개념 한 쪽
냉동사이클 세트는 COP 계산이 축이다. 이상(역카르노) 냉동사이클은 COP=TL/(TH−TL)로 절대온도로 계산하고, 증기압축 사이클은 엔탈피로 COP=(h1−h4)/(h2−h1)를 구한다. 구성품은 압축기·응축기·팽창밸브·증발기 넷뿐이고 팽창은 등엔탈피 과정이라는 정의도 정형 문항이다.
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출제기준 단원 「냉동사이클」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 증기소비율 계산 | 1 | 출력과 효율로 구한 증기기관 소비율 |
| 냉동 동력 계산 | 1 | 카르노 성능계수로 필요 동력 구하기 |
| 열효율 계산 | 1 | 두 열원 온도로 최대 이론 효율 |
구성과 과정부터 잡는다. 증기압축 냉동사이클은 압축기·응축기·팽창밸브·증발기로 구성되며 터빈은 없다. 각 부의 상태 변화는 열 방향으로 정리된다 — 증발기에서 냉매는 저온·저압에서 열을 흡수해 증발하며 엔탈피가 증가하고(압력은 일정, 엔트로피·비체적도 증가), 응축기에서 열을 방출해 엔탈피가 감소하며 엔트로피도 감소한다. 팽창밸브는 등엔탈피(엔탈피 일정)·엔트로피 증가 과정이고, 냉동사이클의 COP는 냉동량/소모동력이므로 1보다 클 수 있다.
COP 계산은 두 꼴로 나뉜다. 온도만 주어지면 이상 사이클 공식 COP=TL/(TH−TL)에 절대온도를 넣는다 — 응축기 40 ℃·증발기 −10 ℃면 263/(313−263)=5.26, 증발기가 −20 ℃면 253/(313−253)≈4.22로, 응축온도가 일정할 때 증발온도가 낮아질수록 COP는 감소한다. 엔탈피가 주어지면 COP=(h1−h4)/(h2−h1) — 압축기 입구 387.2·응축기 입구 435.1·증발기 입구 241.8 kJ/kg이면 (387.2−241.8)/(435.1−387.2)=145.4/47.9≈3.0이고, 증발기 출구 229·팽창밸브 출구 81·응축기 입구 255 kJ/kg(R-12)이면 (229−81)/(255−229)=148/26≈5.7이다. 분자는 얼리는 열(냉동효과), 분모는 압축 일이다.
출제 패턴은 세 가지다. ① 공식 선택 — 온도만 있으면 TL/(TH−TL), 엔탈피가 있으면 (h1−h4)/(h2−h1). ② 정의 — 팽창=등엔탈피, 터빈은 구성품 아님, COP>1 가능, 엔트로피 감소 구간=응축기. ③ 함정 — 섭씨 온도를 그대로 넣은 값, 분자·분모를 바꿔 쓴 값, 「팽창 과정은 등엔트로피」라 적은 선지가 단골 오답이다.
이상적 냉동사이클에서 응축기 온도가 40℃, 증발기 온도가 -10℃이면 성적계수는 얼마인가?
정답 ① · 이상적 냉동사이클(카르노 냉동사이클)의 성적계수(COP)는 저열원 온도(증발기 온도, TL)를 고열원 온도(응축기 온도, TH)와 저열원 온도의 차이로 나누어 계산합니다. 먼저 온도를 절대 온도(K)로 변환하면 TL = -10 + 273.15 = 263.15K, TH = 40 + 273.15 = 313.15K입니다.
이상 냉동사이클의 COP는 저온측 절대온도를 고온측과 저온측 온도차로 나눈 값이다.
냉애 R-134a를 사용하는 증기-압축 냉동사이클에서 냉애의 엔트로피가 감소하는 구간은 어디인가?
정답 ④ · 증기-압축 냉동사이클에서 냉매의 엔트로피가 감소하는 구간을 찾는 문제이다. 엔트로피 변화는 dS = dQ/T로 주어지므로 열을 방출하는 과정에서 엔트로피가 감소한다.
냉매의 엔트로피는 열을 방출하는 응축 과정에서 감소한다.
다음 중 증기압축 냉동사이클의 구성품이 아닌 것은?
정답 ④ · 증기압축 냉동사이클의 기본 구성 요소가 아닌 것을 고르는 문제이다. 증기압축 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기의 네 가지 주요 구성품으로 이루어진다.
증기압축 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 터빈은 포함되지 않는다.
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