냉동기계

[천지인]

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제 02 장 냉동의 기본사항

Ⅰ. 냉동(Refrigeration)의 개요

1. 냉동의 정의
   일정한 공간이나 물체로부터 열을 제거하여 인공적으로 주위온도보다 낮게 유지하는 것
(1) 냉각 (Cooling)
     피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 0 ℃ 이상의 온도로 그 물체가 필요로 하는 온도까지 낮추는 조작
(2) 냉장 (Cooling Storage)
     동결되지 않는 범위 내에서 열을 제거하여 저온(3-5 ℃) 상태로 일정시간을 유지시키는 조작
(3) 동결 (Freezing)
     -15℃ 정도 이하로 낮추어 물질을 얼리는 조작
(4) 제빙
     얼음의 생산을 목적으로 물을 얼리는 조작
(5) 냉방
     실내공기의 열을 제거하여 주위 온도보다 낮추어 주는 조작

2. 냉동의 방법
(1) 자연적인 냉동방법
     물질의 물리적인 자연현상을 이용하는 방법
     ① 고체(얼음)의 융해잠열을 이용하는 방법 : 큰 얼음을 방에 두면 얼음이 녹으면서 주위의 열을 뺏어 시원해짐
     ② 고체 CO₂(드라이아이스)의 승화잠열을 이용하는 방법 : 드라이아이스가 승화하면서 주위의 열을 뺏아 시원해짐
     ③ 액체의 증발잠열을 이용하는 방법 : 한여름 끓어오르는 아스팔트에 물을 뿌리면 물이 증발하면서 주위의 열을 뺏아 시원해짐
     ④ 기한제(起寒劑)를 이용하는 방법 : 맥주를 빨리 시원하게 하려면 얼음에 소금을 뿌린 후 맥주를 냉각시키면 됨
                                                        한겨울에 눈이 내린 도로에 염화칼슘을 뿌리면 어는 점이 -55 ℃ 정도로 낮아져 도로 결빙을 예방할 수 있음.

(2) 기계적인 냉동방법
     전력, 증기, 연료 등의 에너지를 이용하여 지속적인 냉동효과를 얻는 방법
     ① 증기 압축식 냉동기

<증기 압축식 냉동장치>

         증기 압축식 냉동장치의 4대 요소 (압축 → 응축 → 팽창 → 증발)
            ㉠ 압축기 : 증발기에서 증발한 저온 저압의 냉매가스를 압축기로 흡입하여 압축하면 고온 고압의 과열증기 상태로 토출된다.
            ㉡ 응축기 : 과열된 냉매가스를 응축기로 유입하여 물 또는 공기와 열교환을 시키면 냉매는 고온 고압의 액체 상태가 된다.
            ㉢ 팽창밸브 : 액화된 고온 고압의 냉매액을 팽창밸브로 교축팽창시키면 저온, 저압의 냉매액 상태가 된다.
            ㉣ 증발기 : 저온, 저압의 액냉매는 증발기(냉각관)를 순환하면서 피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 저온, 저압의 냉매가스로 증발되어 압축기로 흡입된다.
     ② 흡수식 냉동기
         기계적인 일을 사용하지 않고, 고온의 열(온수 및 수증기)을 이용하여 냉방하는 것으로 서로 잘 용해되는 두 가지 물질을 사용한다. 즉, 저온상태에서는 두 물질이 강하게 용해하나 고온에서는 두 물질이 분리되어 그 중 한 물질이 냉매 작용을 하여 냉방을 하는 것이다. 이 때 열을 운반하는 물질을 냉매라 하고, 이 가스를 용해하여 흡수하는 물질을 흡수제라 한다.

