[유체역학실험]증기압축식 냉동장치

실험 목적

증기 압축식 냉동장치의 기본 구성 요소를 이해하고 실제 조작을 통해 구성 요소의 기능을 익히며 임의의 표준 냉동 사이클을 정하고 4가지의 변수를 주었을 때 각 부분의 압력 변화, 온도 변화, 엔탈피 변화를 측정하여 냉동기 성능에 미치는 영향을 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

냉동기란 주위보다 낮은 온도를 만들어 물건을 차갑게 하거나 얼리는 기계를 말하며 가장 많이 사용되는 냉동기는 증기 압축식 냉동 장치이다. 이 냉동 장치의 원리는 증발하기 쉬운 액체를 낮은 온도에서 증발시키고 이때 증발하는데 필요한 증발열을 주위로부터 흡수하여 냉각 작용을 한다. 증발한 증기는 압축한 뒤 냉각시켜 액체로 만들어 재순환시킨다. 냉동기는 증기 압축식 이외에 작동 원리에 따라 흡수식, 증기 분사식 등으로 나눠진다. 증기 압축식 냉동 장치의 개요의 냉동 장치는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기의 4개 주요 부분으로 구성되어 있다.

압축기가 작동되면 냉매 증기를 계속 흡입하므로 흡입측은 저압이 유지된다. 흡입 압력을 낮게 유지함으로써 냉매가 낮은 온도에서 증발할 수 있도록 한다. 압축기에서 냉매 증기는 압축되어 압력과 온도가 증가하여 고온․고압의 과열 증기를 배출된다. 고온 고압의 냉매 증기는 응축기를 지나면서 물 또는 공기에 열을 방출하고 액체 상태로 응축되어 상온 고압의 액체 냉매가 된다. 이 액체 냉매는 수액기로 모이므로 규모가 작은 냉동 장치는 수액기 없이 바로 액체 냉매를 연속적으로 순환시키기도 한다. 

수액기에 상온 고압의 액체 냉매는 유량 조절 밸브인 팽창밸브를 지나면서 증발기의 압력으로 감압된다. 증발기는 일종의 열 교환 장치로서 저온 저압의 액체 냉매는 증발기를 통과하면서 증발하여 증기가 된다. 이때 필요한 증발 잠열을 주위로부터 빼앗아 냉동 효과를 얻게 된다. 증발에 의해 생성된 증기 냉매는 다시 압축기로 흡입되어 위의 과정을 반복하여 연속적으로 냉동효과를 나타냄으로써 냉동 싸이클이 이뤄지게 된다. 

냉동 장치는 냉매에 의하여 작용하는 압력에 따라 압축기와 팽창밸브를 경계로 하여 저압축과 고압축으로 크게 나눌 수 있다. 저압축은 팽창밸브, 증발기, 흡입관으로 구성되어 있는 부분으로서 이 부분의 압력은 증발기에서 냉매가 증발하는 낮은 압력을 유지하고 있다. 이 압력을 증발 압력 또는 흡입 압력이라 부른다. 고압축은 압축기, 배출관, 응축기, 수액기 및 액관으로 구성되어 있으며 고압축 압력은 냉매가 응축기에서 응축되는 압력으서 응축 압력 또는 배출 압력이라 한다.

 

2. 증기 압축 냉동 사이클

단단 압축 냉동 사이클, 즉 1단 압축 냉동사이클은 가장 일반적으로 사용되는 냉동사이클로, 냉매의 증발온도가 상온 이하로부터 보통 -25℃ 정도까지는 이 냉동사이클이 사용된다. 다음 그림은 단단 냉동사이클 방식의 냉동장치의 개략도를 나타낸다.

단단 냉동사이클

그림에서 증발기내의 냉매 액이 증발됨에 의해 주위는 냉각된다. 이 때 증발한 냉매증기는 압축기로 흡입․압축되어 고온 증기상태로 토출 된다. 토출 가스 중에 포함되어 있는 압축기 윤활유의 대부분은 유 분리기에서 분리되고, 나머지 냉매증기는 응축기로 들어가서 냉각수 혹은 공기에 의하여 냉각․액화된 후 고압 액의 상태로 수액기로 들어간다. 여기서 일시적으로 저장되었다가 다시 팽창기를 통해 증발기로 재순환 된다.

