냉동의 원리
| 일반적으로 물체에서 열을 빼앗아 그 물체의 온도가 하강하는 것을 냉각(cooling)이라하고, 냉각범위 물체의 온도를 대기온도 이하로 낮추는 것을 냉동이라 한다. 따라서 냉동을 하는데에는 특별한 장치를 필요로 하며, 그것을 냉동기라 부른다. | |
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1. 냉동의 방법
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현재 사용하고 있는 냉동의 방법에는(1) 융해열을 이용하는 방법,(2) 승화열을 이용하는 방법,(3) 증발열을 이용하는 방법,(4)압축기체의 팽창을 이용하는 방법,(5)펠티어(peltier)효과를 이용하는 방법 등이 있다.
펠티어 효과란, 서로 다른 두 금속의 도체선의 양 끝을 접합하고 이들 회로에 직류전류를 흐르게 하면 한쪽의 접검에서는 발열이 일어나고, 다른 쪽 접점에서는 흡열이 일어나는 현상을 말한다. 이 현상을 이용하는 냉동법을 열전 냉동이라고도 한다. |
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① 자연냉동 : 융해, 승화, 증발 등의 자연현상에 의한 흡열작용을 이용하여 냉동
② 기계냉동 : 기계적인 일과 열에너지를 소비하여 저온 물체로부터 열을 흡수하고, 고온영역으로
열을 방출하는 것이다. |
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2. 냉동기의 원리
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냉동을 하는데는 여러 방법이 있으나 냉동장치는 증발하기 쉬운 액체를 증발시켜 그 잠열을 이훃하는 방법이 이용된다. 주요 부분으로는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 냉동장치 안에는 증발하기 쉬운 냉매가 봉입되어 있다. |
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① 압축기(compressor):증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 보낸다.
② 응축기(condenser) : 압축기로부터 나온 고온ㆍ고압의 가스냉매를 물 또는 공기로 냉각시켜 응축
시킨다.
③ 팽창밸브(expansion valve): 팽창밸브의 역할은 적정량의 액체냉매를 저압의 증발기측으로 보내
고, 고압 냉매는 팽창밸브를 통과하는 사이에 급격히 저온ㆍ저압의 습증기로 된다.
④ 증발기(evaporator) : 냉동목적을 달성할 수 있는 곳으로서 냉매는 여기서 열을 얻어 증발하고
주위는 저온으로 된다. |
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3. 냉동기의 성적계수 및 냉동능력
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(그림 8-2)는 압력(p)-엔탈피(h)선도를 나타낸 것이다. 그림 1~4에서 각 과정을 살펴보면 |
| 과정 1에서2 : 정압증발과정(열량Q₂kcal를 흡수) |
| 과정 2에서3 : 단열압축 과정(등 엔트로피 변화) |
| 과정 3에서4 : 정압 응축과정(열량Q₁kcal를 방열) |
| 과정 4에서1 : 교축 팽창과정(등 엔탈피 변화) |
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그림 8-2 증기 압축 냉동 사이클의
압력(p)-엔탈피(h)선도 |
| ① |
증발기에서 냉매 1kg이 흡수하는 열량(q₂kcal/kg)
q₂= h₂- h₁
여기서, h₁,h₂: 각각 증발기 입ㆍ출구의 엔탈피이다. 증발기에서의 흡수열량을 냉동효과라 한다. |
| ② |
압축에 필요한 일( AW kcal/kg)
AW = h₃- h₂
여기서,h₂,h₃: 압축기 입구와 출구에서의 엔탈피 |
| ③ |
응축기의 방열량 ( q₁ kcal/kg)
q₁ = h₃- h₄
팽창 밸브에서는 등엔탈피 변화를 하므로 h₄= h₁이 된다. |
| ④ |
성적계수(coefficient of performance) :ε 증발기에서 흡수하는 열량 q₂와 압축소요일 A w와의 비를 말한다.