              냉 매                        흡수제
         NH₃(암모니아)           H₂O (물)
         H₂O (물)                LiBr (취화리튬)

<흡수식 냉동기>

     ③ 증기 분사식 냉동기
         증기 이젝터(ejector)로 증발기 내의 압력을 낮추어 물의 일부를 증발시키는 동시에 나머지 물은 냉각이 되는데 이 냉각된 물(냉수)을 냉동목적에 이용한다.
     ④ 전자냉동기 (열전냉동기)
         성질이 다른 두 금속을 접속시켜 직류전류를 흐르게 하면 접합부에서 열의 방출과 흡수가 일어나는 현상을 이용하여 저온을 얻는 방법, 즉 펠티어(Peltier) 효과를 이용한 것으로 열전냉동법이라 한다(Peltier 효과와 반대되는 현상을 제벡(Seebeck) 효과라고 한다. 제벡효과의 실례는 우주선이나 항공기 등에서 볼 수 있다).
         냉동용 열전 반도체 : 비스무트텔루르, 안티몬텔루르, 비스무트셀렌 등
     ⑤ 열펌프 (Heat Pump) : 열효율이 가장 높다.
         물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 다만 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 이송시키려면 물펌프를 사용하여야 한다. 이와 마찬가지로 열도 고온에서 저온으로 흐르는 것이나 냉동기는 증발기(저온)에서 열을 흡수하여 증기가 된 냉매를 압축한 후 냉매증기를 응축기(고온)에서 물 또는 공기를 이용하여 열을 버리는 것으로서 열을 저온에서 고온으로 이송시키므로 물펌프와 비슷하여 이를 열펌프라고 한다. 물 펌프에서는 흡입수량과 토출수량이 같으나, 냉동기에서는 압축기가 행한 일의 열량이 가산된다.

<열펌프식 냉동사이클>

Ⅱ. 열역학적 사이클

1. 사이클 (Cycle)
   유체가 임의의 상태점 A에서 출발하여 여러 가지 변화를 거쳐 다시 원상태 A로 되돌아오는 경우 유체가 행하는 연속적인 변화를 사이클(Cycle)이라 하며, 이 사이클을 행한 유체를 동작유체라 한다.

<Cycle>

2. 카르노 사이클 (Carnot Cycle)
   이상적인 열 기관사이클로서 두개의 등온선과 두개의 단열선으로 이루어진 사이클
   ① A -> B 과정 : 등온팽창
   ② B -> C 과정 : 단열팽창
   ③ C -> D 과정 : 등온압축
   ④ D -> A 과정 : 단열압축

<Carnot Cycle>

   카르노 사이클에서의 열효율
      η = AW / Q₁= (Q₁- Q₂) / Q₁= (T₁- T₂) / T₁

3. 역카르노 사이클 (Reverse-Carnot Cycle)
카르노 사이클을 역으로 행하는 이상적인 냉동 사이클로서 두개의 단열선으로 이루어진 사이클
   ① A -> B 과정 : 단열압축 (압축기)
   ② B -> C 과정 : 등온압축 (응축기)
   ③ C -> D 과정 : 단열팽창 (팽창밸브)
   ④ D -> A 과정 : 등온팽창 (증발기)

<역카르노 사이클>

   역카르노 사이클에서의 성적계수
      COP(ε) = Q₂ / AW = Q₂ / (Q₁ - Q₂) = T₂ / (T₁ - T₂)

Ⅲ. 몰리엘 선도 (P-i, P-h) 구성
     세로축에 변화되는 냉매의 절대압력(P)과 가로축에 냉매의 엔탈피(i, h)의 변화를 표시하여 냉매의 상태변화를 여러가지 선으로 나타내는 선도로써 냉동장치의 계산에서 매우 중요하게 이용된다.

1. 포화액선과 건조포화증기선
   ① 포화액선
       과냉각액 구역과 습포화 증기 구역을 구분하는 선으로 포화압력에 따른 포화온도의 점들을 이은 선
   ② 건조포화증기선
       습포화증기 구역과 과열증기 구역을 구분하는 선으로 포화압력에 따른 습포화증기가 건조포화증기로 상태가 바뀌는 점들을 이은 선

<P-i 선도의 구성(NH₃, 암모니아)>

<몰리엘 선도 (Mollier Diagram)>

2. 등압선 (P : ㎏ / ㎠ · a)
   ① 가로축과 평행하다(등엔탈피선과 직교).
   ② 압축비를 구할 수 있다.
   ③ 냉매의 상태변화 과정 중에서 응축과정과 증발과정 중의 절대 압력을 알 수 있다.
   ④ 한 선에서의 압력은 과냉각액, 습증기, 과열증기 구역에서 모두 동일하다.