 

1) 증발과정

냉매는 액체에서 기체로 변한다. 증발기(냉각관)속에 있는 냉매 액은 점차 증발된다. 이 때 냉매 액은 냉각관 주위에 있는 공기(냉장고내 공기)로부터 증발에 필요한 열(증발잠열)을 흡수하면서 증발한다. 이로 인해 냉장고내 공기는 냉각되므로 냉장고는 저온으로 유지된다. 냉매의 증발 과정을 수평으로 나타낸 것은 액체에서 기체로의 상태변화 과정 중에도 압력(증발 압력)과 온도(증발 온도)는 각각 일정하다는 것을 나타낸다.

 

2) 압축과정

증발기에서 증발된 냉매 증기를 압축기에서 압축하는 과정이다. 이 과정은 압축과정 중의 열 출입 유무에 따라 달리 생각할 수 있으나, 단열 압축과정이라 가정하면 등엔트로피 선을 따라 올라가서 응축압력에까지 도달하게 된다. 이 과정 중에 압축기에 흡입된 증기는 실린더 안에서 피스톤에 의하여 응축압력까지 압축된다.

 

3) 응축 과정

압축기로부터 응축기로 유입된 냉매는 점차 기체에서 액체로 변화한다. 압축기에서 나온 고압가스는 상온의 냉각수나 냉각공기에 의하여 쉽게 액화할 수 있는 상태(고온, 고압의 냉매증기 상태)이다. 응축과정 중에, 냉각수 또는 냉각 공기로 방출되는 열을 응축열량이라고 한다. 또한 응축 과정에서도 증발과정에서와 마찬가지로 압력(응축 압력)과 온도(응축 온도)는 각각 일정하게 유지되므로 압력이 정해지면 온도가 정해지게 된다.

 

4) 팽창과정

팽창밸브를 통과할 때의 냉매변화과정이다. 이때는 외부와의 열 출입이 없으므로 엔탈피 변화는 없다. 팽창밸브는 액화된 냉매를 증발기에 보내기 전에 증발이 쉽게 되도록 압력을 내리는 작용과 함께 증발기의 냉매유량을 조절하는 역할도 한다.

 

3. 열역학 과정과 냉동 싸이클

냉동 싸이클은 냉매가 냉동 장치 안을 순환하면서 압축, 응축, 팽창, 증발의 4개 기본 과정을 거쳐 다시 초기 상태로 되돌아오는 일련의 열역학 과정이라 할 수 있다. 상온 고압의 포화 액체 냉매가 팽창 밸브로 들어가며 액체 냉매는 팽창 밸브의 좁은 목을 통화하면서 갑자기 응축 압력에서 증발 압력으로 압력이 감소되면서 팽창한다. 이때 외부에서 일 또는 열의 출입이 없으므로 냉매의 엔탈피 변화가 없다. 즉, 냉매 액이 팽창 밸브를 통과하면서 등엔탈피 선을 따라 압력이 포화 압력보다 갑자기 낮아지므로 액의 일부가 증발하여 습한 증기 상태가 된다. 

이때 액의 일부가 증발하는데 필요한 증발열은 냉매액 자신이 가진 열을 사용하므로 냉매 온도는 응축 온도에서 증발 온도로 저하된다. 증발기를 통과하면서 주위에서 열을 흡수함에 따라 냉매의 엔탈피가 증가되고 냉매는 포화증기 상태로 되어 압축기에 흡입된다. 압축기는 증발기에서 증발하는 냉매 증기를 연속적으로 흡입하므로 팽창 밸브를 통해 들어오는 냉매의 양을 적당히 조절하면 증발기 안의 압력을 원하는 압력으로 유지할 수 있다. 

압축기에서 냉매 증기가 증발 압력에서 응축 압력으로 압축 될 때 순간적으로 압축되므로 팽창 밸브를 통해 들어오는 냉매의 양을 적당히 조절하면 증발기 안의 압력을 원하는 압력으로 유지할 수 있다. 압축기에서 냉매 증기가 증발 압력에서 응축 압력으로 압축 될 때 순간적으로 압축되므로 열이 냉매에 출입할 시간적 여유가 없기 때문에 단열 압축이라 생각할 수 있다. 냉매 증기를 압축 시킬 때 외부에서 일을 해주었으며 이 일은 압축기가 모터를 돌리는 전기 에너지 형태로 공급되었다. 

따라서 증기가 단열 압축되면 엔트로피는 변하지 않으나 압축열에 의하여 엔탈피가 증가하므로 압축과정은 등엔트로피 선을 따른다. 압축된 냉매 증기가 압축기에서 배출되며 냉매는 엔탈피를 가지게 된다. 고온 고압의 냉매 증기는 응축기에서 열을 방출하고 그 결과 엔탈피는 감소하여 상온 고압의 냉체 냉매가 된다. 응축은 등온-등압 과정으로서 응축기를 나오는 액체 냉매는 압력과 엔탈피 상태로 되돌아오게 되며 계속적으로 순환하게 된다.