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q₂ |
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h₂- h₁ |
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h₂- h₄ |
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ε= |
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= |
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= |
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Aw |
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h₃- h₂ |
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h₃- h₂ | | | | |
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1. 압축기(compressor)
| 압축기는 저압의 증발기로부터 냉매 가스를 흡입하여, 그 압력을 응축 압력까지 높이는 작용을 한다. 현재 사용하는 압축기의 기본 형식에는 왕복식, 로터리식, 스크로우식, 원심식 등이 있다. 또한 압축단의 수, 압축 행정의 수, 실린더의 수 및 그 배열에 따라서 여러가지로 분류한다. |
 그림 8-6 압축기 | |
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2. 응축기 (condenser)
| 응축기는 압축기를 빠져나온 고온ㆍ고압의 냉매 가스를 냉각하고 응축시키는 열교환기이다. 냉각방법으로는 수랭식,공랭식, 증발식의 3종류가 있다. |
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수평형의 셀엔드 튜브(cell and tube)식이 널리 사용되고 있다. 튜브에 냉각수를 보내고, 냉매 가스를 상부에서 유입시키면 하부에 액체가 고이게 된다. |
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| ② |
공랭식 응축기
핀코일(fin coil)에 냉매를 보내고 그외부에 송풍기로 바람을 보내어 냉각하는 방법이다. 주로 소형 냉동기에 사용된다. 물을 필요로 하지 않으므로 스케일이 부착되거나 동결될 염려가 없다. |
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핀(fin)이 붙어 있는 응축코일 표면에 물을 살포하고 물의 증발점열을 이용하여 냉각하는 방법으로서 냉각탑과 응축기를 하나의 케이싱 안에 조립한 것이다. 겨울철에는 외기온도가 낮아 물을 사용하지 않고 공랭식으로 사용할 수 있다. |
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증빌기는 응축기로 액화한 냉매액을 팽창 밸브를 통하여 증발시켜, 그 증발열을 이용하여 물 혹은 브라인을 냉각하는 냉각기이다. 이것은 냉각 코일로 냉매를 증발, 팽창시켜서 주위의 공기 또는 물에서 열을 흡수하는 방법으로, 직접 팽창식 냉각기라고도 한다.
냉각코일에는 ( 그림 8-8)과 같은 핀코일이 널리 사용된다.
브라인 또는 물을 냉매 증발기로 냉각하고 그 냉각된 브라인 또는 물로서 목적물에서 열을 흡수할 때에는 간접식 냉각기라 한다.
또한 팽창밸브로부터 냉매가 직접증발기로 들어가는 건식 증발기와, 팽창밸브를 나온 냉매를 일단 아큐뮬레이터에서 기액을 분리시키고 액체만을 증발기로 흐르게 하는 만엑식 증발기가 있다.(그림 8-9참조) |
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1. 왕복식 냉동기(reciprocating compressor)
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완복식 냉동기는 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브 등으로 구성되는데, 특히 이것들이 한덩어리로 된 것을 콘덴싱 유닛이라 한다. 압축기는 실린더 안을 피스톤이 왕복운동을 하여 냉매가스를 압축한다. 다른 압축식 냉동기에 비하여 용량이 비교적 적고, 소ㆍ중 용량에 사용된다. 회전수는 200~3,600rpm 정도로 비교적 낮으며, 왕복운동에 의한 진동이 큰 점 등의 장ㆍ단점이 있다. |
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2. 원심식 냉동기(터보 냉동기)
(그림 8-3)과 같이 압축기, 응축기, 증발기등으로 구성된다. 압축기는 임펠러의 회전에 의해서 냉매가스를 압축하는 터보(tur-bo)압축기를 사용한다.
원심 냉동기는 대용량의 수랭용 냉동기로서 보통 용량이 3~120 냉동톤의 범위에서는 왕복식이 사용되고, 그보다 큰 경우에는 원심식이 사용되는 경우가 많다.
원심형 냉동기는 왕복식에 비하여 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
① 용량이 88~7,000냉동톤으로서 매우
크다.
② 고속회전이므로 증속장치가 부착되어
있는 것이 많다.
③ 오랜 시간의 연속 운전이 가능하다.
