표준 냉동사이클

왜 배우는가: 표준 냉동사이클은 실제 냉동기의 성능을 같은 기준에서 비교하고 손실 원인을 찾는 출발점이다. 시험에서는 장치도, P-h 선도, 과정 설명을 한 묶음으로 묻기 때문에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 7번, 제134회 1교시 7번, 제129회 1교시 13번, 제128회 1교시 12번, 제117회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

표준 냉동사이클은 증기압축식 냉동기의 성능을 비교하는 기준이 되는 이상화된 증기압축 사이클이다.

• 표준 냉동사이클
• 기준 냉동사이클
• 등엔트로피 압축
• 등엔탈피 팽창
• 건포화증기
• 포화액
• 성능계수(COP)
• 몰리에르 선도(P-h 선도)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 냉동기가 실제로 어떻게 도는지 보기 전에 누구나 같은 조건에서 비교할 수 있는 기준 자를 정해 둔 것이다. 마찰, 열손실, 과열과 과냉각을 모두 없애고 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 한 바퀴 도는 모습만 남긴다.

정식 정의는 다음 가정을 둔 증기압축 냉동사이클이다. 증발기 출구는 건포화증기이고, 응축기 출구는 포화액이다. 압축은 가역 단열 과정으로 등엔트로피 압축이다. 팽창은 교축으로 등엔탈피 팽창이다. 배관과 열교환기의 압력손실과 외부 열손실은 없다고 본다.

건포화증기는 증발이 끝나 액이 남지 않은 포화 증기 상태다. 건도가 1인 상태로 보면 된다. 흡입 과정에 과열도가 없으므로 압축기 입구는 증발압력에서의 포화증기로 시작한다.

포화액은 응축이 끝나 증기가 남지 않은 포화 액 상태다. 건도가 0인 상태로, 과냉각도가 없는 응축기 출구를 뜻한다.

등엔트로피 압축은 가역 단열 압축으로, 엔트로피 변화가 없는 과정이다. 실제 압축기는 마찰과 열교환 때문에 엔트로피가 증가하므로, 이 과정은 실제 압축 과정의 이상적 기준이 된다.

등엔탈피 팽창은 팽창밸브나 모세관에서 일어나는 교축 과정이다. 유로가 좁아 압력만 떨어지고 엔탈피는 변하지 않는다. 외부에 일을 하지 않으므로 이 과정에서 기계적 일은 없다.

표준 조건으로는 증발온도 증발 -15℃, 응축 30℃를 흔히 쓴다. 이 조건을 기준으로 압력과 엔탈피를 정하면 여러 냉매와 장치를 같은 자리에서 비교할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

열역학 제2법칙에 따르면 열은 저온에서 고온으로 스스로 이동하지 못하고, 일을 가해야만 옮겨진다. 냉동기는 이 원리를 이용해 저온 측 열을 고온 측으로 펌프하는 장치다. 1824년 카르노(Carnot)는 이상적인 열기관의 동작을 카르노 사이클로 수식화했고, 이를 거꾸로 돌린 사이클이 이상적인 냉동기가 된다.

그러나 카르노 사이클을 그대로 냉동기에 쓰기는 어렵다. 증발과 응축이 동시에 일어나는 두 상(相) 영역에서 압축을 하면 액적이 섞인 압축기가 손상되기 쉽다. 또 등온 팽창을 일으키는 장치를 만들기 힘들다. 그래서 냉동 장치는 증기압축식을 쓰고, 그 이상적 기준을 표준 냉동사이클로 정했다.

증기압축식은 가장 널리 쓰이는 냉동 방식이다. 증발과 응축의 상변화 열을 이용하므로 적은 일로 많은 열을 옮길 수 있다. 이 방식을 기준으로 실제 장치가 이상 사이클에서 얼마나 벗어나는지 따져 보는 것이 설계와 진단의 기본 절차다.

표준 냉동사이클이 필요한 이유는 세 가지다. 첫째, 서로 다른 냉매와 장치를 같은 조건에서 비교할 수 있다. 둘째, 이론 성능계수(COP)와 실제 성능계수의 차이로 손실 원인을 나눌 수 있다. 셋째, 몰리에르 선도 위에 각 상태점을 그려 냉매 순환량과 냉동능력을 계산하는 기반이 된다.