 

4.수학적 이론

1) 압축기

압축기에서 포화 증기 냉매는 단열적으로 압축되어 등엔트로피 선을 따라 압력이 응축 압력에 도달할 때까지 증가하게 된다. 이 때 압축하는데 필요한 동력은 냉매의 질량 유량과 엔트로피의 차로부터 계산 할 수 있다.

P = m(H3-H2)

P : 소요동력(kW), m : 냉매의 질량 유량 (kg/s)

H2 : 압축 시작 시 냉매의 엔탈피 (kJ/kg), H3 :압축 완료 시 냉매의 엔탈피(kJ/kg)

위 식은 냉매 증기를 압축하는데만 필요한 이론적인 동력을 나타내며 실제로는 압축기 내의 기계적 저항, 특히 고압 하에서의 피스톤과 실린더 사이를 지나는 냉매의 미끄러짐 정도에 따라 더 많은 동력이 필요하게 된다. 이론적으로 요구되는 동력과 실제 사용되는 동력으로부터 압축 과정의 효율을 계산 할 수 있다.

2) 응축기

전체 냉동 싸이클을 통해 흡수한 열은 응축기 안에서 등압 상태로 방출된다. 이 때 주위로 방출하는 열 열량은

qc = m(H3-H1)

qc : 응축기에서 열방출 속도(kW),

H1 : 응축기를 출구에서의 냉매의 엔탈피(kJ/kg)

3) 팽창밸브

팽창밸브 안에서는 열 교환이 일어나지 않으므로 팽창밸브를 떠나는 액체 냉매와 증기 냉매의 혼합물의 엔탈피 값은 팽창밸브로 들어가는 액체 냉매의 엔탈피와 같아야 한다. 팽창밸브를 통과하면서 액체 냉매는 압력이 갑자기 감소함에 따라 비점이 감소되어 부분적으로 증발이 일어나면서 남은 액체 냉매를 냉각시킨다. 이때 발생되는 증기를 flash gas라 부르며 그 농도는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

FG = (H1-H0)/(H2-H0)X100

FG : flash gas 농도(%), H0 :증발기 온도에서 포화 액체 냉매의 엔탈피(kJ/kg), H2-H0의 값은 증발기 온도에서 냉매의 증발 잠열과 같다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

 

1) 압축기: 압축기 (Compressor)는 표준(기준) 냉동 실험기계장치의 증발기에서 피 냉각 물체로부터 열을 흡수하여 증발한 저온, 저압의 기체냉매를 흡입 압축하여 압력을 상승시켜 분자간의 거리를 가깝게 하고, 온도를 상승시켜 상온의 응축기에서 쉽게 액화할 수 있도록 한다. 다시 말하면 저열원(증발기)에서 냉매가 증발하면서 얻은 열을 고온, 고압으로 하여 고열원(응축기)으로 보내는 역할을 한다.

2) 응축기: 표준(기준) 냉동 실험기계장치의 압축기에서 토출된 고온, 고압 냉매가스 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축시키는 작용을 한다. 압축기에서 토출된 고온고압의 기체냉매를 주위의 공기나 냉각수에 열 교환시켜 기체냉매의 열을 방출하여 응축 액화하는 장치이다. 뜨거운 바람이 나오는 곳으로 응축기는 실외기 속에 있는 기기로서 압축기에서 나온 냉매가스가 냉매액체로 변하게 한다.

3) 충전리플 : 충전니플은 표준(기준) 냉동 실험장치의 기계 압축기 토출측과 흡입측 고, 저압 배관에 부착하여 표준(기준) 냉동 실험기계 냉동장치의 기밀시험, 진공시험, 냉매충전, 냉매 이송 시에 매니폴드게이지 사용을 위해서 반드시 필요하다. 충전니플을 압축기 토출측과 흡입측 고, 저압 배관에 용접 부착하기 전에 내부 고무(기밀유지용)링을 분해한 후에 부착하고 냉각 후에 재조립하여 사용한다.

4) 팽창밸브: 팽창밸브는 고온, 고압의 액체 냉매를 증발기에서 증발되기 쉽도록 저온, 저압의 액체 냉매로 단열 팽창시킨다. 응축 액화된 냉매는 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출되면(교축작용) 냉매는 압력으로부터 해방되어 증발하기 시작한다. 아울러 증발기에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 적정량을 조절해준다.