④ 단단에서 고압축비 운전이 어렵다. |
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<표 8-1> 공기 조화용 냉동기의 종류와 용도
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분 류 |
명 칭 |
냉 매 |
주 된 용도 |
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압
축
식 |
체 적 형 |
왕복식 냉동기 |
R12 |
소ㆍ중형(120냉동톤까지) |
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R22 |
패키지에어컨디셔너, 룸 에어컨디셔너 |
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스크루 냉동기 |
R12 |
공기 열원 열펌프 |
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R22 |
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로터리 냉동기 |
R11 |
룸 에어컨디셔너 |
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원 심 형 |
터 보 냉동기 |
R11 |
대형(80 냉동톤 이상)의 칠링 유닛 |
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R22 |
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흡 수 식 |
흡수냉동기 |
물 |
중ㆍ대형 칠링 유닛, 냉ㆍ온수 발생기 | |
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냉동 사이클에 의한 냉동능력
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공 식 |
계 산 응 용 |
냉동효과(냉동력,냉동량)
냉매 1kg이 증발기에서 흡수하는 열량
q : 냉동효과(kcal/kg)
ia : 증발기 출구 증기냉매의 엔탈피(kcal/kg)
ie : 팽창밸브직전 고압액냉매의 엔탈피(kcal/kg)
q = ia - ie |
V= 485㎥/h
응축온도30℃
팽창변직전온도25℃
흡입증기의 온도 -20℃
q = ia - ie
= 397-128
=269(kcal/kg) |
압축일의 열당량
압축기에는 흡입된 저압증기 냉매 1kg을 응축압력까지 압축하는데 소요되는 열당량
Aw : 압축일의 열당량(kcal/kg)
ib : 압축기 토출 고압증기 냉배의 엔탈피(kcal/kg)
ia : 동 일
Aw = ib - ia |
Aw = ib - ia
= 471 -397
= 74(kcal/kg) |
응축기의 방출열량
압축기에서 토출된 고압증기 냉매1kg을 응출하기 위해 공기 및 냉각수에 방출제거해야 할 열량
qc : 응축기의 방출열량(kcal/kg)
q : 냉동효과 (ia - ie )
Aw : 압축일의 열당량(ib - ia )
ie : 동 일
qc = q +Aw = (ia - ie ) +Aw
qc = ib - ie
|
qc = q +Aw =269 +74 =343 |
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| |
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공 식 |
계 산 응 용 |
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냉매순환량
G : 냉매순환량 kg/h
V : 피스톤 압출량 ㎥/h
v₁: 압축기 흡입증기 비체적 ㎥/kg
ηv : 체적효율 |
|
순환증기냉매의 체적
Vg : 순환증기 냉매의 체적(㎥/h)
V : 흡입증기 냉매의 비체적(㎥ /kg) |
|
이론적인 피스톤 압출량(piston displacement)
① 왕복동 압축기의 경우
Va : 이론적 피스톤 압출량(㎥/h)
D : 피스톤의 직경 및 실린더의 내경(m)
L : 피스톤의 행정(m)
N : 기통수
R : 분당 회전수(r.p.m)
② 회전식 압축기의 경우
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π |
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| Va = |
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ㆍtㆍn(D² - d²)×60 |
| |
4 |
| t : 회전 피스톤의 가스압축부분의 두께(m)
n : 회전 피스톤의 1분간의 표준회전수(r.p.m)
D : 실린더의 내경(m)
d : 회전 시스톤의 외경(m)
|
|
ηv : 체적효율
R : 냉동능력(RT)
V :시간당 피스톤 압출량(㎥/h)
C : 압축가스의 상수
압축가스의 상수(C의 값)
| 가 스 |
압축기 기통 1개의 체적 5,000㎤이상 |
압축기 기통 1개의
체적 5,000㎤ 이하 |
| NH₃ |
7.9 |
8.4 |
| R -12 |
13.1 |
13.9 |
| R -22 |
7.9 |
8.5 |
| R - 13 |
4.2 |
4.4 |
| R-500 |
11.3 |
12.0 |
| 프로판 |
9.0 |
9.6 |
③ R =Gq
G : 냉매수환향
q : 냉동효과
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 |
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② 실제적인 소요동력
N′ : 실제적인 소요동력(HP,kW)
N : 이론적인 소요동력
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냉동능력
냉동능력은 증발기에서 흡수하는 열량(kcal/h)으로 표시하며, 일반적으로 냉동톤(ton of refrigeration)의 단위를 사용한다. 1 냉동톤(RT)은 0℃의 물 1톤을 24시간 동안에 0℃의 얼음으로 만드는 냉동능력을 말한다. 따라서, 1RT는 얼음의 융해열이 79.7kcal/kg이므로.
