수증기와 습공기의 엔탈피

개념과 원리

습공기는 건공기와 수증기의 혼합물입니다. 공조에서는 공기의 온도뿐 아니라 포함된 수증기의 양도 열량에 영향을 주므로 엔탈피를 이용하면 현열과 잠열을 함께 다룰 수 있습니다.

습공기의 엔탈피는 보통 건공기 1 kg을 기준으로 나타내며 단위는 kJ/kg(DA)를 사용합니다. 실기에서 자주 사용하는 근사식은 다음과 같습니다.

h = 1.006t + x(2501 + 1.86t)

여기서 t는 건구온도(℃), x는 절대습도(kg/kg(DA))입니다. 교재나 문제에 따라 1.005, 1.88, 2500 등 약간 다른 상수를 사용할 수 있으므로 문제에서 상수를 제시했다면 그 값을 우선해야 합니다.

첫 번째 항 1.006t는 건공기가 가진 현열에 해당하고, 두 번째 항 x(2501+1.86t)는 수증기가 가진 잠열과 수증기의 현열을 포함합니다.

따라서 같은 건구온도라도 절대습도가 높으면 엔탈피가 커집니다. 냉각·감습 과정에서 코일 전후의 엔탈피 차를 이용하면 공기에서 제거된 전체 열량을 계산할 수 있습니다.

습공기선도에서는 건구온도와 상대습도, 절대습도 등의 상태값을 이용해 엔탈피를 읽을 수 있으므로 계산식과 선도 해석을 함께 익혀두는 것이 좋습니다.

h_a = C_pat ≒ 1.01t [kJ/kg]

C_pa: 건공기 정압비열, t: 건구온도(℃)

0℃의 물이 수증기로 변하는 데 필요한 잠열과 수증기의 현열을 합한 값이다.

h_wa = 2501 + 1.85t [kJ/kg]

h = h_a + xh_wa

h = 1.01t + x(2501 + 1.85t) [kJ/kg′]

x: 절대습도(kg/kg′), t: 건구온도(℃)

시험 암기
건공기 엔탈피: 1.01t
수증기 엔탈피: 2501 + 1.85t
습공기 엔탈피: 1.01t + x(2501 + 1.85t)

건구온도 25℃, 절대습도 0.010 kg/kg(DA)인 습공기의 엔탈피를 구해보겠습니다.

원식
h = 1.006t + x(2501 + 1.86t)

대입
h = 1.006×25 + 0.010×(2501 + 1.86×25)

계산
h = 25.15 + 25.475 = 50.625 kJ/kg(DA)

따라서 엔탈피는 약 50.63 kJ/kg(DA)입니다.

만약 이 공기가 냉각코일을 지나 40 kJ/kg(DA)까지 내려가고 건공기 질량유량이 1.5 kg/s라면 코일의 제거열량은 1.5×(50.625-40)=약 15.94 kW입니다.

① 절대습도 x의 단위를 확인하세요.
10 g/kg(DA)는 식에 그대로 10을 넣는 것이 아니라 0.010 kg/kg(DA)로 환산해야 합니다.

② 엔탈피의 기준은 보통 건공기 1 kg입니다.
습공기 전체 질량 1 kg 기준으로 착각하지 않도록 주의하세요.

③ 온도만으로 엔탈피를 판단하지 마세요.
수증기량이 달라지면 같은 건구온도에서도 엔탈피가 달라집니다.

④ 상수값을 임의로 바꾸지 마세요.
문제에서 비열이나 증발잠열 값을 지정하면 해당 값을 사용해야 채점 오차를 줄일 수 있습니다.

⑤ 냉각·감습 코일 열량은 엔탈피 차가 편리합니다.
현열과 잠열을 따로 구한 뒤 더할 수도 있지만, 상태점 엔탈피가 주어진 경우에는 질량유량×엔탈피 차로 바로 계산할 수 있습니다.