3. 등엔탈피선 (i : ㎉ / ㎏)
   ① 세로축과 평행하다(등압선과 직교).
   ② 냉매상태에 따른 각각의 엔탈피를 알 수 있다.
   ③ 냉동효과(q₂), 응축부하(q₁), 소요동력(Aw) 등을 알 수 잇다.
   ④ 성적계수, 플래시 가스량을 구할 수 있다.
   ⑤ 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔탈피는 100 ㎉ / ㎏ 이다.

4. 등온선 (t : ℃)
   ① 과냉각 구역에서는 등엔탈피선, 습증기 구역에서는 등압선과 일치하며 과열증기 구역에서는 우측 하단으로 급격한 하향 구배선으로 그려진다.
   ② 냉매의 상태변화에 따른 응축, 증발, 흡입가스, 토출가스 온도 등을 알 수 있다.

5. 등비체적선 (v : ㎥ / ㎏)
   ① 과냉각액 구역에서는 존재하지 않는다.
   ② 습증기 구역에서 과열증기 구역으로 상향구배로 그려진다.
   ③ 압축기로 흡입되는 냉매가스 1㎏당의 체적(비체적)을 알 수 있다.

6. 등건조도선 (x)
   ① 습증기 구역에서만 존재한다.
   ② 단위중량의 습증기 중에 건조포화 증기가 차지하고 있는 무게비를 나타낸 값이다.
       건조도 (x) = 포화증기 / 습증기 = 플래시 가스의 열량 / 증발잠열 (0 ≤ x ≤ 1)
   ③ 과냉각 구역과 포화액선까지으 건조도는 0이고, 건조포화 증기선에서의 건조도는 1이다.
   ④ 건조도가 0.14이면 습포화 증기 중 증기가 14%이고, 액은 86%이다.
   ⑤ 플래시 가스량 및 냉동효과를 알 수 있다.

7. 등엔트로피선 (S : ㎉ / ㎏ · ˚K)
   ① 습증기 구역과 과열증기 구역에서만 존재한다.
   ② 압축과정은 이론상 단열압축으로 하므로 등엔트로피선 중에 나타난다.
   ③ 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔트로피는 1 ㎉ / ㎏ · ˚K이다.

Ⅳ. 기준 냉동사이클

     냉동기의 기종이나 대소에 관계없이 성능을 비교하기 위하여 제안된 일정한 온도조건에 의한 냉동사이클로 다음과 같이 기준하다.
   ① 응축온도 : 30 ℃
   ② 증발온도 : -15 ℃
   ③ 팽창밸브 직전의 온도 : 25 ℃ (과냉각도 5 ℃)
   ④ 압축기 흡입가스 상태 : -15 ℃의 건조포화증기

<기준 냉동사이클>

1. 냉동장치와 몰리엘선도 (과열 압축 과냉각 과정)

<P-i 선도상의 냉동사이클>

2. 기준냉동사이클의 과정
(1) 압축과정 (a → b)
   ① a점 : 증발기 출구 또는 압축기 흡입지점으로 냉매는 저온(-15℃), 저압(P₂)의 건조포화증기
   ② a → b과정 : 단열 압축과정으로 냉매는 건조포화증기에서 과열증기가 된다. 이 과정은 단열변화 과정이지만 압축기로부터 받는 일의 열당량만큼의 엔탈피가 증가한다.
   ③ b점 : 압축기 토출 또는 응축기 흡입 지점으로 고온, 고압(P₁)의 과열증기 상태
(2) 응축과정 (b → e)
   ① b → c과정 : 응축기에서의 과열 제거 과정으로 과열증기가 액화되기 직전의 건조포화증기로 변화되는 동안 온도가 낮아진다.
   ② c점 : 고온(30℃), 고압의 포화액 상태
   ③ c → d과정 : 실제 응축과정으로 물 또는 공기를 이용하여 응축시키므로 잠열과정이다(건조포화증기 → 습포화증기 → 포화액)
   ④ d점 : 고온(30℃), 고압의 포화액 상태
   ⑤ d → e과정 : 응축기에서의 과냉각 과정으로 포화액의 온도보다 5 ℃ 정도 과냉각된다.
   ⑥ e점 : 응축기 출구 또는 팽창밸브 입구지점으로 냉매는 25 ℃의 과냉각된 액체 상태이다.
(3) 팽창과정 (e → f)
   ① e → f과정 : 단열 팽창 과정으로 엔탈피의 변화는 없고(등엔탈피과정), 교축작용으로 유체의 속도가 증대되면 압력이 강하된 포화압력에 대응하는 온도(-15 ℃)로 저한된다.
   ② f점 : 팽창밸브 출구 또는 증발기 흡입지점으로 저온(-15 ℃), 저압(P₂)의 포화액과 증기(플래시 가스)가 공존하는 지점
(4) 증발과정 (f → a)
   ① f → a과정 : 증발기로 흡입된 액냉매는 냉동 또는 냉각에 사용되고, 피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 점차 증발하게 되는 잠열과정이므로 온도는 변하지 않고 증발기 출구지점에서 건조포화증기로 변한다.