| |
1,000×79.7 |
|
| 1RT = |
|
≒ 3,320kcal/h가된다.(CGS 냉동톤) |
| |
24 |
| 한편, 미국이나 영국에서는 1 ton(단 2,000lbs). 융해열 144Btu로 하고 있으므로 1냉톤은 다음과 같이 표시된다.
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144×2,000 |
|
|
= 12,000Btu/hr(1 us RT라고 함) |
|
24 |
| 1Btu=0.252kcal이므로 이를CGS단위로 환산하면 1 us RT =12,000Btu / h× 0.252kcal/ Btu=3,024kcal/h가 된다. |
|
한 국 |
미 국 |
1 RT : 79,680 kcal /24h = 3,320.5kcal/h
1 RT는 Q=Wr에서Q = 1,000×79.68=79.680kcal 24h
79,680 ÷24 =3,302kcal/h |
1 US RT : 288,000BTU/24h=12,000BTU/h
=3,024=3,024kcal/h
1 US RT는 Q=Wr에서 Q=2,000× 144=288,000BTU/24h 288,000÷24=12,000BTU/h | |
예제 내방부하 30,000kcal/h 를 담당하는 냉동기의 냉동능력은 몇 냉동톤에 해당하는가?
풀이 1 냉동톤 =3,320kcal/h이므로
| |
30,000 |
|
| 냉동기의 능력= |
|
= 9.04(RT) |
| |
3,320 |
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냉동시스템의 구성 및 원리
가. 냉동(Refrigeration)
냉동(冷凍)이란 고체, 액체, 기체 등의 물체로부터 인위적으로 열을 빼앗아 물체를 주위의 온도보다 낮게 유지하는 조작을 말하며, 이러한 조작에 사용되는 매체를 냉매(冷媒, Refrigerant)라 한다.
나. 냉동의 원리 및 방법
물체의 상태(고체, 기체, 액체) 변화는 열의 변화와 밀접한 관계가 있으며, 열의 출입에 의해 그 상태가 변화된다. 일반적으로 냉동기는 상태가 변화되면서 주위의 열을 흡수하는 냉매를 이용하여 물체를 냉각시키는 기능을 수행한다. 이와 같이 물체의 온도를 낮게 유지하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 이를 열의 이용측면에서 분류하면 다음과 같다.
1) 증발열을 이용하는 방법
증발이 용이한 물질(액체질소, HFC-134a 등 일반적 의미의 냉매)을 증발시켜 주위로부터 열을 빼앗음으로써 공기를 냉각시키는 방법으로, 흡열량만큼 액체가 소모되기 때문에 지속적인 냉각효과를 얻기 위해서는 그에 상응하는 양을 계속 보충해 주어야만 하는 단점이 있다. 이러한 증발열을 이용하는 방식을 채용하고 있는 자동차 에어컨시스템에서는, 증발된 냉매를 냉동싸이클에 의해 액냉매 상태로 환원시켜 반복 사용하는 방식으로 상기한 문제점을 해결하고 있다.
2) 융해열을 이용하는 방법
대기압 하에서 얼음이 융해될 때(녹을 때) 주위로부터 열을 흡수(온도 0℃에서 79.68 kcal/kg)하는 원리를 이용한 방식이다.
3) 승화열을 이용하는 방법
드라이아이스(Dry Ice)가 고체상태에서 기체상태로 승화할 때 주위로부터 열을 흡수(온도 –78.5℃에서 137kcal/kg)하는 원리를 이용한 방식으로, 얼음보다 저온을 얻을 수 있으며, 또한 작용 후 기체상태로 변화되어 뒷처리가 편리하여 냉동식품의 간단한 저장 및 운반에 이용된다.
