Transcript refrigeration basic

냉동 기초 이론
주식회사 케이티이엔지
한국 열냉동 기술연구소
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1. 압 력(Pressure)
(1). 압력(Pressure)
: 단위 면적당 유체에 가해지는 힘
F
P = ____
A kgf/cm²
F : 힘,
압력(Pressure) – 기체, 액체
응력(Stress) - 고체
A : 면적
1. 압 력(Pressure)
(2) 표준대기압
: 지구중력이 g=9.807m/s²인 0 ˚C 해수면에서
수은주의 760mm에 해당하는 압력
(3) 게이지압력
: 대기압의 상태의 눈금을 0으로
보정해서 측정한 압력
1. 압 력(Pressure)
(4) 절대압력
: 완전진공의 상태를 0으로 기준하여 측정한 압력
절대압력 = 대기압 + 게이지 압력
절대압력 = 대기압 – 진공 압력
진공압력 = 대기압 – 절대압력
(5) 진공압력
: 대기압 이하의 압력
1. 압 력(Pressure)
(6) 압력의 단위
① 표준대기압 1 atm =
=
=
=
=
=
=
=
760mmHg(수은주)
1.0332kgf/cm²
10332kgf/m²
10.332mAq = mH20
1.01325bar
1013.25mbar(미리바)
101325Pa(=N/m²)
14.696PSI(lb/in²)
1. 압 력(Pressure)
② 공학기압 1ata = 1kgf/cm²
= 735.6mmHg
= 10,000kgf/m²
1bar = 105Pa
1kPa = 103Pa
1MPa = 106Pa
1Gpa = 109Pa
2. 온
도
(1) 온 도
: 물질의 온도는 물질을 구성하는 분자의 운동에너지 즉, 물
질이 보유한 열의 정도를 나타내는 것
(2) 섭씨온도(˚C )
: 대기압 하에서 물의 빙점(0 ˚C )과
비등점(100 ˚C )을 100등분 한 것
5 (˚F – 32)
˚C = --9
2. 온
도
(3) 화씨온도(˚F )
: 대기압 하에서 물의 빙점(32 ˚F)과 비등점(212 ˚F)을
180등분 한 것
9
˚F = --- ˚C + 32
5
(4) 절대온도 : 기체의 분자운동이 정지되어 있는 점(기체
의 압력 0)을 기준으로 그때의 온도인 -273.15 ˚C(또
는 -459.67˚F)
절대온도 K = ˚C + 273.15
절대온도 R = ˚F + 459.67
3. 열 량
(1) 비 열
: 물질의 단위 질량을 단위온도 올리는데 필요한 열량 (kcal/kg·˚C)
(2) 15˚C kcal : 순수한 물 1kg의 온도를 표준대기압 하에서 14.5˚C에서 15.5˚C까지
올리는데 필요한 열량
(3) 평균 kcal : 순수한 물 1kg을 표준대기압 하에서 0˚C부터 100˚C까지 올리는데 필
요한 열량의 1/100
(4) 국제 kcal : 국제도량형 회의에서 cal는 가급적 사용하지 않지만 1kcal에 상당하
는 Joule의 값을 부가한 것
1cal = 4.187J
1kcal = 4187J = 427kgf·m
1kgf·m = 9.8J
(5) 1Btu : 순수한 물 1 1b의 온도를 61.5˚F에서 62.5˚F까지 1˚F 올리는데 필요한 열
량 1Btu = 0.252kcal = 1054.9J
4. 물질의 3태
증발
액 체
융해
증발
응고
물의 증발잠열 : 539kcal/kg
얼음의 융해잠열 : 79.68kcal/kg
응축
0˚C 물의 증발잠열 : 579.3kcal/kg
고 체
승화
기 체
4. 현열(감열) 과 잠열
(1) 현 열(감열)
: 물질의 상태는 변화하지 않고, 온도를 변화시키는
데 필요한 열량 (압축기, 동관)
Q = G ·C ·ᇫt
Q = 열량(kcal),
C = 비열(kcal/kg·˚C),
G : 질량(kg)
ᇫt : 온도차(˚C)
물의 비열 : 1 kcal/kg·˚C,
얼음의 비열 : 0.5 kcal/kg·˚C
공기의 비열 0.24 kcal/kg·˚C, 수증기의 비열 0.441 kcal/kg·˚C
4. 현열(감열) 과 잠열
(2) 잠 열
: 물질의 온도는 변화하지 않고,
상태를 변화시키는데 필요한 열량
(응축기와 증발기에서 발생)
응축기
Q=G·R
Q : 열량(kcal),
G : 질량(kg),
얼음의 융해잠열 : 79.68kcal/kg,
물의 증발잠열 : 539kcal/kg
R : 잠열(kcal/kg)
증발기
4. 현열(감열) 과 잠열
(3) 상태변화를 포함한 물질의 열량 계산
전열량(kcal) = 현열량 + 잠열량
= (G ·C ·ᇫt) + (G ·R)
4. 현열(감열) 과 잠열
예제
: 100˚C 수증기 10kg을 대기압 하에서 -10˚C의 얼음으로 만들려면 얼마의 열량을 제거하여야 하는가? 대기압
하에서 물의 증발잠열은 539kcal/kg, 얼음의 융해열은 80kcal/kg, 얼음의 비열은 0.5kcal/kg·˚C이다.
