냉동사이클

[방랑자]

냉동사이클(Refrigeration cycle)

위의 그림을 보면서 냉동 사이클을 이해해 보도록 하자. 사이클 이해를 쉽게 하기 위해서는 몰리에르선도라는 도표를 이해하여야 한다. 몰리에르선도에 대해서는 별도로 설명하기로 하고, 위 그림과 같은 증기 압축 냉동사이클은 크게 증발 압축 응축 팽창의 4단계 과정을 거치면서 동작하게 된다.

1) 증발과정 (Vaporization)

 증발과정은 냉동장치의 증발기(실내기)에서 액냉매가 열교환기 주위에 있는 공기나 물질로부터 증발에 필요한 증발잠열을 흡수하여 증발하는 과정을 말한다. 이에 따라서 냉매에게 열을 빼앗긴 주위의 공기나 물질은 냉각되어 저온으로 유지되며, 냉매는 주위에서 열을 빼앗아 증발하게 된다. 이때 냉매가 액체에서 기체로 증발하는 과정에서의 냉매온도와 압력은 일정하게 유지된다. 이때 냉매로 흡수되는 열량은 냉매가 액체에서 기체로 변화하는 과정에 기여하는 잠열이며, 이 흡수열량이 많다는 것은 곧, 냉동 능력이 크다는 것이다.
  * 다시말해 증발과정이 에어컨의 냉방능력 및 제습능력을 결정한다.

 냉매가 기체로 모두 변하는 B점 이후부터 B-C 구간은 과열도로 표기되며, 증발기에서 증발이 끝난 냉매(B점)에서 과열되어 압축기의 가스측 흡입구(Suction) 부위에 들어가는 것을 의미한다. (A-B-C)

2) 압축과정 (Compression)

 압축기에서 냉매증기를 압축하는 과정을 말하며, 압축변화는 등엔트로피선을 따라 응축 압력에 도달하게 된다. 증발기에서 나온 과열증기(C점)는 압축기에 흡입되어 D점까지 압축되고 응축기로 들어간다. 압축과정은 상온의 물이나 공기에 의해 냉각되어 응축이 잘 될 수 있도록 압력을 높이는 역할을 한다.(C-D)

   * 냉매가스를 압축하는 이유 - 가스를 응축하여 액체로 변환시키기 위해서는 가스
     온도를 높여주면 상온의 온도로 냉각하여도 쉽게 응축된다. 따라서 응축기의 가
    스 온도가 80℃ 정도라면 상온의 온도(30℃)로 쉽게 응축된다. 반대로 응축기 가
    스온도가 30℃라면 응축하기 위하여 주변의 온도는 30℃보다 훨씬 낮은 0℃ 정도
    의 공기로 냉각 하여야 한다. 따라서 통상 상온에서 설치되는 기계적 환경을 생각
    할때 냉매가스를 압축하여 온도를 높여야 하는 이유가 설명된다.

   * 예를 들어 에어컨에 흔히 사용하는 냉매인 R-22는 대기압(1.033kg/cm²a)
     에서 -40.8℃에서 증발한다. 따라서 제품에 적용하기 위해서는 우리가 원하는
     증발온도에 상응하는 압력까지 압력을 상승시켜야 한다. 즉 압력을 6.14kg/
      cm²a 까지 올리면 증발온도는 6℃로 올라간다.

3) 응축과정 (Condensation)

응축기(실외기) 내에서 냉매가 응축되는 과정을 말하며, 냉매는 응축기 외부의 물이나 공기에 의해 냉각되어 기체에서 액체 상태로 변화한다. 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매가스는 상온의 냉각수나 냉각공기에 의하여 식혀지고, 쉽게 액화할 수 있는 상태가 되며, 이때 냉각수나 냉각공기로 방출되는 열량을 응축열량이라고 한다. 이 응축열량은 냉매가 증발기에서 주변의 온도를 빼앗아 흡수한 열량과 압축기에서 압축에의해 가해진 열을 합친 열량이 된다.  응축과정도 증발과정과 같이 응축기 내에서의 냉매는 증기와 액이 혼합된 상태이며, 기체에서 액체로 변화하는 동안 응축압력과 온도 사이에는 일정한 관계가 있어 압력이 결정되면 온도가 결정되고, 역으로 온도가 결정되면 그 때의 압력도 알 수 있다.

압축기에서 나온 과열증기(D)는 냉각되어 E 점부터 기체에서 액체로 응축이 되기 시작한다.  E-F 구간에서는 계속하여 기체에서 액체로 응축되다가 점 F에서 100% 액냉매가 된다. F-G 구간은 계속 냉각되어 과냉의 액냉매가 된다.

4) 팽창과정 (Expansion)

 팽창과정은 액 냉매가 팽창밸브를 통과하며 상태가 변화하는 것을 말하며, 외부와의 열출입이 없는 단열팽창으로 엔탈피의 변화가 없다. 이 팽창과정은 응축기에서 응축된 액 냉매가 증발기에서 쉽게 증발할 수 있도록 압력을 저하시키며, 팽창과정 동안에 온도도 저하된다. 팽창밸브는 냉매의 팽창이 일어나는 곳으로 감압작용과 함께 증발기로 유입되는 냉매의 유량을 조절하는 역할을 한다.(G-A)

 * 단열팽창이란? - 에어컨의 Capillary tube 를 통과하는 냉매는 좁은곳에서 갑자기 넓은 곳으로 쏟아져 나오면, 압력이 적어지면서 부피가 순간적으로 급격히 커지게 된다. 이에 따라 외부온도와 열을 주고받을 새도 없이 자신이 가지고 있는 열을 써서 부피를 늘리는데 사용하므로 냉매의 온도도 내려가는 것이다.

  * 엔탈피란? -  물질이 갖는 전체 에너지는 내부 에너지 외에 그때의 압력과 체적의 곱에 해당되는 에너지를 가지고 있다. 이 두가지를 합한 것을 하나의 양으로 다루는것이 편리한데, 이 양을 엔탈피라고 하며, H kcal 또는 h kcal/kg 으로 표기한다.
 본래 1930년 대에 네덜란드의 유명 실험물리학자인 온네스라는 사람에 의해 제창되었으며, 어원은 그리스어의 “따뜻하다”라고 하는 의미에서 온 것이기 때문에 한마디로 그 물질이 가지고 있는 열량이다. 이 장에서의 엔탈피란 냉매가 어느상태에서 보유한 열량의 총량(내부에너지+일에너지)을 말한다.

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