4)기체의 단열팽창을 이용한 방법
대기권에서 높이가 1000m 상승할 때 마다 온도가 약 6℃씩 낮아지는 것은 기압이 저하됨에 따라 공기가 팽창하기 때문인데, 이 원리와 같이 압축기계를 단열 팽창시켜 냉각효과를 얻는 방법이다. 이러한 방법은 열효율이 나쁜 단점은 있으나, 압축공기를 얻기 쉬운 항공기용으로 많이 이용된다.
5) 펠티에 효과(Peltier’s Effect)를 이용하는 방법
서로 다른 금속도체의 접합부에 전류를 흐르게 하면 한쪽 접합부는 고온이 되고, 다른 한쪽은 저온이 되는 현상을 펠티에 효과라고 하는데, 이러한 현상을 냉동에 응용한 것을 전자냉동 또는 열전냉동이라고 한다.
다. 냉동관련 용어 설명
1) 열(熱)
물체의 온도가 변하는 것은 분자운동의 결과인 열로 인한 것이다. 즉, 물질의 분자운동이 활발해지면 온도가 상승하고, 반대인 경우에는 온도가 하강하는데 절대온도 0℃(-273℃)에서는 분자운동이 정지된다. 또한 열은 에너지의 일종으로, 고온체에서 저온체로 흐르는 성질을 가지고 있으며, 분자운동의 속도가 한계를 벗어나면 물질의 상태변화를 초래한다.\
2) 비열(比熱)
비열이란, 단위중량의 어떤 물질을 1℃ 상승시키는데 필요한 열량을 의미하며, 그 단위는 kcal/kg℃로 표기된다. 단위에서 알 수 있는 바와 같이 비열이 큰 물질은 온도변화가 쉽게 이루어지지 않게 된다.
3) 열전달(熱傳達)
온도가 다른 물체 사이에서 열은 고온체로부터 저온체로 이동하게 되는데 이를 열전달이라고 하며, 기본적으로 전도, 대류, 복사의 3가지 형태로 열전달이 이루어진다.
① 전도(傳導)
고체 내부에서 고온측에서 저온측으로 열이 전달되는 형식을 말한다. 열전도율을 물질에 따라 다르며 온도에 따라 변하는 값이다.
② 대류(對流)
유체나 기체의 운동에 의해 열이 이동하는 현상을 말한다. 물질 내부의 온도가 상승하면 기체나 액체는 팽창하여 밀도가 작아져 부력에 의해 위로 상승하고, 그 반대의 경우에는 아래로 하강하게 되는데, 이 때 유체와 함께 열이 이동하는 현상을 대류라고 하며, 유체의 밀도차에 의한 열의 이동을 자연대류, 송풍기 등에 의해 강제로 유체를 이동시켜 열을 이동시키는 것을 강제대류라 한다.
③ 복사(輻射)
떨어져 있는 물체 사이에, 고온체로부터 공간을 통해 열이 직접 이동하는 현상을 말하는 것으로, 물체간의 온도차가 클수록 열전달이 크다. 고온체로부터 방사되는 열에너지는 광파(光波)와 같은 적외선인데, 이 에너지 중 일부는 물체에 도달하면 저온체에서 반사되거나 투과하게 되며, 일부는 저온체에 흡수되어 온도를 상승시킨다.
4) 감열(感熱)과 잠열(潛熱)
물체에 열을 가감(加減) 할 때 물체의 온도는 변하지만 상태변화가 없는 경우, 가감된 열을 감열(Sensitive Heat)이라고 하며, 순수한 물질과 같이 일정한 온도, 압력에서 열의 출입에 의해 상태변화는 일으키지만 온도변화가 없는 경우, 이런 상태로 출입하는 열을 잠열(Latent Heat)이라 한다.
5) 습도(濕度)
① 절대습도(AH : Absolute Humidity)
건조공기 1Kg과 공존하는 수분의 중량으로 습한 정도를 표시한 것.