3. 기준 냉동사이클에서의 상태변화

Ⅴ. 기준 냉동사이클의 계산

<기준 냉동사이클 계산>

1. 냉동효과, 냉동력, 냉동량 (q₂: ㎉ / ㎏)
   냉매 1㎏이 증발기를 통과하는 동안 피냉각물체로부터 흡수하는 열량
      q₂= i(a) - i(e)[i(f)] = (1 - x)r [i(a) : 증발기 출구 엔탈피, i(e)[i(f)] : 증발기 입구 엔탈피, r : 증발잠열, x : 건조도]

2. 압축일의 열당량, 압축열량 (Aw : ㎉ / ㎏)
   압축기에서 저압의 냉매가스 1㎏을 고압으로 상승시키는데 소요되는 압축일을 열량으로 환산한 값
      Aw = i(b) - i(a)      [Aw : 압축일량, i(b) : 압축기 출구 엔탈피, i(a) : 압축기 입구 엔탈피]

3. 응축기 방열량, 응축열량 (q₁: ㎉ / ㎏)
   증발기를 통과하는 동안 냉매 1㎏이 흡수한 열량과 압축기에서 받은 열량을 공기나 냉각수에 의해 방출하는 열량
      q₁= q₂+ Aw = i(b) - i(e)

4. 성적계수 (COP : ε)
   냉동능력과 압축일에 해당하는 소요동력과의 비
   ① P-i 선도상 성적계수
       COP = q₂/ Aw = {i(a) - i(e)} / {i(b) - i(a)}
   ② 이론성적계수
       ε(0) = q₂/ Aw = Q₂/ (Q₁- Q₂) = T₂/ (T₁- T₂)
   ③ 실제성적계수
       ε = ε(0) * η(c) * η(m)
   ④ 히트펌프의 성적계수 (COP(H))
       ε(H) = q₁/ Aw = Q₁/ (Q₁- Q₂) = T₁/ (T₁- T₂)
5. 냉매 순환량 (G : ㎏ / h)
   냉동장치에서 1시간 동안 증발기에서 증발하는 냉매의 양
      G = Q₂/ q₂= (V(a) * η(v)) / v
6. 냉동능력 (Q₂: ㎉ / h)
   냉동장치에서 냉매가 증발기에서 흡수하는 열량
      Q₂= G * q₂= {(V(a) * η(v)) / v} * q₂
      RT = Q₂/ 3,320 = {V(a) * q₂* η(v)} / (3,320 * v)

