냉동기

hohoi·2024년 6월 19일

열공학실험

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슬라이드 2: Thermodynamics vs. Heat Transfer

*열역학(Thermodynamics):
1. 열과 일의 정적 상태 시스템 (열역학적 평형)
2. 내부 에너지, 엔탈피, 엔트로피의 변화
3. 열의 시작과 끝 상태만 결정
*열전달(Heat transfer):
1. 열이 어떻게 전달되는지 (전도, 대류, 복사)
1. 정적 또는 비정적 열전달 속도
2. 국부 제어 부피와 인접 매질 요소 간의 열 전달

슬라이드 3: Zeroth law of thermodynamics

*열역학 제0법칙: 온도 정의 가능
"두 시스템이 세 번째 시스템과 각각 열적 평형을 이루고 있다면, 두 시스템도 서로 열적 평형 상태에 있다."
*온도: 뜨겁거나 차가운 감각을 정량적으로 나타냄
- 절대 온도(K): T [K] = T [°C] + 273.15
- 섭씨 온도(°C): 물 0~100 °C
- 화씨 온도(°F): 물 32~212 °F, T [°F] = 1.8T [°C] + 32

슬라이드 4: Pressure

*압력(Pressure): 물체 표면에 수직으로 가해지는 단위 면적당 힘의 크기
- P [Pa] = F [N] / A [m²], 1 Pa = 1 N/m² = 1 J/m³
- *절대 압력: 완전 진공에서 측정된 압력 ( 완전한 진공상태에서의 압력을 0으로 보고, 그 위에 추가되는 압력)
- *게이지 압력: 주변 대기압과의 관계( 대기압이 1기압(약 100 kPa)이라고 할 때, 그 이상의 압력은 양(+)의 게이지 압력, 그 이하의 압력은 음(-)의 게이지 압력)
- 1 atm = 101,325 Paabs = 101.325 kPaabs = 0 Pag
- *Pressure (Vector) ⊂ Stress (Tensor)

슬라이드 5: Enthalpy

*엔탈피(Enthalpy): 내부 에너지와 압력 및 온도의 함수 h = f (P, T)
- unit : kJ or kJ/kg (specific)
- h = u + Pv (또는 P/ρ)
- Δh = Δu + PΔv (또는 P/Δρ)

슬라이드 6: Sensible & latent heat

*현열(Sensible heat): 온도 변화, q_Sensible = mcΔT
- Cp=4.19kJ/kg K (water, 100°C @ 1 atm)
*잠열(Latent heat): 상변화에 필요한 열량, hfg = hg,sat(포화증기) - hf,sat(포화액)

슬라이드 7: Saturation

*포화 온도(Tsat): 주어진 압력에서 물질이 끓을 수 있는 온도
*포화 압력(Psat): 주어진 온도에서 물질이 끓을 수 있는 압력
물은 100도씨에서 끓나? (x)
-> 기압에 따라 끓는점이 달라져서
상변화는 항상 뜨거운건가? (x)
-> 0.01기압에서 물은 7도씨에서 끓어

슬라이드 8: P-h, T-s diagram

P-h, T-s 다이어그램: 압력-엔탈피, 온도-엔트로피 다이어그램

슬라이드 9: Vapor-Compression Refrigeration System (VCRS)

증기 압축 냉동 시스템(VCRS): 주요 구성 요소는 냉매와 AHRI 표준을 따름

슬라이드 10-11: VCRS core components

핵심 구성 요소: 압축기, 응축기, 증발기, 팽창 밸브 등
pivotal components : Refrigerant (R-134a, R-22...)

슬라이드 12-13: Throttling

*스로틀링(팽창) [3 -> 4]: 압력 강하와 부분적인 상변화로 인한 냉각
1. 액체 냉매의 급격한 팽창(압력 강하)은 부분적인 상변화 및 냉각을 일으킵니다
2. 외부work 없음
3. 스로틀링 프로세스는 자연적으로 압축성 유체이며 비가역적이며 단열과정입니다
4. 열역학 제1법칙 (느린 속도가 마찰을 일으키고, 열로 변환 유체의 내부 에너지 내에서 흡수되는 에너지) → 엔탈피유지(Isenthalpic) 과정!
5. 열전달에 따른 줄톰슨 효과

