|
구성기기 | 역할 | 상태변화 | 온도 | 압력 | 엔탈피 | 엔트로피 |
압축기 | 압력증대 장치 | 단열 | 상승 | 상승 | 증가 | 일정 |
응축기 | 열제거 장치 | 등온 | 일정 | 일정 | 저하 | 감소 |
팽창밸브 | 압력감소 및 유량조절 | 단열 | 저하 | 저하 | 불변 | 상승(小) |
증발기 | 열흡수장치 | 등온 | 일정 | 일정 | 상승 | 증가 |
냉동능력
(1)냉동효과,냉동력,냉동량(qe : ㎉/㎏)
액화냉매 1㎏이 증발기에 들어가서 흡수하여 나오는 열량
qe = ia - ie
(2)체적냉동효과(qu : ㎉/㎥)
압축기 입구에서의 증기 1㎥의 흡열량
(3)냉동능력(Qe : ㎉/h)
증발기에서 시간당 제거할 수 있는 열량
Qe = qe × G = (ia - ie)G G : 시간당 냉매순환량(㎏/h)
(4)냉동톤
①1RT : 0℃의 순수한 물 1ton을 24시간 동안에 0℃의 얼음으로 만드는데 필요한 냉동능력
1RT | = | 79.68×1000 | = | 3320㎉/h |
24 |
1USRT | = | 144×2000 | = | 12000BTU/h | = | 3024㎉/h |
24 |
②1USRT : 32°F의 순수한 물 1ton을 24시간 동안에 212°F의 얼음으로 만드는데 필요한 열량
(5)제빙톤
1일의 얼음 생산능력을 1ton으로 나타낸 것으로, 25℃의 원수 1ton을 24시간 동안에 -9℃의 얼음으로 만드는데 제거할 열량을
냉동능력으로 나타낸 것이다.
1제빙톤 | = | 1000×(25+79.68+0.5×9)×1.2 | = | 1.65RT |
24×3320 |
(외부열손실 20%)
(6)기준(표준)냉동 사이클
①증발온도 -15℃
②응축온도 30℃
③압축기 흡입가스 상태 : 건조포화증기
④팽창밸브 직전온도 : 25℃(과냉각도 5℃)
일반증기의 성질
▷비등점→액체의 증기압이 액체 상부의 압력(대기중에서는 대기압)과 같아질 때의 온도를비등점(b.p)
(1)과열에 의한 상태변화
①과냉액→열을 가하면 온도가 상승하는 과정중의 액
②포화액→열을 가하면 온도상승 없이 증발하기 시작하는 액.
이점을 포화점, 온도를 포화온도, 이때의 압력을 포화압력, 포화압력이 상승하면 포화온도상승
③습포화증기→포화액이 증발하여 완전히 증기가 되기까지의 과정으로 액과 증기가 공존하는 상태
④건조포화증기→포화액이 완전히 증발이 종료되었을 때의 상태로서 열을 제거하면 다시액 으로 변하기 시작한다.
⑤과열증기→건조포화증기가 열을 받아 과열된 상태의 증기
⑥건조도→습포화 증기중의 증기의 비율로서, 포화액은 x=0, 건조포화증기는 x=1로 표시한다.
⑦과열도→과열증기온도 - 포화온도
⑧과냉각도→포화온도 - 과냉액온도 (응축온도 - 팽창밸브직전온도)
▷ 임계점(K)
기체의 온도를 어느 일정온도 이하로 낮추어 압력을 가하면 액체로 된다. 그러나 어느 일정온도 이상에서는 아무리 압력을
높여도 그 기체는 액화되지 않는데 이러한 온도를 임계온도, 이때의 압력을 임계압력이라 한다.
(2)성적계수 COP
ε= | Q2 | = | Q2+AW | =1+ | Q2 |
AW | AW | AW |
P-i선도
(1)기능 → 냉동 장치를 순환하는 냉매 1㎏의 각종 작업과정과 상태치를 나타낸다.
(2)구성 → 6대 구성요소로 되어 있다.
①등압선(P : ㎏/㎠ abs)
한 선상의 압력은 과냉, 습증기, 과열증기 구역이 모두 동일하다.
②등엔탈피선(i : ㎉/㎏)
․0℃포화액의 엔탈피는 100㎉/㎏
․0℃건조공기의 엔탈피를 0으로 한다.