Ⅵ. 각 냉매의 기준 냉동사이클에서의 계산

1. NH₃기준 냉동사이클

<NH₃기준 냉동사이클>

   ① 응축압력 :                         P₁= 11.895 [㎏ / ㎠ · a]
   ② 증발압력 :                         P₂= 2.4100 [㎏ / ㎠ · a]
   ③ 압축비    :                         P(r) = P₁/ P₂= 11.895 / 2.4100 = 4.94
   ④ 토출가스 온도 :                  98 [℃]
   ⑤ 압축기 흡입가스 비체적 :     v(a) = 0.5087 [㎥ / ㎏]
   ⑥ 냉동효과 :                         q₂= i(a) - i(e) = 397.12 - 128.09 = 269.03 [㎉ / ㎏]
   ⑦ 압축열량 :                         Aw = i(b) - i(a) = 452.1 - 397.12 = 54.98 [㎉ / ㎏]
   ⑧ 응축열량 :                         q₁= i(b) - i(e) = 452.1 - 128.09 = 324.01 [㎉ / ㎏]
   ⑨ 플래시 가스열량 :               F(g) = i(e) - i(g) = 128.09 - 84 = 44.09 [㎉ / ㎏]
   ⑩ 증발잠열 :                         r = i(a) - i(g) = 397.12 - 84 = 313.12 [㎉ / ㎏]
   ⑪ 방열계수 :                         C = q₁/ q₂= 324.01 / 269.03 = 1.2
   ⑫ 이론적 성적계수 :               ε(0) = q₂/ Aw = 269.03 / 54.98 = 4.89
   ⑬ 건조도 :                            x = F(g) / r = 44.09 / 313.12 = 0.14
   ⑭ 1RT당 냉매순환량 :            G = Q₂/ q₂= 3320 / 269.03 = 12.34 [㎏ / h]
   ⑮ 1RT당 응축열량 :               Q₁= G * q₁= 12.34 * 324.01 = 39,983 [㎉ / h]
   ㉠ 1RT당 소요동력 :               KW = (G * Aw) / 860 = (12.34 * 54.98) / 860 = 0.79 [㎾]
   ㉡ 1RT당 소요마력 :               HP = (G * Aw) / 632 = (12.34 * 54.98) / 632 = 1.07 [HP]
   ㉢ 1RT당 압축기 흡입가스량 :  V = G * v = 12.34 * 0.5087 = 6.28 [㎥ / h]

2. R-22 기준 냉동사이클

<R-22 기준 냉동사이클>

   ① 응축압력 :                         P₁= 12.25 [㎏ / ㎠ · a]
   ② 증발압력 :                         P₂= 3.030 [㎏ / ㎠ · a]
   ③ 압축비    :                         P(r) = P₁/ P₂= 12.45 / 3.030 = 4.04
   ④ 토출가스 온도 :                  55 [℃]
   ⑤ 압축기 흡입가스 비체적 :     v(a) = 0.0778 [㎥ / ㎏]
   ⑥ 냉동효과 :                         q₂= i(a) - i(e) = 147.91 - 107.7 = 40.21 [㎉ / ㎏]
   ⑦ 압축열량 :                         Aw = i(b) - i(a) = 156 - 147.91 = 8.09 [㎉ / ㎏]
   ⑧ 응축열량 :                         q₁= i(b) - i(e) = 156 - 107.7 = 48.3 [㎉ / ㎏]
   ⑨ 플래시 가스열량 :               F(g) = i(e) - i(g) = 107.7 - 95.9 = 11.8 [㎉ / ㎏]
   ⑩ 증발잠열 :                         r = i(a) - i(g) = 147.91 - 95.9 = 52.01 [㎉ / ㎏]
   ⑪ 방열계수 :                         C = q₁/ q₂= 48.3 / 40.21 = 1.2
   ⑫ 이론적 성적계수 :               ε(0) = q₂/ Aw = 40.21 / 8.09 = 4.97
   ⑬ 건조도 :                            x = F(g) / r = 11.8 / 52.01 = 0.22
   ⑭ 1RT당 냉매순환량 :            G = Q₂/ q₂= 3320 / 40.21 = 82.57 [㎏ / h]
   ⑮ 1RT당 응축열량 :               Q₁= G * q₁= 82.57 * 48.3 = 3,988.13 [㎉ / h]
   ㉠ 1RT당 소요동력 :               KW = (G * Aw) / 860 = (82.57 * 8.09) / 860 = 0.78 [㎾]
   ㉡ 1RT당 소요마력 :               HP = (G * Aw) / 632 = (82.57 * 8.09) / 632 = 1.06 [HP]
   ㉢ 1RT당 압축기 흡입가스량 :  V = G * v = 82.57 * 0.0778 = 6.42 [㎥ / h]

Ⅶ. 냉동사이클의 변화에 따른 영향

1. 흡입가스의 상태변화에 따른 압축
(1) 건조압축 (A → B → C → D)

