교축 Throttling

교축(Throttling) 개념 및 교축 과정(Throttling process), 교축 효과(Joule-Thomson Effect) 등에 대한 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

교축 Throttling

교축 과정 (throttling process)

유체가 노즐이나 팽창밸브, 오리피스, 모세관 등과 같이 유로(流路)가 좁은 곳을 통과하게 되면, 유체는 단열상태에서  외부와 열량이나 일량의 교환 없이도 유체의 마찰과 와류의 증가로 압력이 감소하는데, 이와 같은 현상을 교축(絞縮,throttling)이라 한다.

또한 냉매와 같은 액체의 경우는 교축되어 압력이 내려가 액체의 포화압력보다 낮아지면 액체의 일부가 증발하며,(플래쉬 가스 발생) 증발에 필요한 열을 액체 자신으로부터 흡수하므로 액체의 온도는 감소한다.

일반적으로 공정상 교축(throttling)은 유동이 있는 pipe에서 압력을 낮추거나 온도를 낮출 목적으로 사용한다.

 

 

교축과정에서 온도와 압력은 저하되지만, 교축 전후에서 외부와 열량이나 일량의 교환 없기 때문에, 엔탈피(h = U + PV)가 일정하게 유지되는 등엔탈피 과정(Isenthalpic process)이 된다. 

출처 : 국립한국교통대학교 전문수 강의 자료(제 5장. 검사체적의 질량 및 에너지 해석)

 

 

줄-톰슨 효과(Joule-Thomson Effect)

Joule-Thomson(J-T) 효과는 실제 유체가 throttling process 를 거칠 때 온도가 변하는 현상을 말한다.(압력변화에 의한 온도 변화)

 

줄-톰슨 효과는 다음과 같은 원리에 의해 발생한다.

- 단열 상태: 노즐을 통과하는 과정에서 열 유입이나 유출이 없도록 단열 상태를 유지한다.

- 엔탈피 불변: 단열 상태에서 엔탈피(h = U + PV)는 일정하게 유지된다. 

- 압력 감소: 노즐을 통과하면서 기체는 빠른 속도로 흐르게 되고, 이에 따라 압력이 감소한다.

 

줄-톰슨 효과에서 온도 변화 방향은 기체의 종류와 초기 압력 및 온도에 따라 다르다.

- 대부분의 기체: 상온에서 대부분의 기체는 줄-톰슨 팽창 과정에서 온도가 감소한다. 예를 들어, 공기, 질소, 산소 등이 여기에 속한다.

- 일부 기체: 헬륨, 수소 등 일부 기체는 상온에서 줄-톰슨 팽창 과정에서 온도가 상승한다.

- 임계 온도: 특정 기체의 경우, 임계 온도 이상에서는 온도가 감소하고, 임계 온도 이하에서는 온도가 상승한다.

 

줄톰슨 효과는 실제 유체에서 나타나는 현상으로 이상기체에서는 줄톰슨 효과가 없다.

즉, 줄톰슨 효과는 분자간의 상호작용에 의해 생긴다는 얘기다.

Joule-Thomson(J-T) 효과는 기체를 고압에서 저압으로 단열팽창 시 팽창시 온도의 변화를 나타내는 것으로 당연히 <등엔탈피 과정>에서 온도변화를 타나내며 J-T 계수도 (∂T/∂P)H로 나타냅니다.

 

 

줄-톰슨 계수(𝜇JT)(Joule-Thomson coefficient)

교축 과정에서 압력 𝑃에 대한 온도 𝑇의 변화율(즉, 일정한 엔탈피 𝐻에서)은 줄-톰슨(켈빈) 계수 𝜇JT이다. 이 계수는 가스의 비부피 𝑉, 일정한 압력에서의 열용량 𝐶p, 열팽창 계수 𝛼로 표현할 수 있다:

 

𝜇JT = (∂T/∂P)(H=const) = V / Cp (𝛼T-1)

 

𝜇JT의 값은 일반적으로 °C/bar(SI 단위: K/Pa)로 표시되며 가스의 종류와 팽창 전 가스의 온도 및 압력에 따라 달라진다. 압력 의존성은 일반적으로 최대 100bar의 압력에서 몇 퍼센트에 불과하다.

모든 실제 기체에는 𝜇JT의 값이 부호가 바뀌는 반전점(inversion point)이 있다. 이 지점의 온도인 Joule–Thomson inversion temperature는 팽창 전 기체의 압력에 따라 달라진다.

<그림 1> Sign of the Joule–Thomson coefficient, 𝜇JT for N2. (출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson_effect)

N2의 경우 𝜇JT. 빨간색 선으로 둘러싸인 영역 내에서 줄-톰슨 팽창은 냉각(𝜇JT>0)을 일으킨다;

그 밖의 영역에서는 팽창으로 온도가 올라간다. 기체-액체 공존 곡선은 임계점(파란색 실선)에서 끝나는 파란색 선으로 표시된다. 점선은 N2가 초임계 유체인 영역(액체와 기체 사이의 성질이 부드럽게 전환되는 영역)을 나타낸다.

 

 

기체가 팽창하면 압력이 감소하므로 ∂𝑃의 부호는 정의상 음수이고, 다음 표는 줄-톰슨 효과가 실제 기체를 냉각 또는 승온시키는 시기를 설명한다:

If the gas temperature is	then 𝜇JT is	since ∂𝑃 is	thus ∂𝑇 must be	so the gas
below the inversion temperature	positive	always negative	negative	cools
above the inversion temperature	negative		positive	warms

* 줄-톰슨 계수가 양수이면 온도가 감소하고, 음수이면 온도가 상승한다.

 

상온에서, 수소, 헬륨, 네온 을 제외하고 모든 기체는 다음 그림과 같이 줄톰슨 팽창을 거치면서 온도가 내려간다.

<그림 2> Joule–Thomson coefficients for various gases at atmospheric pressure(출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson_effect)

 

* He과 H2는 1atm에서 줄-톰슨 inversion 온도가 매우 낮다(예: He의 경우 약 40K, -233°C). 따라서 He과 H2는 일반적인 실온에서 일정한 엔탈피로 팽창하면 따뜻해진다.

반면, 공기 중에 가장 풍부한 두 가지 기체인 N2와 O2는 각각 621K(348°C)와 764K(491°C)의 inversion 온도를 가지고 있어 줄-톰슨 효과에 의해 실온에서 냉각될 수 있다.

 

이상 기체의 경우, 𝜇JT 는 항상 0과 같으며, 이상적인 기체는 일정한 엔탈피로 팽창해도 따뜻하지도 차갑지도 않다.

 

 

교축 밸브 (throttling valves)

스로틀 밸브는 팽창을 위한 입구 조건이 일정하도록 downstream 압력을 조절하고 유지하는 기능을 하는 기계 장치이다.

다음 그림과 같이 배관 내의 유체의 흐름을 막는 일종의 유동 제한 장치(flow‐restricting device)로 교축 과정 동안 유체에 큰 압력 강하가 발생한다. 

<그림 3> 교축 밸브 (throttling valves)(출처: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/throttle-valve)

 

유체의 압력 강하는 종종 온도 강하가 동반되기 때문에 교축 장치는 일반적으로 냉동 장치나 공기 조화 장치 등에 사용된다.

스로틀링에 사용할 수 있는 밸브에는 globe valves, butterfly valves, and gate and needle-type valves 등 여러 가지 유형이 있다.

 

Reference : https://en.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson_effect