② 상대습도(RH : Relative Humidity)
대기의 온도에 따라 공기가 포함할 수 있는 최대 수분량에 대한 현재 포함하고 있는 수분의 양을 비율(%)로 나타낸 것으로, 상태변화에 따라 상대습도는 변한다.
③ 건조공기
수분을 전혀 함유하지 않은 완전히 건조된 공기를 말하며, 실제로는 존재하지 않는 이론적인 것임.
④ 습공기 및 포화 습공기
건조공기와 수분이 혼합된 것을 습공기라 하며, 습공기 중 수분이 포화상태로 되어 더 이상의 수분을 함유하면 물방울이 생기게 되는 상태를 포화 습공기라 한다.
⑤ 노점온도(Dew Point)
어떤 습공기를 점차 냉각시키면 어떤 온도에서 그 공기 중의 상대습도가 100%, 즉 포화 습공기가 되며, 그 온도 이하가 되면 공기 중의 수증기가 분리되어 물방울이 생기는데 이를 응축이라 하고, 이 때의 온도를 노점온도 또는 이슬점이라고 한다.
6) 압력(壓力)
단위 면적당 가해지는 힘을 압력이라고 하며, 일반적으로 사용되는 단위는 kg/㎠, psig, pa 등이 있다.
① 대기압(Atmospheric Pressure)
대기의 압력을 말하는 것으로, 표준 대기압은 해발 0m에서의 대기압력을 기준으로 한다.
② 절대압력(kg/㎠abs)
완전 진공상태를 기준(0)으로 하여 측정한 압력을 말한다. 따라서 완전 진공상태는 0kg/㎠abs이고, 표기대기압은 1.033kg/㎠이 된다.
③ 게이지 압력(kg/㎠g)
대기압을 기준(0)으로 하여 압력게이지로 측정한 압력을 말하는 것으로, 이는 절대압력과 대기압의 차이로 볼 수 있다. 즉, “게이지 압력 = 절대압력-국소 대기압” 으로 표시할 수 있다.
7) 냉방능력(냉동능력)
1시간 동안 냉각시킬 수 있는 능력을 말하는 것으로, kcal/h로 표시되며 실용적인 단위로는 냉동톤(Refrigerant ton)이 많이 이용된다. 즉, 1ton, 0℃의 물을 24시간 동안에 0℃의 얼음으로 만들 때 냉각해야 할 열량이다. 단위 중 우리나라와 일본에서 주로 사용하는 “일본 냉동톤(3320 kcal/h)”과 미국, 영국에서 사용하는 “미국 냉동톤(3024 kcal/h)”이 있다.
몰리엘 선도와 냉동사이클의 관계
냉매의 상태변화에 대한 이해를 돕기 위해 냉동사이클을 몰리엘 선도에 표시하면 다음과 같다.
① 압축과정(A-B)
증발기로부터 토출된 냉매가스는 과열증기 상태로 압축기로 흡입되어 단열과정인 등엔트로피선과 평행하게 진행하여 고온고압의 냉매가스로 토출된다. 압축기의 일량은 압축기 입구와 출구간의 엔탈피 변화(iA-iB)와 같다>
② 응축과정(A-B)
압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스(과열증기)는 응축기를 통과하면서 외기에 의해 냉각되어 과열증기-포화증기-포화액으로 상태가 변화된다. 응축기 내에서의 응축과정은 이론적으로 등압변화이며, 외기로 방출한 방열량은 엔탈피차(iB-iC) 이다.>
③ 팽창과정(C-D)
응축기에서 과냉각된 고온고압의 액냉매는 팽창밸브 내의 미세한 통로를 거치면서 교축작용에 의해 압력이 낮아져 저온저압의 상태로 된다. 이론적으로 이 과정은 단열과정이기 때문에 엔탈피의 변화(iC-iD)는 없다.>
④ 증발과정(D-A)
팽창과정에서 저온저압 상태로 변화된 냉매는 증발기로 유입되어 외기 또는 실내공기로부터 열을 빼앗아 포화증기로 변한 뒤 과열증기로 상태가 변화된다. 증발기에서의 냉매증발을 등압변화 과정이며 엔탈피의 차(iD-iA)가 증발열량이 된다.
