[기계공학실험]증기 압축식 열펌프 성능 1부

실험 목적

증기 압축식 열펌프의 구성 및 원리를 이해하고 열원의 온도변화 및 난방 용량의 변화에 따른 증기 압축식 열펌프의 성능변화를 측정한다. 또한 수업시간에 배웠던 카르노, 역 카르노 싸이클, 그리고 표준 증기압축 싸이클 등에 대하여 실험과 함께 실제적으로 적용하여 이해를 높인다.

실험 이론 및 원리

1. 역 카르노 사이클

이상적인 열펌프 사이클은 내부/외부적으로 가역적인 사이클이며 이에는 역 카르노 싸이클이 있다. 쉽게 말하여서 역 카르노 싸이클은 냉동 사이클의 이론적 싸이클이라 볼 수 있다. 

아래 그림 1과 같이 단열압축 과정을 통하여 TL에서 TH로 작동유체의 등엔트로피 압축이 수행되고 등온흡열 과정을 통하여 응축이 이루어지며 단열팽창 과정을 통하여 TH에서 TL로 등엔트로피 팽창이 진행된다. 마지막으로 등온방열 과정에서 작동유체의 증발이 이루어진다. 이것은 열펌프로 이용할 경우 외부로부터 받은 일로 고온부로부터의 열전달(유출)을 일으켜 저온부에서 열을 유입하는 것이다.

그림 1 역 카르노 TK이클의 T-S 선도

 

이때 역카르노 싸이클을 열펌프로 이용할 경우 고온부의 열전달을 사용하게 되므로 성능계수 COP(Coefficient Of Performance)를 구할 수 있다.

 

이러한 역 카르노 싸이클은 분명 이론적인 싸이클로써 실제적인 싸이클인 경우에는 존재할 수가 없다. 첫 번째 이유는 압축 과정에 있어서 역 카르노 싸이클은 유체가 압축기 출구에서 포화상태여야 하지만 실제의 경우, 압축기로 들어가는 냉매에 액체가 포함된 것을 방지하기 위하여 약간의 과열을 시키는 것이 보통이다. 때문에 유체는 압축기 출구에서 과열되어 일이 발생한다. 또한 압축기 내부에 있어서 발열과 마찰, 그리고 열전달 등에 의하여 비가역적인 과정이므로 등엔트로피 과정일 수가 없다.

두 번째는 팽창과정도 역시 등엔트로피 팽창과정이 아닌 비가역 단열과정으로써 등엔탈피 과정이다. 때문에 이러한 역 카르노 싸이클이 존재할 수 없는 이유는 다음과 같다.

1) 습증기, 즉 액적(Liquid drop)을 포함한 증기의 압축은 불가능 하다.

2) 가역 팽창기의 비용에 비해 얻을 수 있는 출력이 매우 작다.

3) 응축과 증발과정에서의 열전달이 비가역적이다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 장치

그림 2 증기압축식 열펌프의 개략도

기초와 판	고품질, 유리강화 섬유
냉매	Terafluoroethane, CH2FCF3 (R-134α)
압축기	용접밀봉 형식, 행정체적 8.85cc/rev
응축기	동심 튜브, 평행 유동 냉각 방식
수액기	1.6L
팽창밸브	열정역학적 제어와 수동 과열 조정 가능, R-134α의 유속을 제어
증발기	핀-튜브형, 구리/알루미늄 아연도금강
크기	높이 : 415㎜, 너비 : 950㎜, 깊이 : 600㎜, 무게 : 48㎏
냉각수	시간당 약 180L (10m수두)

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 급수 및 배수 시설이 가깝고 220V 전원 연결이 가능한 곳에 열펌프 실험 장치를 설치한다.

 

2) 급수 및 배수관을 연결하고 전원을 연결한다.

 

3) 전원을 켜기 전에 설정한 유량(실험보고서 참조)으로 냉각수를 공급한다.

 

4) 전원을 켠다.

 

5) R-134a 유량계에 잠깐 동안의 증기 유동이 있은 후, 액체 유동이 정상적인지 확인한다.

 

6) 물 유량계의 물의 유량을 최초 10g/sec로 설정하여 정상 상태, 즉 각 지점의 온도와 압력이 일정하게 유지될 때까지 계속 가동한다.

 

7) 정상상태가 되면 유량, 온도, 압력, 공급 동력을 측정한다.

 

8) 물의 유량을 20g/sec로 변화시켜 ⑤~⑦의 과정을 반복한다.

 

9) 측정이 끝나면 전원을 끈다.

 

10) 전원이 꺼진후 2~3분 동안 냉각수를 계속 순환시킨다.

 

11) 냉각수가 장치 내부에 냉각수가 남지 않게 모두 제거한다.

 

12) 냉각수를 잠근다.

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