(풀이) ① 100˚C
수증기를 100˚C 물로 변화 (상태변화)
Q1 = G · R = 10 x 539 = 5390kcal
② 100˚C
물을 0˚C 물로 변화(온도변화)
Q2 = G · C · ᇫt = 10 x 1 x 100 = 1000kcal
③ 0˚C
물을 0˚C 얼음으로 변화(상태변화)
Q3 = G · R = 10 x 80 = 800kcal
④ 0˚C
얼음을 -10˚C 얼음으로 변화(온도변화)
Q4 = G · C · ᇫt = 10 x 0.5 x 10 = 50kcal
전열량 Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 5390 + 1000 + 800 + 50 = 7240 kcal
5. 이상기체의 상태방정식
(1)
보일의 법칙(Boyle’s law) : 등온법칙
: 온도가 일정할 때 비체적과 압력은 반비례
한다.
P
P1
T = 일정,
1(P1, v1)
Pv= 일정
2(P2, v2)
P2
v1
v2
v
P1v1 = P2v2
5. 이상기체의 상태방정식
(1)
샤를의 법칙(Charle’s law) : 등압법칙
: 압력이 일정할 때 비체적은 절대온도에 비
례한다.
T
2
T2
T1
P = 일정
v
-- = 일정
T
1
v1
v2
v
v1 v2
-- = -T1 T2
5. 이상기체의 상태방정식
(3) 이상기체의 상태방정식
: 기체의 체적은 압력에 반비례하고 절대온도
에 비례한다.
P1v1
P2v2
---- = ---T1
T2
Pv = GRT
R : 가스상수(kg · m/kg · K)
6. 엔탈피와 엔트로피
(1)
엔탈피
: 어떤 물체가 갖는 단위중량당의 열에너지
(kcal/kg)
(2) 엔트로피
: 단위중량의 물체가 일정온도하에서 얻은
열량을 그 절대온도로 나눈 값
(kcal/kg·K)
7. 냉동능력
(1) 냉동능력
: 단위 시간에 증발기에서 흡수하는 열량
(2) 1냉동톤(RT)
① 0˚C의 물 1ton을 24시간에 0˚C의 얼음으로 만드는 데 제거
할 열량
② 1RT = 79680kcal/24h = 3320kcal/h
(3) 1USRT(미국RT)
① 32˚F의 물 1ton(2000 1b) 을 24시간에 32˚F의 얼음으로 만
드는 데 제거할 열량
② 1USRT = 288000 Btu/24h = 12000 Btu/h = 3024 kcal/h
8. 냉동효과(냉동력, 냉동량)
(1) 냉동효과
: 냉매 1kg이 증발기에서 흡수해 내는 열량
을 냉동력(kcal/kg)
(2) 압축기 흡입가스의 엔탈피 – 팽창밸브 직전
의 엔탈피
9. 압축기
(1) 우리 몸의 심장역할을 함
(2) 증발이 쉽게 이루어지도록 증발된 저온·
저압의 냉매증기를 흡입하는 펌프의 역할
(3) 흡수된 저온 · 저압의 증기를 쉽게 응축될
수 있도록 고온 · 고압의 증기로 압축하
는 역할
(4) 압축의 힘으로 냉매를 냉동기 내에
순환시키는 역할
10. 응축기
(1) 압축기에서 고온 ·고압이 된 냉매가스를
냉각시켜 액체냉매로 만드는 것
(2) 응축기에서 주입된 냉매가스로부터
방출되는 열량은 증발기 내에서 흡입한
냉동능력과 압축공정의 압축일에
상당하는 열량의 합이며, 응축기는
이 열을 물 또는 공기와 열 전달하여
외부에 방열
11. 팽창밸브