․냉동효과(qe) 응축방열량(qc) 소요동력(AW)의 계산이 가능
③등온선(t : ℃)
․과냉액 구역에서는 등엔탈피선과 직교
․습증기 구역에서는 등압선과 평행
․과열증기 구역에서는 급경사로 내려온다.
․증발온도, 응축온도, 흡입가스온도, 토출가스온도를 알수 있다.
④등엔트로피선(S : ㎉/㎏°K)
․습증기, 과열증기 구역만 존재
․압축과정은 이론상 단열압축으로 간주하므로 등엔트로피선을 따라 진행
․0℃포화액의 엔트로피를 1로한다.
⑤등비체전선( : ㎥/㎏)
․습증기, 과열증기 구역에만 존재한다.
․흡입증기의 비체적을 알 수 있다.
⑥등건조도선(x)
․습증기 구역에만 존재한다.
․flash gas의 양을 알 수 있다.
x=0 : 100%액 x=1 : 100%가스 x=0.14 : 액 86% 가스 14%
압축냉동사이클
(3) 냉동 사이클과 몰리엘선도
․과냉각도가 크면 클수록 팽창밸브 통과시 flash gas 발생량이 감소하므로 냉동능력이 증대된다
․과냉각과정 → 과냉각도 = 응축온도(tf) - 팽창밸브 직전액온도(te)
압축냉동 사이클의 각종계산
①냉동효과(qe : ㎉/㎏)
qe = ia - ie
②압축일의 열당량(AW : ㎉/㎏)
AW = ib - ia
③응축기 방열량(qc : ㎉/㎏)
qc = qc + AW
④성적계수(COP :ε)
COP=qe/AW
⑤압축비
CR=Pc/Pe
⑥냉매순환량(G:㎏/h)
압축기 피스톤 압출량
(1)이론적인 피스톤 압출량(Va:㎥/h)
D : 실린더직경 L : 실린더 행정
(2)실제적인 피스톤 압출량 (Vg : ㎥/h)
Vg=Va×ην
냉매
▷냉매의 구비조건
(1)물리적 조건
①저온에서도 높은 포화압력 ②임계온도가 높을 것 (상온이상)
③응고온도가 낮을 것 ④증발잠열이 크고 액체비열이 작을 것
⑤윤활유 수분등과 작용하여 냉동작용에 영향을 미치는 일이 없을 것
⑥전열양호 ⑦점도와 표면장력이 작을 것
⑧비열비가 작을 것 ⑨전기적 절연내력이 작을 것
⑩터보냉동기용 냉매는 가스 비중이 클 것
(2)화학적
(3)생물학적
(4)경제적
냉매의 특성
▷NH3(R-717)
①폭발범위 13~27% 허용농도25ppm
②임계온도 133℃ 임계압력 116.5㎏/㎠abs
비등점 -33.3℃ 응고점 -77.7℃
③배관재료는 강관 (SPPS)
*수분 오일과의 관계
(가)물과 NH3는 대단히 잘 용해된다. (약 900배 용적)
(나)냉동장치에 수분이 1%혼입하게 되면 증발온도는 0.5℃씩 상승
(다)수분혼입시 유탁액현상 장치내로 넘어가 유막을 형성 전열불량 초래
(라)윤활유와는 잘 용해하지 않는다.
♣비교
①전열효과 NH3 > H2O > Freon > 공기
②물과 용해도 NH3 > R-22 > R-12
③오일과의 용해도 R-12 > R-22 > NH3
④액 비중 Freon > 물 > 오일 > 암모니아
▷Freon
(가)물리적인 성질
①윤활유와 잘 용해한다.
②물과는 잘 용해하지 않는다.
③Copper Plating(동부착, 동도금 현상)
가. 수분이 많고 온도가 높을수록
나. 수소분자가 많은 냉매일수록
다. 오일중에 왁스 성분이 많을수록 특히, 압축기의 실린더 부분 메탈부분, 밸브판 등 활동 부분에 생긴다.
