개념 한 쪽
에너지관리산업기사 냉매의 구비조건 및 종류 — 증발잠열·임계온도·사이클 특성
냉매는 냉동·공조 시스템에서 열을 이동시키는 매개체이므로 적은 양으로 많은 열을 옮기고 안정적으로 동작해야 한다는 조건을 가진다. 냉동사이클의 각 과정(압축·응축·팽창·증발)의 물리적 성질을 이해하면 냉매 선택과 성능 해석이 쉬워진다.
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뜻
냉매는 증발할 때 주변으로부터 열을 흡수해 저온을 만든다. 이때 증발잠열이 클수록 동일한 냉량을 얻기 위해 필요한 냉매 순환량이 줄어 장치가 작아지고 효율이 좋아진다. 따라서 냉매의 구비조건으로 증발잠열은 '클수록' 유리하다는 점을 기억한다.
냉매는 임계온도가 높을수록 유리한 성질을 보인다. 임계온도가 높으면 실제 운전 온도 범위에서 기액상태를 유지하기 쉬워 시스템 설계 면에서 유리하다. 또한 화학적으로 안정하고 부식성이나 독성이 낮아야 하며, 증발 압력이 대기압보다 높은 편이면 공기 유입을 억제하는 데 도움이 된다.
냉동사이클은 압축→응축→팽창→증발의 네 과정으로 구성된다. 각 과정의 열역학적 성격이 다르므로 과정별 특성을 구분해야 한다. 압축 과정은 단열적으로 다루어져 등엔트로피적 성질을 강조하고, 응축과 증발은 등압 과정으로 외부와 열 교환을 통해 열을 주고받는다. 팽창 과정은 팽창밸브의 스로틀링에 의한 등엔탈피 팽창이 일어나므로 팽창에서 엔탈피 변화가 거의 없음을 이해해야 한다.
냉동기와 열펌프의 성능계수는 서로 단순한 관계를 가진다. 냉동기의 성능계수 COPR은 저온부에서 얻는 냉량을 소비한 일로 나눈 값이고, 열펌프의 성능계수 COPH는 고온부로 방출되는 열을 소비한 일로 나눈 값이다. 에너지 보존으로 인해 COPH = COPR + 1이 성립하므로 열펌프의 성능계수는 같은 기계를 쓸 때 항상 냉동기보다 1만큼 크다는 점을 활용한다.
예제
이상기체 상태방정식을 이용해 고압 가스의 질량을 구하는 대표 문제를 푼다. 주어진 값: 압력 40 atm·abs, 온도 27℃, 부피 600 L, 산소는 이상기체로 가정한다. 절대온도로 변환하면 27℃ + 273 = 300 K이다. 몰수는 n = PV/(RT)를 사용하고 R = 0.082 atm·L/(mol·K)을 쓴다. 따라서 n = (40 × 600) / (0.082 × 300) ≈ 976 mol이다. 산소 한 몰의 질량은 32 g이므로 총질량은 976 × 32 g ≈ 31,200 g = 31.2 kg이다. 단위 일치(압력·부피·R·온도)를 지키는 것이 핵심이다.
자주 묻는 물음
- 냉매의 증발잠열은 왜 큰 것이 좋은가?
- 증발잠열이 크면 단위 질량당 흡수하는 열량이 커지므로 같은 냉량을 얻기 위해 순환해야 하는 냉매량이 줄어 장치가 작아지고 효율이 좋아진다.
- 냉동사이클의 팽창 과정은 어떤 열역학적 특성을 가지는가?
- 팽창과정은 팽창밸브의 쓰로틀링에 의한 등엔탈피 팽창으로 처리되며 엔탈피는 변화하지 않는 것으로 다루어야 한다. 등엔트로피 팽창은 옳지 않은 설명이다.
- 냉동기(COPR)와 열펌프(COPH)의 관계는 무엇인가?
- 에너지 보존으로 고온부 방출열 QH = QL + W이므로 COPH = QH/W = QL/W + 1 = COPR + 1이 되어 COPR = COPH − 1로 쓸 수 있다. 즉 열펌프는 같은 기계로 난방을 할 때 냉동기보다 성능계수가 1만큼 크다.
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