P-h 선도의 6가지 선
개념과 원리
P-h 선도에는 냉매의 상태를 읽기 위해 여러 종류의 상태선이 함께 표시됩니다. 실기에서 자주 확인하는 대표적인 선은 등압선, 등엔탈피선, 등온선, 등엔트로피선, 등비체적선, 등건도선입니다. 각 선이 무엇이 일정한 상태를 나타내는지 이해하면 선도에서 상태점을 읽거나 냉동사이클을 해석할 때 훨씬 수월합니다.
① 등압선
압력이 일정한 상태를 연결한 선입니다. 일반적인 P-h 선도에서 세로축 자체가 압력축이므로 동일한 압력은 같은 높이에서 읽습니다. 표준 냉동사이클의 증발과 응축은 압력손실을 무시하면 거의 등압과정으로 취급합니다.
② 등엔탈피선
엔탈피가 일정한 상태를 연결한 선입니다. 가로축이 엔탈피이므로 같은 엔탈피는 같은 세로 방향 위치에 놓입니다. 팽창밸브의 교축과정은 대표적인 등엔탈피 과정으로, 표준 문제에서는 h₃=h₄로 계산합니다.
③ 등온선
온도가 같은 상태를 연결한 선입니다. 과열증기 영역에서 냉매의 온도를 읽을 때 중요하며, 냉매 종류와 상태에 따라 선의 기울기와 형태가 달라집니다.
④ 등엔트로피선
엔트로피가 일정한 상태를 연결한 선입니다. 이상적인 압축과정을 해석할 때 사용하며, 표준 냉동사이클에서 압축기 과정은 이상적으로 등엔트로피 압축으로 다루기도 합니다.
⑤ 등비체적선
비체적이 같은 상태를 연결한 선입니다. 압축기 흡입상태의 비체적을 읽어 냉매 체적유량이나 압축기 토출량 관련 계산을 할 때 활용됩니다.
⑥ 등건도선
습증기 영역에서 건도, 즉 전체 질량 중 증기가 차지하는 질량비가 같은 상태를 연결한 선입니다. 포화액선에서는 건도 x=0, 포화증기선에서는 x=1이며 그 사이에서 0<x<1입니다.
이 여섯 가지 선은 단독으로 외우기보다 어떤 물리량이 일정한지, 냉동사이클의 어느 과정이나 계산과 연결되는지를 함께 기억하는 것이 좋습니다.
그림·공식 정리
압축기는 등엔트로피, 팽창밸브는 등엔탈피, 응축기와 증발기는 등압 과정으로 정리한다.
풀이에 적용하기
예를 들어 P-h 선도에서 상태 3의 엔탈피가 255 kJ/kg이고, 팽창밸브를 지난 상태 4를 구한다고 하겠습니다. 팽창밸브는 이상적인 교축과정으로 보므로 등엔탈피선을 따라 이동합니다.
따라서 h₄=h₃=255 kJ/kg입니다.
또한 증발기 출구 상태의 비체적이 0.065 m³/kg이고 냉매 질량유량이 0.20 kg/s라면, 체적유량은 다음과 같습니다.
V̇=ṁv=0.20×0.065=0.013 m³/s
이를 분당 체적유량으로 환산하면 0.013×60=0.78 m³/min입니다. 이처럼 등비체적선에서 읽은 비체적은 냉매의 체적유량 또는 압축기 용량 관련 문제로 연결될 수 있습니다.
습증기 영역의 상태점이 건도 x=0.25인 등건도선 위에 있다면 전체 냉매 질량 중 증기 질량분율이 25%, 액체 질량분율이 75%라는 뜻입니다. 예를 들어 전체 냉매가 8 kg이라면 증기는 8×0.25=2 kg, 액체는 8×0.75=6 kg입니다.
헷갈리는 부분
① 등압선과 등엔탈피선을 혼동하지 마세요.
P-h 선도에서 압력은 세로축, 엔탈피는 가로축입니다. 같은 압력은 같은 높이에서, 같은 엔탈피는 같은 가로축 위치에서 읽습니다.
② 등엔트로피선과 등엔탈피선은 서로 다른 선입니다.
이상적인 압축은 등엔트로피 과정이고, 팽창밸브의 교축은 등엔탈피 과정입니다.
③ 건도는 과열증기 영역이나 과냉액 영역에 적용하는 값이 아닙니다.
건도는 액체와 증기가 함께 존재하는 습증기 영역에서만 의미가 있습니다.
④ 등비체적선은 단순한 부피 자체가 아닙니다.
비체적은 단위 질량당 부피로 단위는 m³/kg입니다. 질량유량을 곱하면 체적유량을 구할 수 있습니다.
⑤ 선의 모양을 기계적으로 외우기보다 선도에 표시된 기호를 확인하세요.
냉매 종류나 선도 제작방식에 따라 보조선의 모양과 간격이 달라질 수 있으므로 실제 시험에서는 선도에 적힌 값과 기호를 기준으로 판독해야 합니다.