냉동사이클의 흐름
개념과 원리
냉동사이클은 냉매가 압축 → 응축 → 팽창 → 증발의 네 과정을 반복하면서 저온부의 열을 고온부로 이동시키는 순환과정입니다. 사이클은 닫힌 순환이므로 어느 기기부터 설명해도 결국 같은 흐름으로 연결되지만, 계산에서는 상태번호를 일정하게 정해 사용하는 것이 중요합니다.
압축기 입구를 상태 1로 정하면 1→2 압축, 2→3 응축, 3→4 팽창, 4→1 증발로 나타낼 수 있습니다.
① 1→2 압축: 증발기에서 나온 저압 냉매증기가 압축기로 들어가 고압·고온의 증기가 됩니다. 이 과정에는 외부에서 압축일이 공급됩니다.
② 2→3 응축: 고온·고압 냉매가 응축기에서 외기 또는 냉각수에 열을 방출하면서 액체로 변합니다. 압력은 이상적인 표준사이클에서는 거의 일정하다고 봅니다.
③ 3→4 팽창: 고압의 액냉매가 팽창장치를 지나면서 압력이 급격히 낮아지고 일부가 증발하여 저온의 액·증기 혼합상태가 됩니다. 표준적인 교축과정에서는 h₃=h₄로 봅니다.
④ 4→1 증발: 저온·저압 냉매가 증발기에서 냉각 대상의 열을 흡수하면서 증발합니다. 이때 흡수한 열이 냉동효과입니다.
이상적인 표준 냉동사이클에서는 응축기와 증발기의 압력손실을 무시하고, 압축은 이상적으로 이루어진다고 가정합니다. 실제 장치에서는 압축기 효율과 배관·열교환기의 압력손실 때문에 이상적인 사이클과 차이가 생깁니다.
그림·공식 정리
냉동사이클은 냉매가 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기를 차례로 지나며 열을 실내에서 실외로 옮기는 반복 과정입니다.
풀이에 적용하기
상태값을 먼저 기기에 연결합니다. h₁=405, h₂=450, h₃=h₄=255 kJ/kg이고 냉매유량이 0.10 kg/s라고 가정합니다.
증발기에서의 냉동효과는 h₁-h₄=405-255=150 kJ/kg이므로 냉동능력은 Q̇e=0.10×150=15 kW입니다.
압축기 일량은 h₂-h₁=450-405=45 kJ/kg이므로 압축동력은 Ẇ=0.10×45=4.5 kW입니다.
응축기 방열량은 h₂-h₃=450-255=195 kJ/kg이므로 Q̇c=0.10×195=19.5 kW입니다.
마지막으로 냉동능력 + 압축동력 = 응축기 방열량을 적용하면 15+4.5=19.5 kW가 되어 계산 결과를 검산할 수 있습니다.
실기시험에서는 상태점의 엔탈피를 P-h 선도나 조건에서 읽은 뒤 각 기기의 입구와 출구를 정확히 연결하는 것이 핵심입니다. 공식을 외우기보다 어느 기기에서 열을 흡수하고, 일을 받고, 열을 방출하는지를 먼저 판단하면 엔탈피 차의 방향을 실수할 가능성이 줄어듭니다.
헷갈리는 부분
① 상태번호 자체를 외우지 마세요.
문제나 교재에 따라 상태번호가 달라질 수 있습니다. 압축기·응축기·팽창장치·증발기의 입구와 출구를 먼저 확인해야 합니다.
② 팽창과정에서 엔탈피가 감소한다고 생각하기 쉽습니다.
표준 냉동사이클의 팽창밸브는 교축과정으로 보고 보통 입구와 출구의 엔탈피가 같다(h₃=h₄)고 계산합니다. 압력과 온도는 낮아지지만 이것을 곧바로 엔탈피 감소로 판단하면 안 됩니다.
③ 표준사이클과 실제 운전을 구분하세요.
실제 압축은 완전한 이상압축이 아니며 배관과 열교환기에서도 압력손실이 발생합니다. 시험에서 표준사이클 조건이 주어졌다면 문제의 가정을 우선 적용해야 합니다.