(나)화학적인 성질
①800℃의 고온시 포스겐발생 (COCl2)
②마그네슘(Mg)과 Mg을 2%이상 함유하는 알루미늄 합금을 부식
현재 널리 사용되는 프레온 냉매
혼합냉매
(1)단순혼합 냉매
: 프레온 냉매는 모두 불포화탄화수소계 냉매이므로 종류가 다른 냉매끼리 서로 섞어서 쓸수 있다. 즉, 서로의 단점을 보완하고
장점을 활용하기 위해 서로 다른 두가지 냉매를 섞어서 사용하여도, 액체상태나 기체상태에서나 각각의 특성을 나타낸다.
(2)공비혼합 냉매
종류 | 조합 | 혼합비(중량비) | 증발온도 |
R-500 | R-152 + R-12 | 26.2% + 73.8% | b.p -33.3℃ |
R-501 | R-152 + R-12 | 25% + 75% | b.p -41℃ |
R-502 | R-152 + R-12 | 51.2% + 48.8% | b.p -46℃ |
R-503 | R-152 + R-12 | 40.1% + 59.9% | b.p -89.1℃ |
냉매 누설 검사
(1)NH3
①냄새
②붉은 리트머스종이⇒청색
③유황초나 유황걸레에 불을 붙여 누설개소에 대면 흰연기가 발생한다.
④페놀프탈레인 시험지를 물에 적시면⇒홍색
⑤브라인 또는 물에 누설시 네슬러시약을 브라인에 떨어뜨리면 소량 황색, 다량 자색
⑥염산을 탈지면에 적셔 누설개소에 대면 흰연기가 발생
(2)Freon
①비눗물
②헤라이드 토치 <불꽃반응> 정상:청색, 소량:녹색, 다량:자색, 과량:꺼짐
Brine(간접냉매, 2차냉매)
(1)브라인의 구비조건
①비열이 클 것 ②열전도율이 클 것 ③점도가 작을 것 ④ 응고점이 낮을 것 ⑤불연성이며 독성이 없을 것
(2)브라인의 종류
①무기질 브라인 부식 → CaCl2 < MgCl2 < NaCl
공정점→ -55 ℃ -33.6℃ -21℃
②유기질 브라인:부식성이 거의 없어 거의 모든 금속에 안심하고 사용이 가능
가. 에틸렌글리콜 나. 프로필렌글리콜 다. 에틸알콜
(3)브라인의 부식방지처리
①공기와 접촉하지 않은 순환방식을 채택 ②브라인의 PH7.5~8.2
③방청제를 첨가
(가)CaCl2 : 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 1.6g첨가 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g첨가
(나)NaCl : 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 3.2g첨가 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g첨가
압축기(Compressor)
가. 회전식 압축기
나. 나사식 압축기 (스크류압축기)
(1)장점
①체적효율이크다. ②소형으로 대용량의 가스를 처리할 수 있다.
③10~100%의 무단계 용량제어가 연속적으로 행해진다.
(2)단점
①윤활유 소비가 많다. ②동력이 많이 소요된다. ③운전 유지비가 비싸다.
다.원심식 압축기 (Turbo 압축기)
가. 장점
①100RT정도 이상에서는 왕복동식에 비해 같은 냉동능력일 때 설치면적이 적어진다
②10~100%까지의 무단계 용량제어가 가능하다
나. 단점
①소용량은 제작이 곤란하고 100RT 이하에서는 가격이 비싸진다.
용량제어
가. 용량제어의 목적
①부하변동에 대응한 용량제어로 경제적인 운전
②경부하 가동으로 가동이 용이하다.
③고내온도를 일정하게 유지할 수 있다.
④압축기를 보호하여 수명을 연장
나. 용량제어 방법
①왕복동 압축기의 용량제어
ⓐ회전수가감법
ⓑ클리어런스 증대법
ⓒ바이패스법
ⓓ일부 실린더를 놀리는 법(언로드방식)
②원심 압축기Turbo의 용량제어
ⓐ회전수 가감법
ⓑ흡입 가이드 베인 조절법
ⓒ바이패스 법
ⓓ흡입 댐퍼 조절법
ⓔ냉각수량 조절법
윤활
가. 윤활의 목적
나. 강제 급유식
ⓐ압축기 종류에 따른 정상유압
. 입형저속 = 정상저압 + 0.5 ~ 1.5㎏/㎠
. 고속다기통 = 정상저압 + 1.5 ~ 3㎏/㎠
. 터보 =정상저압 + 6㎏/㎠
ⓑ유압계 지시압력 = 정상저압 + 유압
ⓒ비말급유식 + 강제급유식
ⓓ강제급유식 + 유보조펌프식
♣Crank Case내의 유온
①NH3(40℃ 이하) : NH3는 토출가스 온도가 높으므로 실린더가 과열되고 윤활유가 열화찬화할 우려가 있으므로 오일쿨러를 설치,
유온을40℃ 이하로 억제
②Freon(30℃ 이상)Freon은 유온이 낮을 경우 오일 포밍의 우려가 있으므로 저온용이나 터보냉동기에서는 CCH를 설치하여30℃
이상을 유지한다.
