습공기의 상태 변화
개념과 원리
습공기의 상태 변화는 공기를 가열·냉각·가습·감습할 때 건구온도, 절대습도, 상대습도, 엔탈피가 어떻게 변하는지를 나타냅니다. 실기에서는 습공기선도 위의 이동 방향을 이해하는 것이 핵심입니다.
단순 가열은 수분을 추가하지 않고 온도만 높이는 과정으로 절대습도는 거의 일정하고 상대습도는 낮아집니다. 단순 냉각도 이슬점에 도달하기 전까지는 절대습도가 일정합니다.
공기를 이슬점 이하로 더 냉각하면 수증기가 응축되어 냉각·감습이 동시에 일어납니다. 반대로 증기 등을 직접 공급하면 절대습도가 증가하는 가습 과정이 일어납니다.
두 공기를 혼합하면 혼합점은 습공기선도에서 두 상태점을 연결한 직선 위에 놓이며, 질량유량이 큰 공기의 상태점에 더 가까워집니다.
상태변화 문제에서는 먼저 과정의 종류를 판단한 뒤 무엇이 일정하고 무엇이 변하는지를 확인하면 선도 해석과 계산이 쉬워집니다.
그림·공식 정리
습공기선도에서 기준점 P를 중심으로 이동 방향에 따라 가열·가습·냉각·감습 과정이 구분된다.
| 경로 | 상태 변화 | 선도에서의 변화 |
|---|---|---|
| PA | 가열 | 건구온도 상승, 절대습도 일정 |
| PB | 가열·가습 | 건구온도와 절대습도 모두 상승 |
| PC | 등온가습 | 건구온도 일정, 절대습도 상승 |
| PD | 가습·냉각 | 건구온도 하강, 절대습도 상승 |
| PE | 냉각 | 건구온도 하강, 절대습도 일정 |
| PF | 감습·냉각 | 건구온도와 절대습도 모두 하강 |
| PG | 등온감습 | 건구온도 일정, 절대습도 하강 |
| PH | 가열·감습 | 건구온도 상승, 절대습도 하강 |
x는 미지수가 아니라 절대습도를 뜻한다.
x [kg/kg′] = 건공기 1 kg에 포함된 수증기의 질량
x↑ → 공기 중 수증기량 증가 · x↓ → 공기 중 수증기량 감소
가열·냉각만 하면 x는 일정
가습하면 x 증가
감습하면 x 감소
풀이에 적용하기
건공기 질량유량 1.5 kg/s의 공기가 가열 전후 각각 15℃와 25℃이고 수분 출입이 없다고 하겠습니다. 공기 정압비열을 1.006 kJ/(kg·℃)로 하면:
Q = ṁcp(t₂-t₁)
Q = 1.5×1.006×(25-15) = 15.09 kW
이 과정은 단순 가열이므로 절대습도는 거의 일정합니다. 반대로 냉각코일에서 엔탈피가 58에서 42 kJ/kg(DA)로 감소한다면 같은 유량에서 제거열량은 1.5×(58-42)=24 kW입니다.
헷갈리는 부분
① 단순 가열에서 절대습도가 증가한다고 생각하지 마세요.
수분 공급이 없다면 절대습도는 거의 일정합니다.
② 냉각한다고 항상 감습되는 것은 아닙니다.
이슬점 이하까지 냉각되어 응축이 발생해야 절대습도가 감소합니다.
③ 상대습도와 절대습도를 혼동하지 마세요.
수분량이 같아도 온도가 바뀌면 상대습도는 달라질 수 있습니다.
④ 혼합점은 단순한 온도 평균만으로 결정하지 마세요.
정확한 상태는 건공기 질량 및 수분·에너지 수지를 이용합니다.