[스크랩] [회원필독] 냉매주입량의 과,부에 대한 이론적 설명

얼마전에 냉매주입량의 과,부에 대한 이론적설명을 부탁하신 이민구선배님의 글을 읽고 시간이 허락되

 

면 다른 회원님들께도움이 될 수 있도록 이 부분에 대한 이론적,기술적인 글을 써 봐야겠다는 생각을 가

 

지고 있더차에 오늘에서야 이론서와 인터넷을 뒤지며 큰 마음을 먹고(?) 부족하지만 몇 자 올려봅니다.

 

먼저 냉매의 적정주입량보다 많고 적음의 이론적 설명은 뒤로하고 냉동에서의 선행되어야 할  Mollier선

 

도 ( PH선도 )에 대해 간단하게 서술하겠습니다.

 

몰리에르선도는 냉동이론의 기초가 되는 선도로써 종축은 등압선으로 압력을 나타내며횡축은 등엔탈피

 

선으로 엔탈피변화량을 나타냅니다.

 

이 밖에도 몰리에르선도의 6대 구성요소 중 등온선 , 등비체적선 , 등엔트로피선 , 등건조도선은 아래냉

 

동공학자료를 참조하시기 바랍니다.

 

그럼 본론으로 들어가 아래 PH 선도에서 푸른색이 정상적인 증발기 용량이고, 붉은 사선이 압축기 Kw입니다.

 

Full Load에서 푸른색 (증발 Kcal) 길이 5 cm  냉동용량 = 설계 용량 붉은 사선 (압축kw) 길이 2.3cm  압축기 kw = 설계 kw

 

 

 

"냉매 흐름의 제어"에서 설명하듯이, 냉동시스템의 성능을 최대한으로 발휘시키려면,

1) 응축기의 일부가 놀고 있지 않게 하여야 합니다.
    냉매를 적정량 보다 약 10% 정도 많이 넣으면 액체냉매로 가득 찬 응축기의 밑 부분이 일을 않고 놀게 되어,
    결과적으로 응축기 사이즈가 줄어듭니다.
    당연히 압축비가 증가하여 Kw가 늘어나고, 냉동용량이 감소됩니다. 
    
    아래 ph 선도에서 위 그림과 대비하면, 푸른색 길이 (증발용량)이 줄어들었고,
    압축비가 높아졌습니다.

Full Load에서 푸른색 (증발 Kcal) 길이 4.3 cm  냉동용량 14% 감소 붉은사선 (압축kw) 길이 3.0cm  압축기 kw 20% 정도 증가

2) 증발기 전체가 오로지 냉매의 증발 작용용으로만 쓰여 지도록 하여야  합니다.
    냉매를 적정량보다 약 10% 정도 적게 넣으면 증발기의 끝 부분이 증발작용에 못 쓰이고,
    흡입 배관 역할을 합니다.   

    아래 ph 선도에서 증발기 면적이 감소했습니다.
    흡입관이 길어져 흡입압력의 손실이 커졌기 때문에, 
    과열된 흡입냉매의 부피가 늘어나, 흡입냉매의 압축 량이 줄어듭니다.
    (냉매 순환량 이 적어져 ph 선도의 폭을 줄렸습니다.)

Full Load에서 푸른색 (증발 Kcal) 길이 4 cm      냉동용량 20% 감소 붉은색 (압축kw) 길이 3.6cm   압축기 kw 30% 정도 증가,    (압축량 줄어든 것 감안)

 

이와 같이 적정한 냉매주입을 하지 않으면 압축비의 증가를 가져와 냉동장치에 좋지 않은

영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.

 

여기서 압축비가 증가되었을때 냉동장치에 미치는 영향을 더 기술하자면

 

토출가스의온도가 상승합니다. 토출가스온도가 상승하므로 윤활유의 열화 및 탄화를 가져오며

실린더의 과열 , 피스톤마모 , 체적효율감소 , 압축효율감소 , 기계효율감소 이로인한 냉동능력

감소 , 소요동력증대 , 성적계수저하등의 냉동사이클에 있었어 좋지 않은 현상들이 발생하게 됩니다.

 

위에 열거한 내용을 봐서 아시겠지만 냉동기의 냉매주입의 적정치 주입은 진공과 더불어 냉동사이클

에서 아무리 강조해도 지나치지 않을 만큼 중요한 사항입니다.

 

그러나 애석하게도 저또한 마찮가지지만 냉동하시는 분들이 저울을 가지고 다니며 과열,과냉측정

하며 냉매주입을 하시는 분들이 얼마나 될까요?

 

저도 바쁘다는 핑계로 ( 솔직히 바쁘긴 바쁩니다...ㅋㅋ) 그렇게 하지 못함을 늘 안타깝게 생각

하고 있습니다.