<흡입가스 상태에 따른 압축>

     ① 증발기 출구에서 냉매액의 증발이 완료되어 건조포화증기 상태로서 압축기에 흡입되어 압축된다.
     ② 이론적인 압축의 형태로서 이론적인 계산시 적용한다.
(2) 과열압축 (A" → B" → C → D)
     ① 냉동부하 증가 및 냉매량 공급이 감소하여 증발기 출구에 이르기 전에 냉매액의 증발이 완료된 이후에도 계속 열을 흡수하여 압력의 변화없이 온도만이 상승한 과열증기의 상태로서 압축기에 흡입되어 압축된다.
     ② 냉동효과는 증가하나 토출가스온도가 상승하고 압축기가 과열된다.
     ③ 비열비가 적은 프레온 냉동장치에는 열교환기를 사용하여 냉동능력을 향상시킨다.
(3) 습압축
     ① 냉동부하 감소 및 냉매량의 공급이 증가하여 증발기 축ㄹ구에서도 냉매액이 전부 증발하지 못하고, 액이 포함되어 압축기로 흡입되어 압축된다.
     ② 냉동효과는 감소하고, 액에 의해 흡입관에 적상이 생기고 심하면 액압축이 일어나 압축기가 파손될 수 있다.
     ③ 비열비가 큰 암모니아 냉동장치에 적용하여 냉매가스의 과열을 방지하여 토출가스온도상승을 방지할 수 있다.

2. 증발온도(증발압력, 저압)의 변화

<증발온도의 변화>

3. 응축온도(응축압력, 고압)의 변화

<응축온도의 변화>

4. 과냉각도의 변화

<과냉각도의 변화>

Ⅷ. 냉동능력 및 제빙능력

1. 냉동능력
   증발기 내를 흐르는 냉매가 피냉각물체로 부터 단위시간에 흡수하는 열량(㎉ / h)으로 냉동통(RT : Refrigeration Ton)을 주로 사용한다.
(1) 1 RT (1 한국 냉동톤)
     0 ℃의 물 1ton을 24시간 동안에 0 ℃의 얼음으로 만드는데 제거해야 할 열량
        Q = G * r = 1,000 * 79.68 = 79,680 [㎉ / day] = 3,320 [㎉ / h]
        1 RT = 3,320 [㎉ / h]
(2) 1 USRT (1 미국 냉동톤)
     32 ℉의 물 2,000 lb를 24시간 동안에 32 ℉의 얼음으로 만드는데 제거해야 할 열량
        1 USRT = 3,024 [㎉ / h]

2. 제빙능력
   하루의 얼음 생산 능력을 ton으로 나타낸 것으로 25 ℃의 원수 1ton을 24시간 동안에 -9 ℃의 얼음으로 만드는데 제거해야 할 열량(단, 제빙과정 중의 외부열손실은 제거열량의 20%로 함)을 냉동능력과 비교해서 나타낸 것으로 제빙장치의 능력을 말한다.

                  ①           ②               ③
      25 ℃ 물 → 0 ℃ 물 → 0 ℃ 얼음 → -9 ℃ 얼음
   ① Q₁= G * C * Δt = 1,000 * 1 * (25 - 0) = 25,000 [㎉ / day]
   ② Q₂= G * r  = 1,000 * 79.68 = 79,680 [㎉ / day]
   ③ Q₃= G * C * Δt = 1,000 * 0.5 * (0 - (-9)) = 4,500 [㎉ / day]
       그러므로, 제거 열량에 열손실(20%) 및 시간을 고려하면
             Q(T) = (25,000 + 79,680 + 4,500) * 1.2 / 24 = 5,459 [㎉ / h]
       제빙능력을 냉동톤으로 환산하면
             3,320 [㎉ / h] = 1 [RT]이므로 5,459 [㎉ / h] = 1.65 [RT]
       즉, 물 1ton을 제빙하려면 1.65 RT의 제빙능력을 갖는 냉동기를 사용해야 한다.
             1제빙톤 = 1.65 [RT]

출처:제 1 편 냉동기계 (冷凍機械, Refrigerator)