표준·실제 냉동사이클

왜 배우는가: 표준 냉동사이클은 이론적 기준선이고, 실제 사이클은 압력손실·열손실·과열·과냉으로 그 기준에서 벗어난다. 두 사이클을 P-h 선도에서 비교할 수 있어야 성능 저하 원인을 설명할 수 있으며, 이 주제는 2교시와 4교시에 반복해서 출제됐다.

출제 이력: 제127회 2교시 3번, 제99회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 표준 냉동사이클은 압축·응축·교축·증발 과정을 압축기 흡입 포화증기 상태에서 이상적으로 가정한 증기압축 냉동사이클이고, 실제 사이클은 배관 압력손실, 열손실, 비가역 압축, 과열·과냉을 더해 표준 사이클에서 벗어난 운전 상태를 나타낸다.

• 표준 냉동사이클
• 실제 냉동사이클
• P-h 선도
• 압력손실
• 열손실
• 과열도
• 과냉도
• 등엔트로피 압축

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 냉매가 기계 안을 한 바퀴 도는 동안 생기는 손실을 빼고 이론값만 그린 것이 표준 사이클이고, 실제 배관과 기기에서 생기는 손실까지 넣어 그린 것이 실제 사이클이다.

정식 정의로는 표준 냉동사이클을 증발기 출구 포화증기가 압축기로 들어가 등엔트로피 압축되고, 응축기 출구 포화액이 등엔트로피가 아닌 등엔탈피 교축을 거쳐 증발기로 들어가는 사이클로 본다. 실제 사이클은 이 과정에 압력강하, 외부와의 열교환, 압축의 비가역성을 반영한 사이클이다.

압력손실은 배관 마찰과 밸브·열교환기 통과 시 압력이 떨어지는 현상이다. 증발기 쪽 압력손실은 증발압력을 낮추고, 응축기 쪽 압력손실은 응축압력을 높인다.

열손실은 흡입관과 토출관, 액관에서 냉매가 외부로 열을 주고받는 현상이다. 흡입관에서 열을 얻으면 증발기 출구 이후 과열이 늘고, 액관에서 열을 잃으면 과냉이 늘어난다.

과열도는 증발기 출구 또는 압축기 흡입 증기 온도가 그 압력의 포화온도보다 높은 정도다. 과열도가 커지면 압축기 토출 온도가 올라가고 비체적이 커진다.

과냉도는 응축기 출구 액 온도가 그 압력의 포화온도보다 낮은 정도다. 과냉도가 커지면 교축 후 플래시 가스가 줄어 증발기 입구 건도가 낮아진다.

비가역 압축은 마찰과 열전달 때문에 압축이 등엔트로피 과정이 되지 못하고 엔트로피가 증가하는 현상이다. 같은 토출압력에서 토출 엔탈피가 커져 압축일이 늘어난다.

3. 등장 배경과 필요성

표준 사이클은 냉매의 상태 변화를 엔탈피와 압력으로 계산하기 위한 기준이다. 설계 단계에서 냉동능력과 성적계수(COP)를 빠르게 구하려면 손실 없는 이상 모델이 먼저 필요하다.

그러나 실제 설비에서는 배관이 길고 밸브와 열교환기가 많아 손실이 누적된다. 이 차이를 무시하면 압축기 용량이나 응축기 면적을 잘못 잡게 된다. 그래서 표준 사이클을 기준선으로 두고 실제 사이클이 어떻게 벗어나는지를 P-h 선도에 함께 그려 비교하는 방식이 쓰인다.

증발기 압력이 낮아지거나 응축기 압력이 높아지면 압축비가 커지고 압축기 부하가 늘어난다. 이 때문에 두 사이클 비교는 운전 이상 진단과 성능 개선의 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

표준 증기압축 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 네 요소로 구성된다. 냉매가 이 네 요소를 순환하면서 저온 측의 열을 흡수해 고온 측으로 방출한다. 실제 사이클은 여기에 배관 압력강하, 열손실, 비가역 압축·팽창이 더해진다. 이 요소들을 P-h 선도에서 상태점으로 나타내면 두 사이클의 차이가 한눈에 보인다.

