너무 간단한 내용들만 포스팅 하는건 아닐까? 란... 생각이 갑자기 떠오르지만.. 기본에 충실해서 포스팅을 해볼께요.
Refrigeration Cycle
냉동효과는 아래의 cycle을 통해 얻을 수 있어요.
- vapor compression-expansion
- absorption
- steam jet (water-vapor compression)
pressure-enthalpy(P-H)diagram을 통해 냉동 cycle을 4가지로 나눌 수 있어요.
- expansion
- evaporation
- compression
- condensation
이제 FIG.14-2를 통해서 4가지 step에 대해 알아 볼께요.
아래에 나오는 압력과 엔탈피 기호는 대문자를 사용하였으며 아래첨자를 소문자로 사용하여 구분함.
(첨부한 그림과 조금 다름)
1. 팽창 단계
냉동 사이클의 시작점은 액체냉매가 있는 지점이에요. Pont A는 포화압력 Pa 와 엔탈피 Hla 에있는 액체 bubble point에요.
이 단계에서 압력과 온도는 control valve를 통해서 flashing 되는 액체로 인해 압력 Pb로 떨어져요.
압력 Pb는 공정에서 요구하는 냉매의 온도(Tb)가 얼마냐에 따라서 결정되죠.
Point B에서 포화액체의 엔탈피는 Hlb 에요. 반면에 포화증기 엔탈피는 Hvb죠. 이 단계에서 control valve를 통과(Point A->B)할때 에너지의 교환이 없어요. 이 공정은 등엔탈피(isenthalpic)에요. 그래서 control valve outlet에서의 전체 stream 엔탈피는 inlet에서의 엔탈피(Hla)와 같죠.
Point B에는 액체와 기체가 동시에 존재하는데요. 기체 형태의 양을 측정하기 위해선 식을 좀 만들어야 해요.
압력 Pb, 엔탈피 Hlb 에서의 액체 분율을 X라고 하고, 엔탈피 Hvb로 팽창 과정에서 형성된 기체는 1-X 라 해요.
heat balance 와 형성된 액체의 분율을 식으로 나타내면,
(X)Hlb + (1-X)Hvb = HlaX = (Hvb - Hla) / (Hvb - Hlb)(1-X) = (Hla - Hlb) / (Hvb - Hlb)
2. 증발 단계
팽창 과정에서 형성된 기체는 이 공정에 어떠한 냉각을 제공하지 않아요. 열은 냉매의 액체부분이 증발함으로 흡수되요.
일정 온도, 일정 압력의 단계에요.(Point B->C)
Point C에서 기체의 엔탈피는 Hvb에요.
물리적으로 증발은 evaporator나 chiller라 불리는 열교환기에서 일어나죠. 냉매의 효과를 정의하면
Effect = Hvb - Hla
냉동용량(= refrigeration duty)은 공정에 의해 evaporator나 chiller에서 열이 흡수되는 전체 양이에요.
일반적으로 "tons of refrigeration" 또는 Btu/unit time 으로 표현되요.
냉매의 flow rate는
m = Qref / (Hvb - Hla)
3. 압축 단계
냉매 기체는 포화압력 Pc에서 chiller를 떠나요. Hvb의 엔탈피에서 대응온도(corresponding temperature)는 Tc와 같아요.
이 point에서의 엔트로피를 Sc라 해요. 이 기체들은 line C -> D'를 따라 등엔트르피적으로 Pa로 압축되죠.
압축된 냉매가 Pb에서 Pa로 변화 할때의 등엔트로피(ideal)의 일(work)은 Wi,
Wi = m(H'vd - Hvb)
H'vd의 양은 Pa, 엔트로피 Sc에서의 냉매 성질들로 측정되요. 냉매는 이상유체(ideal fluid)가 아니고, compressor도 이상적으로 작동하지 않기 때문에 등엔트로피 효율(ni)은 압축공정의 비효율적인것을 보상하여 정의되요.
실제 압축 일(W)은 아래의 식으로부터 계산 할 수 있어요.
W = Wi / ni = m(H'vd - Hvb) / ni
discharge에서의 엔탈피는
Hvd = [(H'vd - Hvb) / ni] + Hvb
압축 일은 아래와 같이 다르게 표현 할 수도 있어요.
GHP = W/2544.42544.4 Btu/hr = 1 hp
4. 응축 단계
Pa, Td(point D)의 압축기에서 떠나는 과열된 냉매는 dew point 온도 Ta에서 거의 일정한 압력하에 냉각되요. 그리고 냉매 기체는 일정한 온도에서 응축되기 시작해요.
desuperheating 과 응축이 진행되는 동안에 증발과 압축하면서 냉매에 증가된 모든 열과 일은 반드시 제거 되야 해요. cycle이 P-H 선도에서 point A에 도달해야 완성될 수 있기 때문이에요.
응축용량(Qcd)를 계산 할 수 있는데, 응축열을 냉동용량에 추가함으로
Qcd = m[(Hvb - Hla) + (Hvd - Hvb)] = m(Hvd - Hla)
냉매의 응축 압력은 냉각 medium(air, cooling water, 다른 냉매)에 따라 조절되요. 냉각 medium은 냉동 cycle을 위한 열 흡수원이죠. compressor에서 나오는 기체는 과열되었고, 냉매의 응축 곡석은 직선이 아니기 때문에 condenser의 적절한 설계를 위해 과열방지와 일정한 온도의(항온) 응축은 반드시 고려되야 해요.