다. 윤활유(냉동기유)
①냉동기유의 구비조건
ⓐ응고점과 유동점이 낮을 것
ⓑ인화점이 높을 것
ⓒ점도가 적당할 것
ⓓ항 유화성이 있을 것
ⓔ산에 대해 안정성이 좋을 것
ⓕ왁스성분이 적을 것
ⓖ냉매와의 분리성이 좋고 화학반응을 일으키지 않을 것
ⓗ수분 및 산류등의 불순물이 함유되어 있지 않을것
ⓘ전기절연 내력이 클 것
ⓙ유막의 강도가 커 마찰부에서 유막이 쉽게 파괴되지 않을 것
응축기(Condenser)의 종류
가. 수냉식
①입형 셸 & 튜브식 ②횡형 셜 & 튜브식
③2중관식 ④7통로식
⑤셸 & 코일식 ⑥대기식
⑦증발식
나. 공냉식
①자연 대류형 응축기
②강제 대류형 응축기
다. 냉각탑 (Cooling Tower)
①냉각톤 : 냉각탑의 냉각능력을 3900㎉/h를 1냉각톤
②쿨링레인지 (Cooling Range)
: 냉각탑 입구수온 - 냉각탑 출구수온
③쿨링 어프로치 (Cooling Approach)
: 냉각탑 출구수온 - 입구공기의습구온도
♣쿨링 레인지가 클수록, 쿨링 어프로치가 작을수록 성능이 좋은 냉각탑이다.
증발기(Evaporator)
가. 증발기의 종류 및 특성
①증발기 내부의 냉매 상태에 따른 분류
ⓐ건식 증발기 : 냉매액25% 가스75% (위에서 아래로 공급)
ⓑ반만액식 증발기 : 액50% 가스50% (아래에서 위로공급)
ⓒ만액식 증발기 : 액75% 가스 25%(아래에서 위로 공급)
ⓓ액순환식 증발기(액펌프식)
⇒ 강제순환식 이므로 증발기내에 오일이 고일 염려가 없다. 소용량에서는 경제적으로 효율이 나빠 채택하지 않는다.
②용도에 의한 분류
ⓐ액체 냉각용
㉠만액식 셸 엔드 튜브식 증발기 ㉡건식 셸 엔드 튜브식 증발기
㉢셸엔드 코일형 증발기 ㉣보데로형 증발기
ⓑ공기 냉각용
㉠나관 코일식 ㉡판형
㉢캐스케이드형 ㉣멀티피드 멀티석션형
제상(Defrost)
가. 적상의 영향
①증발압력 저하 ②냉동능력 감소 ③압축비 감소
④고내온도 상승 ⑤RT당 소요동력 증가 ⑥리퀴드백의 우려
나. 제상 방법
①압축기 정지제상 : 1일 6~8시간 정도 냉동기를 정지시키는 제상
②온수브라인 제상 : 순환중인 차가운 브라인을 주기적으로 따뜻한브라인으로 바꾸어 순환시켜 제상
③브라인 분무 제상 : 냉각관 표면에 부동액 또는 브라인을 살포한다.
④살수식 제상 : 10~25℃의 물을 살포하는 방법 고압가스 제상과 병행 한다.
⑤고압가스 제상 : 압축기에서 토출된 고온의 냉매증기를 증발기에 유입시켜 응축열에 의해 제상한다. 제상 시간이 짧고 용이하게
설비할 수 있어 일반적으로 가장 많이 채택하는 방법이다.
팽창밸브 (Expansion Valve)
가. 부동식 팽창밸브 (MEV)
나. 정압식 자동팽창 밸브 (AEV)
다. 온도식 자동팽창 밸브 (TEV)
①1/2~50HP까지의 프레온, 냉동 공조용이다.