 

하지만 에너지절약과 냉동기기의 안정화를 위해 노력은 하고 있습니다. ^^

 

위에서 열거한 내용보다 더 많은 이론적설명을 드려야함에도 불구하고 저의 미천한 이론과 실무의

한계로 인하여 충분히 설명드리지 못하는 점 회원여러분께서 널리 양해해 주시기 바랍니다.

 

혹시 지금까지 기술한 내용 중 이론적오류가 있다면 주저하지 마시고 꼬릿글이나 답글로 바로잡아주시

 

기바랍니다.

 

이론을 실무에 접목시켜 쉽게 설명드리지 못 한 점 다시 한 번 널리 양해 말씀올립니다.

 

< 냉동공학 >

 

 3-1 냉동사이클

 

          3-2 냉매선도

 

 3-1 냉동사이클(Cycle)

 

사이클은 과정중에 어떤 변화화를 거쳐 최초의 상태로 되돌아 오는 주기적 과정을 말한다. 냉동사이클은 최초의 상태로 돌아오는 과정중에 냉동작용을 하는 사이클을 말한다. 아래 그림과 같이 냉동장치에 있어서 냉매는 팽창밸브를 통하면서 저압으로 된 후 증발기에 들어가고, 증발기에서는 액체냉매가 증발잠열을 취하여 증발하게 된다. 그리고 증발된 냉매증기는 외부로부터의 일, 즉, 압축기에서 외부로부터 일을 받아 냉매증기를 압축하여 고온, 고압으로 된다. 압축된 고압의 증기가 응축기로 보내어 지며 여기서 응축열을 방출하고 응축하게된다. 응축액은 다시 팽창밸브로 들어가는 사이클을 형성하게 된다. 냉매는 냉동장치에서 연속적으로 액으로 되기도 하고 증기로 되기도 하면서 끊임없이 순환한다.

 

 

1) 카르노 사이클(Carnot cycle)

 

우주상의 모든 자연현상은 시간이 흐름에 따라 무질서의 정도가 증가하는 방향으로 움직인다. 가만히 있는 돌도 시간이 지나면 풍화되고 바닷물에 부었던 한컵의 설탕물을 다시 받아낼 수없다. 시간의 흐름과 함께 자연은 무질서, 혼동(chaos)의 증가로 움직인다. 이러한 무질서의 증가는 빅뱅이후 계속되고 있다. 이것은 엔트로피의 증가를 의미하며 한번 발생한 무질서의 증가는 되돌이킬 수 없음을 의미한다. 이런 현상을 비가역현상이라 부르며 반대 현상을 가역현상이라고 한다. 프랑스 물리학자인 카르노는 이러한 가역현상이 가능한 가역사이클을 제안한다. 이 사이클은 아래 그림과 같이 고온열원(Ⅰ), 단열체, 저온열원(Ⅱ)을 순서대로 실린더에 접촉시킴에 따라서 이론적으로는 실현가능한 사이클인데 오른쪽 그림의 압력-체적(P-V)선도에 나타낸 것과 같이 2개의 등온선과 2개의 단열선으로 구성되는 가역사이클이다.

 

 

 

1-2 : 온도 T1에서 등온팽창한다.(열량 Q1을 외부로부터 받는 과정)

 

2-3 : 단열팽창하여 온도 T2로 된다.(열의 출입이 없는 과정)

 

3-4 : 온도 T2에서 등온압축한다.

 

4-1 : 단열압축하여 온도 T1으로 된다.(열의 출입이 없는 과정)

 

 

 

 

2) 이상적인 냉동사이클

 

카르노사이클은 어느 방향으로도 진행할 수 있는 가역사이클이다. 따라서 아래 오른쪽 그림의 순서와 방향으로 작동하는 사이클을 역카르노사이클이라고 하는데 이것은 냉동사이클의 이론사이클이다.

 

즉, 1-4-3-2-1의 방향으로 진행하며, 4-3으로 상태변화 할 때에 열량 Q2를 받아들여 등온팽창하고, 2-1의 상태변화 동안에 열량 Q1을 외부로 방출하게 된다.

 

4-3 : 온도 T2에서 등온팽창한다.(열량 Q2를 외부로부터 받는 과정)

3-2 : 단열압축하여 온도 T1이 된다.(열의 출입이 없는 과정)

2-1 : 온도 T1에서 등온압축한다.(열량 Q1을 외부로 배출하는 과정)

1-4 : 단열팽창하여 T2로 된다.(열의 출입이 없는 과정)

 

 

 

 

 

즉, 외부로부터 일 W를 받아 저온구역 T2의 물체로부터 열량 Q2를 취하여, 고온구역 T1으로 열량 Q1을 배출하게 되는 것이다. 결국 (Q1-Q2)에 상당하는 열량을 소비하게 되므로, 이론적 냉동사이클의 성적계수(cop)는

 

  

 

여기서 일량 W의 에너지는 열량 Q2를 제거하는데 필요한 것이지 W의 에너지 일부가 열량 Q2로 변환되는 것은 아니다. 따라서, 이와 같은 의미로부터 효율이라는 말을 사용하지 않고 일반적으로 성적계수 COP(coefficient of performance)라는 말을 사용하고 있다.

