과열도와 과냉도란?
개념과 원리
과열도(Superheat)는 같은 압력에서 냉매증기의 실제 온도가 포화온도보다 얼마나 높은지를 나타내는 값이고, 과냉도(Subcooling)는 액냉매의 실제 온도가 같은 압력의 포화온도보다 얼마나 낮은지를 나타내는 값입니다.
과열도 = 실제 증기온도 − 해당 압력의 포화온도
과냉도 = 해당 압력의 포화온도 − 실제 액온도
증발기에서 냉매는 열을 흡수하면서 액체에서 증기로 변합니다. 포화증기가 된 뒤에도 열을 더 받으면 온도가 포화온도보다 높아져 과열증기가 됩니다. 적절한 과열도는 압축기로 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 데 중요합니다.
응축기에서는 냉매증기가 열을 방출하면서 액체로 변합니다. 포화액이 된 뒤에도 열을 더 방출하여 액체 온도가 포화온도보다 낮아지면 과냉액이 됩니다. 과냉은 팽창장치 입구까지 액냉매 상태를 안정적으로 유지하고 팽창 전 플래시가스 발생 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
P-h 선도에서는 일반적으로 포화증기선 오른쪽이 과열영역이고, 포화액선 왼쪽이 과냉영역입니다. 따라서 과열도와 과냉도를 이해하면 냉동사이클의 상태점이 포화선과 어떤 관계에 있는지 판단하기 쉬워집니다.
그림·공식 정리
과열도는 냉매증기의 실제 온도가 증발온도보다 높은 정도이고, 과냉도는 액 냉매의 실제 온도가 응축온도보다 낮은 정도입니다.
풀이에 적용하기
예 1 — 과열도
증발압력에 대응하는 포화온도가 -8℃이고 압축기 흡입 냉매온도가 4℃라면:
과열도 = 4 - (-8) = 12℃
즉 냉매증기는 해당 압력의 포화온도보다 12℃ 높은 과열상태입니다.
예 2 — 과냉도
응축압력에 대응하는 포화온도가 42℃이고 응축기 출구 액냉매온도가 35℃라면:
과냉도 = 42 - 35 = 7℃
즉 액냉매는 해당 압력의 포화온도보다 7℃ 낮은 과냉상태입니다.
실기문제에서는 압력과 온도가 함께 주어지고 냉매의 포화온도를 표나 선도에서 찾아 과열도 또는 과냉도를 계산하는 형태가 나올 수 있습니다. 핵심은 현재 압력에 대응하는 포화온도와 실제 냉매온도를 비교하는 것입니다.
헷갈리는 부분
① 과열도와 과냉도의 뺄셈 방향이 반대입니다.
과열도는 실제 증기온도에서 포화온도를 빼고, 과냉도는 포화온도에서 실제 액온도를 뺍니다.
② 포화온도는 냉매 종류와 압력에 따라 달라집니다.
온도만 보고 과열·과냉 여부를 판단할 수 없으며, 같은 냉매라도 압력이 달라지면 포화온도가 달라집니다.
③ 과열도가 크다고 무조건 좋은 것은 아닙니다.
적절한 과열은 액냉매의 압축기 유입을 방지하는 데 필요하지만, 지나친 과열은 흡입가스 온도와 토출온도를 높이고 냉동성능에 불리할 수 있습니다.
④ 과냉도 역시 단순히 클수록 좋다고 볼 수 없습니다.
과냉은 팽창장치 입구의 액상 냉매를 안정시키는 데 유리하지만 실제 시스템의 적정값은 장치 설계와 운전조건에 따라 달라집니다.