②부하변동에 따른 신속한 유량제어가 가능하다.
♣작동법
부하증가시 → 증발기 출구 냉매가스 온도상승(과열도 상승) → 감온통 포화압력 상승 → 밸브가 크게 열린다.
→ 유량이 많아진다. → 과열도 상승을 방지한다.
♤감온통
①가스 충전식 → 장치사용 냉매와 감온통 충전 냉매가 같다.
②액 충전식 → 장치사용 냉매와 감온통 충전 냉매가 같다.
③크로스 충전식 → 장치사용 냉매와 감온통 충전 냉매가 다르다.
♠감온통 설치 위치
①증발기 출구 흡입관 수평부에 설치
②흡입관지름이 20㎜ 이하일 때는 상부에 설치하고, 20㎜이상일 때는 수평에서 45도 아래에 설치한다.
③Trap부위에는 설치할 수 없다.
나.모세관
①0.8~2㎜의 동관으로서 1HP이하의 소형용이다.
②과부하가 없고, 기동시 경부하 기동이 된다.
③고압측에 수액기를 설치할 수 없다. (Liquid back의 우려가 있다.
④수냉식 응축기를 사용할 경우에는 모세관을 쓸 수 없다.
부속기기
가. 수액기
①용량 : NH3용 - 계통내 냉매량의 50%
Freon - 계통내 냉매량의 100%
②직경이 다른 2개의 수액기를 설치할 때는 상단을 일치 시킨다.
③내용적의 90%이상 충전금지
④NH3용 - 안전밸브, Freon용 -가용전설치
나. 유분리기
①설치위치 |
NH3용(점도가 커지므로) ↓ |
응축기 |
압축기 ↑ |
Freon용(온도가 높을수록 잘 분리된다.) |
②설치 경우
ⓐNH3용 - 필수
ⓑFreon용 - ㉮저온장치 .만액식 증발기 사용시 ㉯토출가스 배관이 길어질 때
㉰토출가스에 다량의 오일이 섞여 나간다고 생각될 경우
다. 액분리기
①역할
ⓐ리퀴드백방지 ⓑ압축기 보호 ⓒ기동시 증발기내 액 교란방지
②설치위치
ⓐ증발기와 압축기 사이의 흡입배관 ⓑ증발기보다 높은 위치에 설치한다.
ⓒ증발기 내용적의 20~25% 정도의 용적을 가질 것
라. 열교환기
①기능 ~ 고압액 냉매를 과냉시켜 냉동효과를 증대시키고 흡입가스를 과열시켜 리 퀴드백을 방지한다.
다. 액관 부속품
①냉매건조기
건조제 : 실리카겔, 알루미나겔, S/V소바비드, 몰리쿨러시브
②여과망
ⓐ액관여과기 : 80~100#(MESH)
ⓑ흡입관여과기 : 40#
③투시경
ⓐSiht glass : 냉매량 확인(기포가 없거나 움직이지 않거나, 간헐적일 때는 냉매량이 정상이 다.)
ⓑdry eye : 수분확인 (녹색 : 건조, 황록 : 요주의 , 황 : 다량)
저온장치
가. 2단 압축
①채용
압축비 6이상 : NH3용 -35℃이하 freon용 -50℃이하
②중간 냉각기
ⓐ역할
.저단 압축기 토출가스의 과열제거
.고압액 냉매를 과냉각하여 냉동효과를 증대시킨다.
.액분리기의 역할(고단측 흡입가스의 액백을 방지한다.)
나.2원 냉동 사이클
①채용 → 초저온 (-70℃이하)
②냉매
ⓐ저온측 : R-13, R-14, 에틸렌, 메탄, 프로판 등 비등점이 낮은 냉매
ⓑ고온측 : R-12, R-22 등 비등점이 높고 응축압력이 낮은 냉매
③캐스케이드 콘덴서
: 저온측 응축기와 고온측 증발기를 결합한 것
④팽창 탱크
: 냉동기 정지시 저온냉매의 팽창으로 인한 장치파열을 방지한다
.⑤특징
ⓐ저온, 고온측의 냉매가 다르다.
ⓑ저온, 취성에 강한 재료를 사용해야 한다.
ⓒ사용 윤활유를 저온용으로 한다.
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