-4 |
1-2-3-4 |
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특징 |
1. 흡입가스 중에 액이 존재, 액압축의 우려가 있음. 2. 냉동기의 성적계수 저하 및 액 해머링이 발생 |
1. 표준 냉동사이클 |
1. 프레온은 토출가스온도가 높지 않으므로 흡입가스를 과열시켜 액백을 방지 2. 냉동효과 향상 3. 과열도(5°C가 적당) =압축흡입가스-증발온도 |
5. 2단 압축 냉동 사이클
1단 냉동사이클에서는 증발온도가 -30°C 정도 이하가 되면, 증발압력이 너무 낮아져 압축비가 증대하여 토출가스 온도가 상승되며 실린더 가열, 피스톤 마모, 체적효울 감소, 윤활유 열화 및 소요동력이 증가한다. 이런 단점 때문에 증발온도가 일정(-30°C) 이하가 되면 1단 압축을 하지 않고, 압축을 2단으로 나누어 2단 압축 방식을 체택한다.
1) 2단 압축 채용 범위
암모니아: 압축비가 6 이상, 증발온도가 -35°C 이하일 때 채용
프레온: 압축비가 9 이상, 증발온도가 -50°C 이하일 때 채용
2) 중간 냉각기의 역할
ㄱ. 저단측 냉매의 토출가스 온도를 낮추어 고단측 압축기의 과열압축을 방지.
ㄴ. 고단측 압축기의 흡입가스를 액과 분리하여 습(액)압축을 방지.
ㄷ. 증발기에 공급되는 고압액을 과냉각시켜 플래시 가스 발생을 억제하여 냉동효과를 증대.
ㄹ. 동일한 압축비를 한 대의 압축기로 압축할 깨 보다 저·고압 압축기가 작용함으로써 압축비가 적어지므로 소요동력이 감소된다.
3) 2단 압축 1단 팽창
4) 2단 압축 2단 팽창
6. 2원 냉동 사이클
2단 도는 다단 압축 냉동시스템으로도 -70°C 이하의 저온을 얻기 어려울 경우에 채택되는 냉동방식으로 서로 다른 냉매를 사용하여 각각의 독립된 냉동사이클을 온도적으로 2단계로 분리한 장치
1)냉매
저온측: R-13, R-14, 에틸렌, 메탄, 에탄 등 비등점이 낮은 냉매
고온측: R-12, R-22 등 비등점이 높고 응축압력이 낮은 냉매
2) 케스케이드 콘덴서: 저온측 응축기와 고온측 증발기를 조합시킨 열교환기
3) 팽창 탱크: 2원 냉동 장치에서 운전 중 저온측의 냉동기를 정지하였을 때 초저온 냉매의 증발로 인한 압력상승으로 냉동 장치가 파괴되는 일이 있는데, 이를 방지하기 위하여 일정압력 이상이 되면 일부 가스를 저장하는 안전장치
4) 특징
-저온, 고온측의 냉매가 다르다.
-저온, 취성에 강한 재료를 사용
-사용 윤활유는 점도가 큰 것을 선택
-팽창탱크를 반드시 설치
7. 온도 및 압력 변화에 따른 냉동사이클에 미치는 영향
1)응축온도(압력) 변화
-응축온도(압력) 상승의 겨우: 압축비 증가로 인한 토출가스온도 상승, 냉동효과 감소, 성능계수(COP) 감소
-응축온도(압력) 하강의 경우: 압축비 감소로 인한 토출가스온도 저하, 냉동효과 증대, 성능계수(COP) 증대
2) 증발온도(압력) 변화
-증발온도(압력) 하강의 경우: 압축비의 증대, 토출가스 온도 상승, 냉동효과 감소, 성능계수(COP) 감소, 비체적 증대로 인한 냉매순환량 감소
-증발온도(압력) 상승의 경우: 토출가스 온도 강하, 냉동효과 증대, 성능계수(COP) 중가, 비체적 감소로 인한 냉매순환량 증가
8. 성적계수(COP) 향상 방법
성적계수(COP)= 냉동효과/압축일 이므로 성적계수 향상을 위한 방법으로 냉동효과를 크게 한다, 압축일을 적게 한다, 액-가스 열교환기를 설치한다, 배관에서의 플래시 가스 발생을 최소화하는 방법이 있다.