참고) 냉매는 압축성 있는 유체이므로, 압력 변화에 따라 부피와 밀도가 크게 변화합니다. 스로틀링 과정에서 압력이 감소하면 냉매의 부피가 증가하고 밀도가 감소합니다.
온도 감소 이유:
- 스로틀링 과정에서는 압력이 감소하게 됩니다. 압력이 낮아지면 액체 냉매의 끓는점 온도가 낮아지게 되어 온도가 감소하게 됩니다. 이는 냉매의 상태방정식에 따른 열역학적 특성 때문입니다.
액체와 증기의 공존 이유:
- 스로틀링 과정에서 압력이 감소하면 액체 냉매의 일부가 기화되어 액체-증기 혼합물 상태가 됩니다. 이는 냉매의 상변화 특성 때문이며, 이를 통해 냉매의 엔탈피가 감소하게 됩니다.
등엔탈피 과정으로 가정하는 이유:
- 스로틀링 과정은 단열 과정이며, 유속이 매우 느리기 때문에 마찰 손실을 무시할 수 있습니다. 따라서 엔탈피가 일정하게 유지되는 등엔탈피 과정으로 가정할 수 있습니다.

슬라이드 14: Actual VCRS

*실제 VCRS: 모든 과정에서 압력 강하, 과냉 및 과열
- *과냉(Subcooling) T_sub: 스로틀링 중 국부적인 증발 최소화
  - 과냉각은 응축기 출구에서 냉매의 온도가 응축온도보다 더 낮아지는 현상을 말합니다. 과냉각이 발생하면 냉매가 팽창 밸브를 통과할 때 국부적인 기화가 억제됩니다.
- *과열(Superheating) T_super: 액체가 압축기로 들어가는 것을 방지
  - 과열은 증발기 출구에서 냉매의 온도가 증발온도보다 더 높아지는 현상을 말합니다.

슬라이드 15: Performance

성능 지표: 냉동 성능, 응축 성능, COP(성능 계수) 등
기억해!!!!
- s1 = s2(압축과정에서 엔트로피 불변) , h3 = h4
- q_L = h1 - h4 (증발기에서 흡수한 열량)
- q_H = h2 - h4 (응축기에서 방출한 열량)
- w_in = h2 - h1
- *if, h3(supercooled)=hf(sat) : 냉매가 과냉각되더라도 엔탈피 값은 변화가 없기 때문에 포화 액체 상태의 물성을 그대로 사용할 수 있습니다.
- 건도 x : h4-hf,4 / hfg,4
- COP는 냉동기가 얻어낸 냉각 능력(냉각 용량)과 냉동기에 공급된 동력(전력 소비량) 사이의 비율로 정의됩니다.
  (즉, COP = 냉각 용량Q_L / 전력 소비량W_in)
  ex) 이해를 돕기 위해 예를 들면 다음과 같습니다:
  냉동기의 냉각 용량이 1000W이고, 전력 소비량이 300W라면,
  COP = 1000W / 300W = 3.33
  이 말은 냉동기가 1W의 전력을 사용하여 3.33W의 냉각 능력을 얻어낸다는 뜻입니다.
- COP_R = Q_L/W_in = q_L/w_in = q_L/q_H-q_L = h1-h4 / h2-h1
  1-2 압축(Compressor) 과정: 압축기에서 저압의 기체 냉매가 고압의 기체 냉매로 압축됩니다.
  2-3 응축(Condenser) 과정: 고압 고온의 기체 냉매가 응축기에서 액체 냉매로 응축됩니다.
  3-4 팽창(Expansion) 과정: 팽창 밸브에서 고압 액체 냉매가 저압 액체 냉매로 팽창됩니다.
  4-1 증발(Evaporator) 과정: 저압 저온의 액체 냉매가 증발기에서 기체 냉매로 증발하면서 주변의 열을 흡수합니다.

슬라이드 16-18: Experimental setup

실험 장치: 압축기, 응축기, 수신기, 팽창 밸브, 증발기 등
실험 조건: 다양한 팬 속도와 개방 상태에서의 설정 온도
냉동기 문 열기 및 증발기 팬 속도 변화 시 온도 변화
문을 열면: 외부 공기 유입으로 냉장고 내부 온도 상승, 압축기 부하 및 전력 소비 증가
증발기 팬 속도 낮출 경우: 냉각 효율 감소, 냉장고 내부 온도 상승
증발기 팬 속도 높일 경우: 냉각 효율 증가, 냉장고 내부 온도 하강