증기압축식 냉동사이클

정의

증기압축식 냉동사이클은 냉매의 증발, 압축, 응축, 팽창을 반복하는 열역학 사이클이다.

이 사이클은 저온부의 열을 고온부로 옮기는 원리로 작동한다.

시험에서 반복 출제되므로 구성요소와 상태 변화를 함께 익힌다.

4요소와 순환

네 요소는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기이며 냉매가 이 순서로 순환한다.

증발기에서 냉매가 저압으로 열을 흡수하고, 압축기에서 고압으로 압축된다.

응축기에서 열을 방출해 액이 되고, 팽창밸브에서 교축되어 다시 증발기로 간다.

압축기만 사이클에 일을 넣는 요소이고, 팽창밸브는 엔탈피가 일정한 과정이다.

성능계수 COP

냉동효과는 증발기에서 흡수한 열이고, 압축일은 압축기에 공급한 일이다.

냉동효과 q_e는 h1에서 h4를 뺀 값이고, 압축일 w_c는 h2에서 h1을 뺀 값이다.

성능계수 COP는 냉동효과를 압축일로 나눈 값이다.

교축 과정에서 h3과 h4가 같으므로 식에는 h4를 쓰고, 단위는 kJ/kg으로 맞춘다.

예제 계산

가상의 값으로 표준 냉동 사이클의 성능계수를 계산해 본다.

냉동효과 q_L은 h1 400에서 h3 250을 뺀 150 kJ/kg이다.

압축일 w는 h2 440에서 h1 400을 뺀 40 kJ/kg이다.

COP는 150을 40으로 나눈 3.75이며, 답안에는 COP = q_L / w를 쓴다.

헷갈리는 점

먼저 과냉각과 플래시 가스가 어떤 상태인지 구분한다.

과냉각은 응축기 출구에서 포화액 온도보다 낮은 상태다. 과냉각이 커지면 냉동효과가 늘어난다.

플래시 가스는 팽창밸브 직전 액관에서 감압 중 일부가 증발해 생긴 기체다.

응축 부족 때문에 생기는 것이 아니므로, 원인을 액관 감압으로 구분해 쓴다.

압축기 형식 비교

압축기 형식에 따라 특성이 달라지며, 시험에서는 이 차이를 자주 묻는다.

왕복동식은 고압축비에 유리하지만 용량이 커지면 진동과 설치 면적이 불리하다.

원심식은 대용량 공조에 쓰이며 압축비가 작을 때 효율이 높다.

압축비가 큰 경우는 다단 압축, 극저온은 캐스케이드로 나눠 부담한다.

핵심 정리

마지막으로 핵심을 정리한다.

구성요소, 과정, 성능계수 식을 순서대로 기억한다.

과냉각은 냉동효과를 늘리고, 플래시 가스는 냉동효과를 줄인다. 압축비가 크면 체적효율이 떨어진다.