냉각·감습과 바이패스 팩터

개념과 원리

냉각·감습은 공기를 냉각코일에 통과시켜 건구온도와 수분량을 함께 낮추는 과정입니다. 공기온도가 이슬점 이하로 내려가면 공기 중 수증기의 일부가 응축되어 제거되므로 온도뿐 아니라 절대습도도 감소합니다.

실제 냉각코일의 모든 표면이 동일한 온도인 것은 아니며, 공기 전체가 코일표면과 완전히 접촉하는 것도 아닙니다. 이를 단순화하여 코일의 평균적인 유효 표면온도를 장치노점온도(ADP, Apparatus Dew Point)라고 합니다.

습공기선도에서 냉각코일 입구공기 상태점과 출구공기 상태점을 직선으로 연결해 연장하면 포화곡선과 만나는 점이 ADP가 됩니다. 이상적으로 공기가 코일표면과 완전히 열·물질교환을 한다면 출구공기 상태는 ADP에 가까워집니다.

하지만 실제로는 일부 공기가 코일과 충분히 접촉하지 못한 것처럼 거동하므로 출구공기 상태는 입구공기와 ADP 사이에 위치합니다. 이 정도를 나타내는 것이 바이패스 팩터(BF)입니다.

온도를 기준으로 하면 바이패스 팩터는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

BF = (출구공기온도 - ADP) ÷ (입구공기온도 - ADP)

따라서 BF가 작을수록 출구공기 상태가 ADP에 더 가까워져 코일과의 접촉효과가 크고, BF가 클수록 입구공기 상태의 영향을 더 많이 받습니다.

접촉계수(CF, Contact Factor)는 바이패스 팩터와 반대 개념으로 다음 관계가 있습니다.

CF = 1 - BF

같은 직선상의 상태변화에서는 온도뿐 아니라 엔탈피나 절대습도를 이용해서도 같은 형태의 비율식을 적용할 수 있습니다.

그림·공식 정리

냉각·감습

공기를 노점온도 이하로 냉각하면 수증기가 응축되어 건구온도와 절대습도가 함께 낮아진다.

L = G(x₁ − x₂) = ρQ(x₁ − x₂)

qₛ = G Cₚ(t₁ − t₃)

qₗ = rL = G(i₃ − i₂)

qₜ = qₛ + qₗ = G(i₁ − i₂)

바이패스 팩터 BF

냉각코일과 충분히 접촉하지 못하고 코일을 통과한 공기의 비율이다.

BF = (t₃ − t₂)/(t₁ − t₂) = (h₃ − h₂)/(h₁ − h₂) = (x₃ − x₂)/(x₁ − x₂)

콘택트 팩터 CF

냉각코일 표면과 접촉하면서 열과 수분을 실제로 교환한 공기의 비율이다.

CF = (t₁ − t₃)/(t₁ − t₂) = (h₁ − h₃)/(h₁ − h₂) = (x₁ − x₃)/(x₁ − x₂)

BF = 1 − CF · CF = 1 − BF

장치노점온도 ADP

공기조화기의 냉각코일을 통과하는 공기의 상태변화선을 포화곡선까지 연장했을 때 만나는 점의 온도이다.

구분
BF는 코일과 충분히 접촉하지 못한 비율, CF는 코일과 접촉하여 처리된 비율이다.

풀이에 적용하기

냉각코일 입구공기 온도가 30℃, 출구공기 온도가 16℃, 장치노점온도(ADP)가 10℃라고 하겠습니다.

① 바이패스 팩터
BF=(16-10)÷(30-10)

=6÷20=0.30

② 접촉계수
CF=1-BF=1-0.30=0.70

즉 이 조건에서는 공기가 코일과 충분히 열·물질교환한 정도를 접촉계수 0.70으로 해석할 수 있습니다.

이번에는 입구공기 온도 32℃, ADP 8℃, BF=0.25일 때 출구공기 온도를 구해보겠습니다.

BF=(t₂-8)÷(32-8)=0.25

t₂-8=0.25×24=6

따라서 t₂=14℃입니다.

검산하면 (14-8)÷(32-8)=6÷24=0.25로 주어진 BF와 일치합니다.

실기시험에서는 온도 대신 엔탈피를 이용해 BF를 구하거나, 습공기선도에서 입구점과 출구점을 연결하여 ADP를 찾도록 출제될 수 있습니다. 이때는 어떤 상태량을 사용하더라도 입구-ADP 전체거리 중 출구-ADP가 차지하는 비율이라는 개념을 유지하면 식을 기억하기 쉽습니다.

헷갈리는 부분

① BF의 분자와 분모 방향을 바꾸지 마세요.
온도 기준으로는 (출구-ADP) ÷ (입구-ADP)입니다.

② BF가 작을수록 코일 성능이 나쁘다고 생각하면 안 됩니다.
BF가 작다는 것은 출구공기 상태가 ADP에 더 가까워졌다는 뜻이므로 일반적으로 코일과의 접촉효과가 더 큰 상태입니다.

③ 접촉계수와 바이패스 팩터는 같은 값이 아닙니다.
두 값의 관계는 CF=1-BF입니다.

④ 냉각만 일어난다고 생각하지 마세요.
공기가 이슬점 이하로 냉각되면 수분이 응축되므로 냉각과 감습이 동시에 일어날 수 있습니다.

⑤ ADP를 실제 한 지점의 코일표면온도로 단정하지 마세요.
ADP는 냉각·감습 과정을 해석하기 위한 유효 표면온도 개념으로 보는 것이 적절합니다.

⑥ 온도식과 엔탈피식을 섞어 쓰지 마세요.
같은 비율관계는 적용할 수 있지만 한 식 안에서는 같은 종류의 상태량을 사용해야 합니다.