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공학 기술/공학기본

냉매의 상태변화

by yale8000 2024. 7. 22.

냉동(冷凍)이란 고체, 액체, 기체 등의 물체로부터 인위적으로 열을 제거하여 물체를 주위온도 보다 낮게 유지하는 조작을 말하며, 이러한 조작에 사용되는 매체를 냉매(冷媒)라고 한다.

 

제목

 

 

냉매의 상태변화

냉동장치 내를 순환하고 있는 냉매 가스는 그 상태가 끊임없이 변화한다.

냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 4가지 작용(냉동 사이클)을 반복하며, 냉매는 액체 → 기체 → 액체로 변화를 반복하여 순환한다.

 

냉동사이클에 따른 냉매의 상태변화

<그림 1> 냉동사이클에 따른 냉매의 상태변화

 

 

증발과정

증발과정은 냉동장치의 증발기에서 액 냉매가 냉각관 주위에 있는 공기나 물질로부터 증발에 필요한 증발잠열을 흡수하여 증발하는 과정을 말한다.

냉매에게 열을 빼앗긴 주위의 공기나 물질은 냉각되어 저온으로 유지되며, 냉매는 주위에서 열을 빼앗아 증발하게 된다. 냉매가 액체에서 기체로 증발하는 과정의 냉매온도와 압력은 일정하게 유지된다.

냉매는 증발기(EVAPORATOR)안에서 액체(습한기체)로부터 기체(과열증기)로 변화한다. 증발기에 들어온 무상(霧狀)의 냉매는 활발히 증발한다. 이때 냉매액은 증발기 주위에 있는 공기(실내 공기)로부터 증발에 필요한 열(증발 잠열)을 흡수하면서 스스로 증발한다. 열을 빼앗긴 공기는 냉각되어 휀(FAN)에 의해 실 내로 유입되어 실내 온도를 강하시킨다.

증발기 내부에는 팽창 밸브(EXPANSION VALVE)에서 보내진 냉매액과 증발된 냉매 증기가 공존하게 되며 액체에서 기체로의 상태변화가 일어나는데 이 상태 변화 사이에 압력(증발압력)과 온도(증발 온도)는 일정한 관계가 있으며, 압력이 결정되면 온도도 정해진다. 즉, 포하압력과 포화온도의 관계가 있다.

증발온도[℃] 증발압력[kgf/㎠]
NH3 R-12 R-22 R-502 R-134a
0 4.38 3.15 5.08 5.83 2.99
-15 2.41 1.86 3.02 3.55 1.68
-30 1.22 1.02 1.68 2.02 0.87

 

이 액체에서 기체로의 상태 변화가 보다 낮은 온도에서 증발되기 위해서는 증발기내의 압력을 그만큼 낮게 유지해주어야 한다. 이를 위해 냉매증기를 압축기(COMPRESSOR)에서 흡입하여 증발기의 외부로 계속 배출하도록 한다.

 

 

압축과정

압축기에서 냉매증기를 압축하는 과정을 말하며, 이 과정은 열의 출입에 따라 몇 가지로 생각할 수 있으나 일반적으로 단열압축과정이라 가정하며    압축변화는 등엔트로피선을 따라 응축압력에 도달하게 된다.

압축과정은 상온의 물이나 공기에 의해 냉각되어 응축이 잘 될 수 있도록 압력을 높이는 역할을 한다.

냉매는 상온(외기온도)에서 액화되기 쉬운상태까지 압축기에서 압축된다. 증발기내에서 기화된 냉매 증기는 압축기에 흡입된다. 이 작용은 증발기내의 냉매 압력을 은 상태로 유지하며 0℃ 정도의 낮은 온도 상태에서 액체냉매가 활발하게 증발을 게속할수 있도록 하기 위한 것이다.

압축기에 흡입된 냉매 증기는 실린더 내에서 압축되어 압력이 높아지면 상온의 외기로 냉각해도 쉽게 액화될 수 있는 압력과 온도로 된다.

 

 

응축과정

응축기 (CONDENSER)  내에서 냉매가 응축되는 과정을 말하며 냉매는 응축기 외부의 물이나 공기에 의해 냉각되어 기체에서 액체로 변한다.

압축기에서 토출된 고온, 고압의 냉매가스는 상온의 냉각수나 냉각공기에 의해 냉각 액화되어 리시버 드리이버(RECEIVER DRIVER)에 보낸진다. 압축기에서 토출된 고온, 고압의 냉매로부터 외기에 방출된 열을 응축열이라 하며, 이 응축열량은 냉매가 증발기에서 흡수한 열과 압축기에서 압축에 가해진 열을 합한 열량이 된다. 

냉매가 증발기에서 실내로부터 흡수한 열(증발열)과 응축인 경우, 냉각의 상태 변화도 증발의 경우와 같이 증기와 액체가 공존하는 상태이며 기체에서 액체로 변화하는 사이, 압력(응축 압력)과 온도(응축 온도)는일정한 관계가 있다.

응축온도[℃] 응축압력[kgf/㎠]
NH3 R-12 R-22 R-502 R-134a
30 11.90 7.58 12.26 13.34 7.85
35 13.77 8.63 13.95 15.07 9.04
40 15.85 9.77 15.79 16.96 10.35

 

 

팽창 과정

팽창과정은 냉매가 팽창밸브 (EXPANSION VALVE)를 통과할 때 냉매의 상태변화를 말하며 외부와의 열 출입이 없는 단열팽창으로 엔탈피의 변화가 없다.

이 팽창과정은 응축기에서 응축된 액 냉매가 증발기에서 쉽게 증발할 수 있도록 압력을 저하시키며 팽창과정 동안 온도도 저하하게 된다.

팽창밸브는 냉매의 팽창이 일어나는 곳으로 감압작용과 함께 증발기로 유입되는 냉매의 유량을 조절하는 역할을 하게 된다.

 

Reference : 1. 냉동공학 기초이론, 홍성관 (한국폴리텍 산업설비학과)

2. http://jwkang7.wo.to/pds02/222.htm

 

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