냉동의 원리

[배움이]

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.

1. 냉동의 방법

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.

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.

2. 냉동기의 원리

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.

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.

3. 냉동기의 성적계수 및 냉동능력

(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)

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 Aw와의 비를 말한다.
   

	q₂		h₂- h₁		h₂- h₄
ε=		=		=
	Aw		h₃- h₂		h₃- h₂

4. 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.

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

5. 냉동 사이클에 의한 냉동능력

5. 냉동 사이클에 의한 냉동능력

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

5. 냉동 사이클에 의한 냉동능력

공 식

계 산 응 용

냉매순환량

	V
G =		× ηv
	v₁

G : 냉매순환량 kg/h
V : 피스톤 압출량 ㎥/h
v₁: 압축기 흡입증기 비체적 ㎥/kg
ηv : 체적효율

	V
G =		× ηv
	v₁

순환증기냉매의 체적

	Q
Vg = V × G =		V
	q

Vg : 순환증기 냉매의 체적(㎥/h)
V : 흡입증기 냉매의 비체적(㎥ /kg)

이론적인 피스톤 압출량(piston displacement)
① 왕복동 압축기의 경우

	π
Va =		D²ㆍLㆍR×60
	4

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

	π
Va =		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

	C
② R =
	V

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

② 실제적인 소요동력

	N
N′=
	ηcㆍηm

N′ : 실제적인 소요동력(HP,kW)
N : 이론적인 소요동력