개념 한 쪽
에너지관리산업기사 냉동기의 종류 및 특징 — 냉매 성질·사이클·발열량
냉동기는 저온부에서 열을 흡수해 고온부로 옮기는 장치이며, 냉매는 이 과정에서 핵심 역할을 한다. 냉매의 성질과 사이클의 각 과정 특징을 알면 장치 성능과 설계 원리를 이해할 수 있다. 연료의 발열량 계산은 연소열량을 냉난방 시스템과 연계할 때 필요한 기초 계산법을 제공한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
뜻
냉매는 증발 과정에서 주변 열을 흡수해 냉각을 일으키는 매질이므로 증발잠열이 클수록 같은 열량을 옮기기 위해 필요한 냉매 양이 적어 장치가 작아지고 효율이 좋아진다. 따라서 냉매의 바람직한 조건으로는 증발잠열이 큰 것, 임계온도가 높은 것, 화학적으로 안정한 것, 그리고 증발 압력이 대기압보다 높은 것이 포함된다.
냉동사이클은 압축→응축→팽창→증발의 네 과정으로 이루어진다. 압축 과정은 단열적으로(등엔트로피에 가깝게) 처리되는 반면, 팽창 과정은 팽창밸브의 쓰로틀링에 의해 일어나는 등엔탈피 팽창이 핵심이다. 응축과 증발 과정은 등압 조건에서 각각 방열과 흡열이 일어나는 과정으로 이해해야 한다.
냉동기와 열펌프는 동일한 기계적 원리를 공유하며 목적에 따라 운전 방식을 달리한다. 성능계수는 얻는 것÷소비한 일로 정의되며, 냉동기의 성능계수 COPR과 열펌프의 성능계수 COPH의 관계는 에너지 보존으로부터 COPH = COPR + 1이 된다. 즉 열펌프의 성능계수는 냉동기보다 항상 1만큼 큰 값이 된다.
연료의 발열량 관련으로는 고위발열량(HHV)에서 연소로 생성된 수증기의 잠열을 제하면 저위발열량(LHV)을 구할 수 있다. 연료 1kg당 생성되는 물의 양은 9H + W로 계산하며, 여기서 H는 연료 1kg당 수소질량, W는 연료에 포함된 수분량이다. LHV는 HHV − 2512×(9H + W) 식으로 계산한다.
예제
중유 5kg의 저위발열량 계산 예를 든다. 중유의 HHV가 41860 kJ/kg이고 1kg당 수소함량이 0.2kg이며 포함된 물이 0.1kg인 경우 생성 물은 9×0.2 + 0.1 = 1.9 kg/kg이다. 따라서 1kg당 LHV = 41860 − 2512×1.9 ≈ 37087 kJ/kg이고, 5kg의 총 LHV는 37087×5 ≈ 185435 kJ ≈ 185.4 MJ가 된다.
성능계수 관계의 간단한 정리 예를 든다. 냉동기의 COPR = QL/W, 열펌프의 COPH = QH/W이며 에너지 보존 QH = QL + W으로부터 COPH = COPR + 1이 도출된다. 따라서 COPR = COPH − 1로 변형해 사용할 수 있다.
자주 묻는 물음
- 냉매는 어떤 성질을 갖추어야 하나?
- 냉매는 증발잠열이 클수록 좋으며 임계온도가 높고 화학적으로 안정하며 증발압력이 대기압보다 높은 성질을 갖추어야 한다.
- 냉동사이클의 팽창과정은 어떤 특성을 가지나?
- 팽창과정은 팽창밸브의 쓰로틀링에 의한 등엔탈피 팽창이 핵심이며, 압축과정은 단열에 가까운 등엔트로피 과정으로 구분된다.
- 냉동기와 열펌프의 성능계수 관계는 무엇인가?
- COPH = COPR + 1이므로 열펌프의 성능계수는 냉동기보다 항상 1만큼 크며, COPR = COPH − 1로 표현할 수 있다.
에너지관리산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.