5) 수액기: 수액기는 응축기에서 액화한 냉매를 팽창밸브로 보내기 전에 일시 저장하는 용기이다. 수액기의 액 저장량은 냉동장치의 운전 상태 변화에 따라 증발기 내의 냉매량이 변화하여도 항상 액이 수액기 내에 잔류하여 장치의 운전을 원활하게 할 수 있는 용량이 필요하다. 또한 냉동장치를 수리하거나 장기간 정지시 장치 내의 냉매를 회수하는 역할을 한다.

 

6) 증발기:증발기는 냉동장치의 팽창밸브에서 온도와 압력이 떨어진 저온 저압의 액체냉매가 증발잠열을 흡수하여 냉각작용을 함으로써 냉동목적을 직접 달성하는 열교환이며, 팽창밸브에서 나온 저온저압의 액 냉매를 피 냉각물체(동관 알루미늄 핀 공기)로부터 증발잠열을 흡수하여 냉동목적을 직접 달성시켜 주는 기기이다.

 

7) 전압계&전류계:전압계(Volt Meter)와 전류계(Am Meter)는 냉동교육장치의 압축기모터, 응축기 휀모터, 증발기 휀모터와 제어기기에 걸리는 전류와 전압의 량을 측정하여 정상적인 운전 전압, 운전전류를 비교 검증 할 수 있다.

 

8) 과전류차단기 과전류 차단기는 냉동교육장치의 압축기 모터, 응축기 휀모터, 증발기 휀모터에 과부하나 배선상의 단락사고 등에 의한 과 전류로부터 배선 및 장치를 보호하는 것으로서 회로를 자동으로 차단함으로서 운전이 정지되고 차단시 퓨즈와 같이 교체할 필요가 없이 핸들 조작만으로 즉시 간단하게 전원을 투입할 수 있다.

9) 온도계:온도 측정용 디지털 온도계는 표준(기준) 냉동교육장비가 운전될 때 성능테스트를 위해서는 정해진 온도 측정부위의 온도를 측정하고 측정부의 온도 측정치로 습, 증기 선도를 작도하여 냉동교육장비의 성능테스트를 실시한다. 이때 디지털 온도계는 각부의 온도측정을 위하여 필요하다. 냉동기의 성능테스트는 별도로 다루기로 한다. ※ 온도측정부분 Comp in : 압축기 입구온도(T1) Comp out : 압축기 출구온도 (T2) Condenser in : 응축기 입구온도 (T1) Condenser out : 응축기 출구 온도 (T2) Exp. v. in : 팽창밸브 입구온도 (T1) Exp. v. out: 팽창밸브 출구온도 (T2)

2. 냉동 장치

1) 냉매흐름도와 센서 장착위치

1. 압축기	2. 충전니플	3. 응축기
4. 응축기 휀모터	5. 수액기	6. 서비스 밸브
7. 액관용 스톱밸브	8. 필터드라이어	9. 주배관용 전자밸브
10. 싸이트 글라스	11. 수동팽창밸브(정압식)	12. 증발기
13. 증발기 휀모타

 

2) 냉매 흐름방향

압축기토출 → 응축기 → 수액기 → 필터 드라이어 → 전자밸브 → 사이트 그라스 → 팽창기(팽창밸브) → 증발기 → 압축기 흡입

T1 - Compressor In	T2 - Compressor Out	T3 - Condenser In
T4 - Condenser Out	T5 - Expansion Valve In	T6 - Evaporator In
T7 - Evaporator Out	T8 - Room	T9 - Out
P1 - Compressor In	P2 - Compressor Out	P3 - Condenser Out
P4 - Evaporator In

냉매 흐름

실험 방법

1. 실험 과정

1) 실험 장치 뒷면에 플러그를 꽂는다.

2) 증발기를 완전히 개방한다.

3) 전체 전원 스위치를 켠다.

4) KTE-100DA 회로부를 작동시키기 위해 회로부 스위치를 올린다.

5) 기기의 정상상태를 유지하기 위하여 약 15분간 장치를 가동한다.

6) 측정 값을 기록하고 보간법을 사용하여 냉매의 물성치를 계산한다.

7) 측정된 압력 및 온도 값을 기본으로 성능계수 값을 계산하고 냉동능력을 계산한다.

8) 측정된 압력 및 온도 값으로 T-s 선도 및 p-h 선도를 그린다.

냉매	응축기 압력	압축기 압력
R-22	0.3 MPa	1.0 MPa