개념 한 쪽
에너지관리산업기사 냉동능력, 냉동률, 성능계수 — COP와 냉동사이클 핵심관계
냉동기와 열펌프의 성능은 소비한 일에 대한 얻는 열의 비로 나타내는 성능계수(COP)로 표현한다는 점을 중심으로 이해한다. 냉동능력과 냉동률, 냉동사이클의 네 과정 및 팽창 과정의 성격, 그리고 냉매 선택 기준이 서로 연결된 개념임을 정리한다.
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뜻
성능계수(COP)는 '얻는 것 ÷ 소비한 일'로 정의된다는 관점을 갖는다. 냉동기에서는 저온부에서 흡수한 열 QL을 일 W로 나눈 값 COPR = QL/W로 표현한다는 점을 이해한다. 열펌프에서는 고온부로 방출하는 열 QH를 일 W로 나눈 값 COPH = QH/W로 표현한다는 점을 이해한다.
에너지 보존을 적용하면 고온부 방출열 QH는 저온부 흡수열 QL에 소비한 일 W를 더한 값, 즉 QH = QL + W가 된다. 따라서 COPH = QH/W = QL/W + 1 = COPR + 1의 관계가 성립한다는 것을 분명히 한다. 이로써 열펌프의 성능계수는 같은 기계로써 냉동기 성능계수보다 항상 1만큼 큰 값이 나온다는 사실을 도출한다.
냉동사이클은 압축→응축→팽창→증발의 네 과정으로 이루어진다는 점을 기본으로 삼는다. 각 과정의 특성 중 팽창 과정은 팽창밸브의 쓰로틀링에 의해 이루어지는 등엔탈피(등엔탈피) 팽창이라는 점을 명확히 한다. 반대로 압축 과정은 단열 처리로 등엔트로피적 성격을 갖는 과정임을 구분한다.
냉매의 선택 기준은 장치 효율과 안전성 측면에서 여러 조건을 충족해야 한다는 점을 기억한다. 냉매는 적은 순환량으로 많은 열을 옮겨야 하므로 증발잠열이 클수록 유리하다는 점을 강조한다. 그 외에 임계온도가 높을 것, 화학적으로 안정할 것, 증발압력이 대기압보다 높아 공기 유입을 방지할 것 등이 바람직한 조건임을 정리한다.
예제
열펌프와 냉동기의 성능계수 관계를 계산 문제로 풀어본다. 예를 들어 냉동기의 성능계수 COPR이 2라면 열펌프의 성능계수 COPH는 COPR + 1이므로 3이 된다는 계산을 제시한다. 팽창 과정 특성 판단 문제는 팽창이 등엔탈피 팽창이라는 사실을 근거로 등엔트로피 팽창이라 적은 선지는 오답으로 처리한다는 설명을 제시한다.
자주 묻는 물음
- COP는 어떻게 정의되나?
- COP는 얻는 것 ÷ 소비한 일로 정의하며, 냉동기에서는 COPR = QL/W, 열펌프에서는 COPH = QH/W로 나타낸다.
- 냉동기와 열펌프의 COP 관계는 어떤 식으로 표현되나?
- 에너지 보존에 따라 QH = QL + W이므로 COPH = QH/W = QL/W + 1 = COPR + 1, 즉 COPR = COPH − 1의 관계가 성립한다.
- 냉동사이클의 팽창과정은 어떤 성질을 가지나?
- 팽창과정은 팽창밸브의 쓰로틀링에 의한 등엔탈피 팽창이며, 등엔트로피 팽창과는 다르다는 점을 구별한다.
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