증발압력과 증발온도의 관계
개념과 원리
증발압력은 증발기 내부에서 냉매가 증발할 때의 압력이고, 증발온도는 그 압력에서 냉매가 액체에서 증기로 상변화하는 포화온도를 말합니다. 같은 냉매에서는 포화상태의 압력과 온도가 서로 대응하므로 증발압력이 변하면 증발온도도 함께 변합니다.
일반적으로 같은 냉매에서 증발압력이 낮아지면 증발온도도 낮아지고, 증발압력이 높아지면 증발온도도 높아집니다. 이것은 냉매마다 정해진 압력-포화온도 관계에 따른 것입니다.
냉동장치가 냉각 대상에서 열을 흡수하려면 냉매의 증발온도가 냉각하려는 공기나 물 등의 온도보다 낮아야 합니다. 그래야 온도차에 의해 열이 냉각 대상에서 냉매 쪽으로 이동할 수 있습니다.
그러나 증발온도를 필요 이상으로 낮추면 압축기 흡입압력이 낮아지고 응축측과의 압력차가 커져 압축비가 증가할 수 있습니다. 그 결과 압축일이 증가하고 냉동기의 COP가 저하되는 방향으로 작용할 수 있습니다. 따라서 단순히 “증발온도가 낮을수록 냉동성능이 좋다”고 판단해서는 안 됩니다.
실제 장치에서는 증발기 열부하, 냉매유량, 열교환 상태, 압축기 용량제어 등 여러 요인이 증발압력에 영향을 줍니다. 실기문제에서는 이러한 실제 제어보다 먼저 주어진 냉매의 압력과 포화온도 관계를 정확히 해석하는 것이 핵심입니다.
그림·공식 정리
같은 냉매에서는 증발압력이 낮아지면 포화온도인 증발온도도 낮아지고, 증발압력이 높아지면 증발온도도 높아집니다.
풀이에 적용하기
어떤 냉매의 압력-온도 자료에서 증발압력 A에 대응하는 포화온도가 -5℃이고, 더 낮은 증발압력 B에 대응하는 포화온도가 -15℃라고 하겠습니다.
증발압력이 A에서 B로 낮아지면 증발온도 역시 -5℃ → -15℃로 낮아집니다. 냉각 대상의 온도가 5℃라면 냉매와 냉각 대상 사이의 온도차는 각각 다음과 같습니다.
A 조건: 5-(-5)=10℃
B 조건: 5-(-15)=20℃
B 조건에서는 열교환을 위한 온도차가 더 커지지만, 증발압력이 낮아진 만큼 압축기의 흡입압력도 낮아져 압축비와 압축일이 증가할 수 있습니다. 따라서 실제 냉동장치는 필요한 냉각온도와 에너지효율을 함께 고려하여 적절한 증발조건을 사용합니다.
시험에서 압력이 주어지고 증발온도를 묻는 경우에는 임의로 계산하는 것이 아니라 해당 냉매의 포화표 또는 P-h 선도에서 그 압력에 대응하는 포화온도를 찾아야 합니다.
헷갈리는 부분
① 증발압력과 증발온도는 서로 반대로 움직이지 않습니다.
같은 냉매의 포화상태에서는 증발압력이 낮아지면 포화온도도 낮아지고, 압력이 높아지면 포화온도도 높아집니다.
② 증발온도와 냉장실 온도는 같은 값이 아닙니다.
열이 냉장실 공기에서 냉매로 이동하려면 일반적으로 냉매의 증발온도가 냉각 대상의 온도보다 낮아야 합니다.
③ 증발온도가 낮을수록 무조건 좋은 것은 아닙니다.
지나치게 낮은 증발압력·증발온도는 압축비와 압축일을 증가시켜 COP에 불리하게 작용할 수 있습니다.
④ 압력만 보고 모든 냉매의 온도를 동일하게 판단하면 안 됩니다.
같은 압력이라도 냉매 종류가 다르면 포화온도가 다르므로 반드시 해당 냉매의 압력-온도 자료를 사용해야 합니다.