표준 사이클은 압축기 흡입 상태가 포화 증기(과열도 0), 응축기 출구가 포화 액(과냉각도 0)이다. 실제 사이클은 흡입 증기가 과열되고 응축기 출구 액이 과냉각되는 것이 일반적이다. 이 두 차이가 성능 계수에 직접 영향을 준다.

냉동사이클의 성적계수(COP) 는 다음 식으로 정의한다.

$COP_R = \frac{q_e}{W_c} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}$

여기서 q_e는 증발기 흡열량(kJ/kg), W_c는 압축기 일(kJ/kg), h_1 \sim h_4는 각 상태점의 비엔탈피(kJ/kg)이다. 응축기 방열량은 q_c = h_2 - h_3이다.

실제 사이클의 절차는 다음과 같다.

• 증발기 출구에서 배관 압력강하(흡입 배관 손실)만큼 흡입 압력이 낮아져 P-h 선도상 상태점 1이 포화 증기 곡선보다 저압 쪽으로 이동한다.
• 흡입 배관에서 외기로 열이 빠지면 증기가 과열되지 않고 냉매 흡입 상태가 1′로 옮겨진다. 열침입이 있으면 과열도가 생긴다.
• 압축기는 비가역 과정이므로 엔트로피가 증가하며 토출 엔탈피가 h_{2'}로 커진다. 이때 압축기 효율 \eta_c를 적용한다.
• 토출 배관과 응축기 입구에서 압력강하가 생겨 응축 압력이 증가하고, 응축기 출구에서 과냉각이 일어난다.
• 액관 압력강하와 액관 열손실로 팽창밸브 입구 상태가 변하고, 플래시 가스가 생기면 증발기 입구 건도가 높아진다.
• 증발기에서 상태점 4′에서 1′로 증발하며 냉동효과가 결정된다.

실제 사이클의 성적계수는 다음과 같이 보정해 해석한다.

$COP_{actual} = \frac{h_{1'} - h_{4'}}{h_{2'} - h_{1'}}$

여기서 h_{1'}은 실제 흡입 엔탈피, h_{2'}는 비가역 압축 후 토출 엔탈피, h_{4'}는 과냉각 후 팽창밸브 입구 엔탈피이다. 압력강하가 있으면 포화온도가 낮아지므로 같은 증발온도라도 흡입 압력이 낮아져 비체적과 압축비가 커진다.

실제 사이클은 표준 사이클에 압력강하·열손실·비가역 압축을 더한 것이며, P-h 선도에서 상태점이 이동한다

5. 관련 법령·기준·표준

냉동사이클의 설계와 성능 평가는 주로 기계·냉동 관련 KS 규격과 설계 기준을 따른다. 아래 표는 이 절에서 다루는 기준값을 정리한 것이다. 조항 번호는 확실한 것만 적었다.

법정 관리와 관련해서는 「고압가스 안전관리법」과 그 기술기준에 따른 냉동기 설치·안전 요건을 함께 확인한다. 위험물 선박운송 기준의 냉동컨테이너 냉동능력 규정은 운송 중 냉동장치의 능력 요건으로, 사이클 설계 수치와는 별개다. 전기 설비는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다.

과열도·과냉각도 등 사이클 상태 조건은 기준 수치로 설계 값을 정한다

6. 유형과 비교

표준 냉동사이클과 실제 냉동사이클은 같은 냉매 상태 변화를 따르지만, 배관과 압축기에서 생기는 손실의 유무로 구분된다. 이 절에서는 표준 사이클은 이상적 등엔트로피 압축과 등압 응축·증발, 교축 팽창으로 이루어진 기준선이다. 실제 사이클은 이 기준선에 압력손실, 열손실, 비가역 압축을 더한 것이다.