증기압축 냉동사이클
개념과 원리
증기압축 냉동사이클은 압축기·응축기·팽창장치·증발기를 기본 구성으로 하는 가장 대표적인 냉동사이클입니다.
1→2 압축: 저압 냉매증기를 압축하여 고압·고온 상태로 만듭니다. 이상적인 표준사이클에서는 등엔트로피 압축을 가정합니다.
2→3 응축: 냉매가 고압에서 열을 방출하여 액체로 응축합니다.
3→4 팽창: 팽창밸브에서 압력이 낮아지며 일반적으로 등엔탈피 과정(h₃=h₄)으로 취급합니다.
4→1 증발: 저압 냉매가 냉각대상에서 열을 흡수하면서 증발합니다.
냉동효과는 h₁-h₄, 압축일은 h₂-h₁, 응축기 방열량은 h₂-h₃이며 에너지수지상 qc=qe+w가 성립합니다.
그림·공식 정리
냉매는 압축기 → 응축기 → 팽창장치 → 증발기를 순환하면서 저온부의 열을 고온부로 이동시킨다.
① 압축저압의 냉매증기를 고압·고온의 과열증기로 만든다.
② 응축고압 상태에서 열을 방출하여 증기를 액체로 바꾼다.
③ 팽창냉매액의 압력과 온도를 낮춘다. 엔탈피는 거의 일정하다.
④ 증발저압에서 주변 열을 흡수하며 냉매가 증발한다.
| 과정 | 압력 | 온도 | 엔탈피 | 핵심 |
|---|---|---|---|---|
| 1→2 압축 | 상승 | 상승 | 증가 | 이론상 엔트로피 일정 |
| 2→3 응축 | 일정 | 감소 | 감소 | 열 방출 |
| 3→4 팽창 | 감소 | 감소 | 일정 | 플래시가스 발생 |
| 4→1 증발 | 일정 | 거의 일정 | 증가 | 열 흡수 |
풀이에 적용하기
h₁=395, h₂=445, h₃=h₄=245 kJ/kg인 사이클을 가정하겠습니다.
냉동효과 qe=395-245=150 kJ/kg
압축일 w=445-395=50 kJ/kg
응축기 방열량 qc=445-245=200 kJ/kg
COP=150÷50=3.0
검산하면 150+50=200 kJ/kg으로 에너지수지가 일치합니다.
헷갈리는 부분
① 팽창과정을 등압 또는 등온으로 보지 마세요.
일반적인 팽창밸브는 등엔탈피로 취급합니다.
② 냉동효과와 압축일의 엔탈피 차를 바꾸지 마세요.
③ 응축기 방열량은 냉동효과보다 압축일만큼 큽니다.
④ 실제 사이클은 압력손실·비가역 압축 등으로 표준사이클과 차이가 있습니다.