(1) 냉매의 압력강하와 증발기 내 냉매량을 조절
(2) 응축기 내 고온·고압의 액체를 좁은 통로를 통
해서 팽창시켜 낮은 압력과 낮은 온도를 갖는
냉매액과 증기의 혼합매체를 증발기에 공급
하는 것으로 압력조절을 함
(3) 증발기 내 냉매량 조절은 냉동부하에 따라 냉매
량의 주입이 조절됨으로서 압축기 내에 냉매
액의 유입을 방지하고 냉동시스템의 균형을
이루게 함
11. 팽창밸브
11. 팽창밸브
(4) 팽창밸브의 원리
① 유체가 노즐이나 오리피스와 같이 유로의 단면적이 갑자기 좁아진 단면을 통과할 때에는
외부와 열량이나 일량의 교환이 없이 압력이 감소한다.(교축현상)
② 유체가 유동 중에 교축되면 액체의 마찰이 더욱 커지고 와류와 난류현상이 일어나며 압력
의 감소와 더불어 유체의 속도도 감소하는 데 이 때 감소되는 속도에너지는 열에너지로 바
뀌어 다시 유체로 회수되므로 엔탈피는 원상태로 복귀되어 교축 전후의 엔탈피가 같아지는
등엔탈피과정이 된다.
③ 액체의 경우는 교축되어 압력이 내려가 액체의 포화압력보다 낮아지면 액체의 일부가 증발
하며 증발에 필요한 열은 액체 자신으로부터 흡수하므로 액체의 온도도 감소하고 또 증발
된 기체가 액체와 혼합되므로 습증기로 된다.
④ 습증기의 건조도는 교축에 의한 압력의 강하가 클수록 증가하며 압력강하가 작을 수록 건조
도도 작아진다.
⑤ 증발기로 유입되는 냉매는 건조도가 작을수록 좋지만, 이렇게 되면 냉동장치에서 요구되는
온도를 얻을 수 없다. 따라서 냉매액의 건조도를 감소시킬 목적으로응축기에서 과냉각을
시키거나 액분리기를 이용한다.
12. 증발기
(1) 팽창밸브를 통과한 저온 · 저압의 습
증기(액체+증기)를 피냉각물에서
흡수하여 증기상태로 만들어 주는
것
(2) 냉동장치의 목적인 물질의 냉각작용
을 위하여 냉매가 증발하며 열을
흡수하는부분 임.
(3) 유입된 습증기는 피냉각물로부터 관
벽을 통하여 열을 흡수하여 증기상
태로 되어 압축기로 흡입된다.
13. 몰리에르 선도의 구성
13. 몰리에르 선도의 구성
13. 몰리에르 선도의 구성
13. 몰리에르 선도의 구성
13. 몰리에르 선도의 구성
13. 몰리에르 선도의 구성
14. 몰리에르 선도와 냉동사이클
펌프다운(Pump down)과 펌프아웃(Pump out)
펌프다운 : 저압측을 수리하기 위해서 저압측의 냉매를
고압측(응축기, 고압 수액기)으로 옮기는 작업
펌프아웃: 고압측의 냉매 누설이나 이상 발생시 고압측
을 수리하기 위해서 고압측 냉매를 저압측(저압 수액
기, 증발기)으로 옮기는 작업
15. 시퀀스제어
(1)
시퀀스 제어(Sequence Control)
: 미리 정해놓은 순서와 조건에 따라 제어의
각 단 계를 순차적으로 전행하는 제어
: 다음 단계에서 행해야 할 제어 동작이 미리 정해
져 있어서 전 단계에서의 제어 동작을 완료한 뒤에,
또는 동작 후 일정한 시간 경과한 다음에 다음의 동
작으로 이행할 경우나, 제어 결과에 따라서 다음에
행해야 할 동작을 선정해서 다음 단계로 이행하는
제어
시퀀스 제어의 특징
① 입력 신호에서 출력 신호까지 정해진 순서에
따라 일방적으로 제어 명령이 정해진다.
② 어떠한 조건을 만족하여도 제어 신호가 전달
되어진다.
③ 제어 결과에 따라 조작이 자동적으로 이행한
다.
