냉동사이클 성능 계산

왜 배우는가: 냉동사이클 성능 계산은 압축기 토출량, 냉동능력, 축동력, COP를 엔탈피와 체적효율·압축효율로 연결하는 실무의 기본 계산이다. 설계 용량 산정과 장치 선정의 출발점이어서 기술사 시험에서 계산 문제로 반복 출제된다. 3회차 출제 문항 모두 같은 계산 흐름을 요구한다.

출제 이력: 제137회 3교시 4번, 제124회 3교시 6번, 제118회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉동사이클 성능 계산은 사이클 각 상태점의 엔탈피로 냉동능력(또는 방열량)과 압축기 소요일을 구하고, 그 비로 성능계수(COP)를 정하는 계산이다.

핵심 키워드: 냉동능력, 압축기 소요일, 성능계수(COP), 체적효율, 압축효율, 기계효율, 과열도, 과냉각도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 냉매 1kg이 증발기에서 열을 얼마나 빼앗고 압축기에서 일을 얼마나 받는지 계산하는 것이다. 두 값을 알면 같은 냉매량으로 얼마나 냉동할 수 있는지, 그때 동력이 얼마나 드는지 알 수 있다.

정식으로는 냉동능력(refrigerating capacity)을 단위질량 냉매가 증발기에서 흡수하는 열량, 즉 증발기 입구와 출구의 엔탈피 차로 정의한다. 다음과 같이 쓴다.

$q_e = h_1 - h_4 \quad (\text{kJ/kg})$

여기서 h_1은 압축기 입구(증발기 출구) 엔탈피, h_4는 팽창밸브 출구(증발기 입구) 엔탈피다.

압축기 소요일(compressor work)은 압축과정에서 냉매에 가해지는 일의 열당량으로, 압축기 입구와 출구의 엔탈피 차다.

$w_c = h_2 - h_1 \quad (\text{kJ/kg})$

성능계수(COP, coefficient of performance)는 얻은 냉동효과와 들어간 일의 비다. 냉동사이클은 열을 저온에서 고온으로 옮기므로 열기관의 효율과 달리 1을 넘을 수 있다.

$\text{COP}_R = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}$

과열도(superheat)는 증발기 출구 증기가 그 압력의 포화온도보다 높은 정도이고, 과냉각도(subcooling)는 응축기 출구 액이 그 압력의 포화온도보다 낮은 정도다. 두 값은 사이클 상태점을 정하는 조건이다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동장치는 증발기 온도를 낮추고 응축기 온도를 높여 열을 이동시킨다. 두 압력의 차이가 커질수록 압축기가 해야 할 일이 늘어난다. 설계자는 주어진 냉동능력을 얻기 위해 필요한 냉매 순환량과 압축기 용량을 계산해야 한다.

또한 실제 압축기는 이상 사이클과 다르다. 체적효율은 흡입 가스가 틈새용적 잔류가스와 흡입 압력손실 때문에 행정체적보다 적게 들어오는 현상을 반영한다. 압축효율은 실제 압축이 등엔트로피 압축에서 벗어나는 정도를 반영한다. 이 두 효율을 넣어야 실제 토출량과 축동력을 구할 수 있다.

압축기 토출량은 행정체적에 회전수와 기통수를 곱하고 체적효율을 곱해 구한다. 이 값에 냉매 비체적을 나누면 냉매 순환량이 나온다. 이 순서가 계산 문제의 골격이다.

압축기 체적효율 0.72, 압축효율 0.73, 기계효율 0.9 같은 효율 값은 문항이 주는 조건이며, 실제 설계에서는 압축기 종류와 압축비에 따라 달라진다.