냉동기와 비교하면 고온 물체의 절대온도 T1은 응축기에서 응축된 냉매의 온도에 상당하게 되고, 저온물체의 절대온도 T2는 증발기에서 증발하는 냉매의 온도이다. 따라서 응축온도는 가능한 낮을수록, 증발온도는 가능하면 높게 할수록 성적계수는 좋게 된다.

절대온도 T1인 냉동기의 고온부에서 배출하는 열량 Q1을 이용하여 가열 혹은 난방을 행하는 방식을 heat pump라 하는데, 이 때의 성적계수는 다음과 같다.

 

 

 

 

 

3-2 냉매선도        

 

 

 

냉동장치내를 순환하고 있는 냉매는 끊임없이 그 상태가 변화하고 있다. 따라서 냉동기기 운전자는 장치의 어느 곳에서 냉매의 상태가 어떻게 되어 있는 가를 예측할 필요가 있고 효율이 좋은 운전조작을 한다거나 냉동능력이나 소요동력 등을 계산할 필요로 도 있다. 이때 선도를 이용하면 편리하다.

선도에는 ① 압력-체적선도(P-V선도) ② 온도-엔탈피선도(T-S 선도)

③ 엔탈피-엔트로피선도(H-S 선도) ④ 압력-엔탈피 선도(P-H 선도)

등이 있으나 거의 P-H 선도만을 사용하므로 이것에 관해서 살펴보겠다.

 

1) P-H 선도(모리엘 선도)

 

냉동공학을 공부하는 사람은 냉매의 P-H 선도가 여행자의지도와 같이 그 용법을 필수적으로 알고 있어야 하고, 어떠한 운전 상태라도 냉매선도(P-H선도)상에 표시할 수 있어야 한다. 이 P-H선도를 사용하면 냉동기의 크기, 냉동능력, 냉동기의 운전에 필요한 전동기의 크기 등을 쉽게 구할 수 있다. 아래 선도는 냉매 R-22의 모리엘선도를 나타낸 것이다.

 

①엔탈피 : 어느 압력하에서 1kg의 물체내에 들어있는 열량과 그 체적 만큼 주 위의 것을 밀어낸 일의 열당량을 합한 것을 말하는데 어떤 상태에서 가지고 있는 그 물질의 총열량이라고도 표현할 수 있다. 세로축의 등엔탈피선 위의 냉매는 모두 같은 엔탈피(kcal/kg)를 가진다.

 

 

②등압선 : 선도에서 횡으로 그어진 선 위의 냉매 압력은 모두 같다. 등압선에 표시된 압력의 단위는 절대압력(절대압력=게이지압+대기압)을 사용 하므로 냉동장치의 압력계(게이지압)과 비교할 때에는 주의하여야 한다.

 

압력의 단위는 kg/cm2abs 이다.

 

③포화액선 : 앞의 그림에서 알 수 있듯이 포화액선은 완전포화상태의 상태점들을 연결한 선이다. 이 상태에서 왼쪽부분으로 가면 과포화상태가 되고 오른쪽 부분으로 가면 증기가 포함된 상태가 된다.

 

④포화증기선 : 포화증기선은 냉매액이 엔탈피를 얻어 충분히 활성화 되어 그 압력에서 액으로서의 냉매를 하나도 가지고 있지 않은 상태점들을 연결한 선이다. 포화증기선의 왼쪽 부분으로 가면 습증기상태이고 오른쪽 부분으로 가면 과열증기가 된다. 포화증기선에 가까울수록 냉매의 건조도가 증가하게 되고 포화액선을 0, 포화증기선을 1로 잡아 사이에서 의 건조한 정도를 그 냉매의 건도라고 한다.

 

⑤등비체적선 : 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.

 

⑥등엔트로피선 : 엔트로피란 물체가 어느 열량을 잃어버리거나 얻을 때, 그 열량을 물체의 절대온도로 나눈 값으로서 엔트로피의 감소 또는 증가로 나타난다고 생각할 수 있다. 바꾸어 말하면 물체에 열의 출입이 없으면 그 물체의 엔트로피는 변화하지 않게된다. 냉동장치의 압축기에서 냉매 가스를 압축할 때 일어나는 과정을 단열압축이라 가정하고 이 때 엔트로피는 변화하지 않는다. 실제 압축기에서의 냉매변화는 등엔트로피선을 따라 움직인다.

 

 

*참고 : 1994년 크라운출판 고압가스기계냉동학과
          이도희의 HVAC 이야기
          이외 네이버지식검색등

출처 : 보일러,냉동,가스,건축설비

글쓴이 : 다움이[전석진] 원글보기

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