개념 한 쪽
공조냉동기계기사 역 카르노 및 실제 사이클 — COP·흡수식·습압축·이원 사이클
이 세트는 냉동 사이클의 성능을 재는 성능계수와 실제 운전에서 성능을 떨어뜨리는 조건을 다룬다. 카르노 냉동 사이클의 성능계수 계산, 흡수식 냉동기, 습압축, 엔탈피로 구하는 냉동효과, 이원 냉동 사이클, 증발온도 변화의 영향이 중심이다.
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뜻
역 카르노 사이클의 성능계수는 저온부 절대온도를 고온부와 저온부의 온도차로 나눈 값이다. 응축기 50℃, 증발기 -20℃이면 323.15K와 253.15K로 바꾸어 253.15÷70을 계산해 약 3.61이 된다. 섭씨 온도를 그대로 넣으면 값이 어긋나므로 반드시 켈빈으로 환산한다.
성능계수를 높이는 방향도 같은 식에서 나온다. 증발기 온도를 높이거나 응축기 온도를 낮추면 온도차가 줄어 성능계수가 올라가고, 마찰 손실을 줄여도 좋아진다. 반대로 증발기 온도를 낮추면 성능계수는 내려간다.
실제 냉동기에서는 응축기 방열량과 압축 일로 냉동능력을 구분해야 한다. 소비전력 2kW, 응축기 방열량 5kW이면 흡열량은 5-2=3kW이고, 성능계수는 3÷2=1.5다. 방열량을 그대로 흡열량으로 쓰면 틀린다.
엔탈피로 계산할 때는 냉동효과와 압축 일을 각각의 엔탈피 차이로 잡는다. 증발기 입구 106kcal/kg, 출구 451kcal/kg이면 냉동효과는 451-106=345kcal/kg이다. 압축기 출구 471kcal/kg과 증발기 출구 451kcal/kg의 차이 20kcal/kg이 압축 일이며, 성능계수는 345÷20으로 약 17.2다.
흡수식 냉동기는 기계적 압축기를 쓰지 않는다. 대신 흡수기와 재생기로 냉매를 순환시키고, 열에너지를 동력원으로 삼는다. 흡수제로는 리튬브로마이드(LiBr)를 쓰며, 진공에서 냉매가 증발하는 성질과 기화열을 이용한다. 흡수식의 구성에 압축기를 넣으면 틀린 설명이 된다.
습압축은 액체 냉매가 함께 압축되는 상태다. 액체는 압축되지 않으므로 체적 효율이 떨어지고, 냉동능력과 성능계수도 줄어든다. 다만 응축잠열은 냉매가 지닌 물성이라 사이클 조건 때문에 줄어들지 않는다.
증발온도가 낮아지면 흡입가스의 비체적이 커져 같은 체적당 냉동효과가 줄고, 압축비가 커져 토출온도가 오르며 성능계수는 내려간다.
이원 냉동 사이클은 저온측 사이클의 응축기가 내놓은 열을 고온측 사이클의 증발기가 받아 가는 구조다. 저온측에는 임계점이 낮은 냉매를, 고온측에는 임계점이 높은 냉매를 쓴다. 열의 흐름 방향을 거꾸로 설명하면 틀린다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 성능계수 — TL÷(TH-TL)에 켈빈 값을 넣으며, 50℃와 -20℃이면 약 3.61이다. ② 에너지 수지 — QL=QH-W이므로 방열 5kW·소비 2kW이면 COP는 1.5다. ③ 실제 사이클 — 흡수식에는 압축기가 없고, 습압축은 체적효율·냉동능력·COP를 떨어뜨리며 잠열은 변하지 않는다. ④ 이원 사이클 — 저온측 응축열을 고온측 증발기가 흡수한다.
자주 묻는 물음
- 카르노 냉동 사이클의 성능계수는 어떻게 계산하나요?
- 저온부 절대온도를 고온부와 저온부의 온도차로 나눈다. 응축기 50℃, 증발기 -20℃이면 323.15K와 253.15K로 바꾸어 253.15÷70≈3.61이 된다. 섭씨 값을 그대로 쓰면 안 된다.
- 흡수식 냉동기는 증기압축식과 무엇이 다른가요?
- 흡수식은 기계적 압축기가 없고 흡수기와 재생기로 냉매를 순환시키며 열에너지를 동력원으로 쓴다. 흡수제로 리튬브로마이드를 쓰고, 진공에서의 증발과 기화열을 이용한다.
- 습압축과 증발온도 하강은 사이클에 어떤 영향을 주나요?
- 습압축은 액체가 함께 압축되어 체적 효율, 냉동능력, 성능계수가 모두 떨어지지만 응축잠열은 변하지 않는다. 증발온도가 낮아지면 비체적이 커지고 압축비가 커져 토출온도는 오르고 성능계수는 내려간다.
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