P-h 선도 한눈에 보기
개념과 원리
P-h 선도는 냉매의 압력(P)과 엔탈피(h)의 관계를 나타낸 선도로, 냉동사이클의 상태점과 각 과정의 열량·일량을 한눈에 파악하는 데 사용합니다. 일반적으로 세로축은 압력, 가로축은 엔탈피를 나타냅니다.
선도 중앙의 종 모양 영역은 포화영역입니다. 왼쪽 경계는 포화액선, 오른쪽 경계는 포화증기선이며, 두 선 사이에서는 액체와 증기가 함께 존재하는 습증기 상태가 됩니다. 포화액선 왼쪽은 과냉액 영역, 포화증기선 오른쪽은 과열증기 영역입니다.
표준 증기압축 냉동사이클을 P-h 선도에 표시하면 보통 1→2 압축, 2→3 응축, 3→4 팽창, 4→1 증발의 순서로 나타냅니다.
1→2 압축: 저압 냉매증기가 고압 냉매증기로 압축되며 엔탈피가 증가합니다. 이상적인 압축은 등엔트로피 과정으로 취급합니다.
2→3 응축: 고압측에서 냉매가 열을 외부로 방출하며 증기에서 액체로 변합니다. 이상적인 표준사이클에서는 압력손실을 무시하므로 거의 일정한 압력에서 왼쪽 방향으로 진행합니다.
3→4 팽창: 팽창밸브의 교축과정으로 압력이 낮아지며, 표준 계산에서는 h₃=h₄인 등엔탈피 과정으로 봅니다. P-h 선도에서는 같은 엔탈피를 유지하므로 거의 수직 아래 방향으로 표시됩니다.
4→1 증발: 저압측에서 냉매가 냉각 대상의 열을 흡수하며 증발합니다. 압력손실을 무시하면 일정한 저압에서 오른쪽 방향으로 이동합니다.
P-h 선도의 가장 큰 장점은 각 구간의 수평 엔탈피 차를 이용해 냉동효과, 압축일량, 응축기 방열량을 바로 계산할 수 있다는 점입니다.
그림·공식 정리
1분 요약
P-h 선도는 세로축에 절대압력 P, 가로축에 엔탈피 h를 표시한 냉동사이클 전용 선도이다. 선도 위의 돔 모양 경계선을 기준으로 액체, 습증기, 과열증기 구역을 구분한다.
포화액선 왼쪽의 액체 상태
액체와 증기가 함께 존재
포화증기선 오른쪽의 기체 상태
P-h 선도의 세로축은 절대압력, 가로축은 엔탈피이다.
풀이에 적용하기
표준 냉동사이클의 상태점 엔탈피를 h₁=400, h₂=445, h₃=h₄=250 kJ/kg이라고 하겠습니다.
① 냉동효과
qₑ=h₁-h₄=400-250=150 kJ/kg
② 압축일량
w=h₂-h₁=445-400=45 kJ/kg
③ 응축기 방열량
qc=h₂-h₃=445-250=195 kJ/kg
④ 냉동기 COP
COP=150÷45=3.33
검산하면 냉동효과 + 압축일량 = 응축기 방열량이므로 150+45=195 kJ/kg으로 일치합니다.
실기시험에서 P-h 선도를 사용할 때는 먼저 상태점의 위치를 정확히 잡고, 각 상태점의 엔탈피를 읽은 뒤 필요한 두 상태점의 차를 계산합니다. 특히 냉동효과는 증발기 구간, 압축일은 압축기 구간, 방열량은 응축기 구간이라는 연결관계를 먼저 확인하면 부호나 상태번호 실수를 줄일 수 있습니다.
헷갈리는 부분
① P-h 선도에서 압력축과 엔탈피축을 반대로 보지 마세요.
일반적인 P-h 선도는 세로축이 압력, 가로축이 엔탈피입니다.
② 팽창과정은 등온이나 등압과정이 아닙니다.
표준 냉동사이클의 팽창밸브는 교축과정으로 보고 엔탈피 일정(h₃=h₄)으로 계산합니다.
③ 포화액선과 포화증기선을 구분하세요.
종 모양 포화영역의 왼쪽 경계가 포화액선, 오른쪽 경계가 포화증기선입니다. 두 선 사이가 습증기 영역입니다.
④ 상태번호 자체보다 기기의 입구와 출구를 먼저 확인하세요.
교재나 문제에 따라 번호를 다르게 붙일 수 있으므로 ‘1번이면 무조건 압축기 입구’처럼 외우면 다른 표기방식에서 혼동할 수 있습니다.
⑤ P-h 선도에서 읽은 값은 작도·눈금에 따라 약간의 차이가 날 수 있습니다.
시험에서는 선도 눈금을 가능한 정확히 읽고, 문제에서 별도의 조건이나 오차범위를 제시하면 그 기준을 따릅니다.