접점(일반) 또는 수동조작
a 접점(NO) : 평시에 열려 있는 접점
(arbitration contact)
(Normally Opened Contact)
b 접점(NC) : 평시에 닫혀 있는 접점
(break contact)
(Normally Closed Contact)
c 접점 : 평시에 닫혀 있는 접점
(change-over contact)
접점(일반) 또는 수동조작
C 접점 : 평시에 닫혀 있는 접점
(change-over contact)
수동조작 자동 복귀 접점
손을 떼면 복귀하는 접점이며, 누름형,
당김형, 비틈형으로 공통이며,
버튼 스위치, 조작 스위치 등의 접점에
사용된다.
여자(ON), 소자(OFF)
기계적 접점
리밋 스위치와 같이 접점의 개
폐가 전기적 이외의 원인에 의
하여 이루어지는 것에 사용된다.
조작 스위치 잔류 접점
전기 접점 또는 보조 스위치 접점
한시 동작 접점
한시 접점이라는 것을 표시할
필요가 있는 경우에 사용한다.
한시 복귀 접점
수동 북귀 접점
인위적으로 복귀시키는 것인데,
전자식으로 복귀시키는 것도 포
함된다. 예를 들면, 수동복귀의
열전 계전기 접점, 전자 복귀식
벨 계전기 접점 등
전자접촉기 접점
릴레이
자기 유지 회로
자기 유지 회로 : Push button switch (PB)의 특성은 스위치를 누르고 있
는 동안은 접점이 닫혀 작동하지만, 손을 떼는 순간 스위치의 접점은 떨어
져 버리게 된다. 따라서 PBS를 눌러 기동 지령을 줄 때, 스위치에서 손을
떼더라도 회로가 작동할 수 있도록 작동 스위치 PB1과 병렬로 접점 MC-a
을 설계하게 되는데 이를 자기 유지 접점이라 하고 이러한 회로를 자기 유
지회로라 한다.
저압차단스위치
Cut-Out 압력은
원하는 증발기
바깥쪽
표면온도보다 약 6℃
낮은 온도에
상당하는 압력으로
셋팅한다.
R-22의 Cut-In, CutOut의 압력차는
22psi이다.
고압차단스위치
전원차단압력은
정상응축압력에서 20%
높게 한다.
R-22 : 260psi ~ 270psi
저압차단스위치와 고압차단스위치
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저압은 낮은 온도에서 냉매의 증발을 유지하기 위하여 증발기에서 지속되어야 한다. 그러므로 모터의 자
동제어는 증발기에서 압력차를 근거를 두어야 한다. 이 제어는 상업용 시스템에 사용되어진다. 이 사진은
저압제어에 사용된 벨로즈가 사용된 것이다. 증발기가 따뜻해짐으로서 저압이 증가하고 벨로우즈는 팽창
한다. 스위치가 닫혀지고 모터는 돌기 시작한다. 압력과 온도가 충분히 낮은 압력이 되면, 벨로우즈는 조
합과 접점은 떨어진다. 모터는 작동을 멈춘다.
밀폐시스템에서 일어 날 수 있는 가장 해로운 것 중의 하나는 응축압력이다. 이 고압들이 압축기 토출밸브
를 지나는 오일과 증기의 압력을 증가시킨다. 이것은 오일과 냉매를 분해할지 모른다. 만약에 약간의 습기
와 먼지가 있으면, 이 조건은 더 악화된다. 카본, 산, 그리고 슬러지를 형성할 수 있다.
이 위험한 온도에 도달하기 전에 시스템의 전원을 차단하는 것은 중요하다. 고압 안전 차단(Cut-Out)은
종종 이 목적으로 사용된다. 만약에 압력이 어떤 셋팅 점을 초과하면, 압력의 흐름은 차단된다. 따라서 모
터는 멈출 것이다.
몇가지 조건이 이 제어를 야기시킬 수 있다.
응축기를 통하는 적당한 공기흐름의 부족
수냉식응축기를 통과하는 물의 흐름의 부족
냉동부하의 증가
저압스위치는 또한 안전장치의 하나로 사용될 수 있다.
압축기 모터의 냉각은 흡입증기의 온도와 양에 달려있다.
만약에 증기압력이 너무 낮으면(냉매가 낮고, 흐름이 제한되면), 압축기 모터는 과열되고 탈 수 있다.
손상이 되기 전에, 저압 안전제어는 압축기 모터를 멈출 것이다.
몇 몇 큰 유닛은 압축기 윤활 시스템에 연결된 안전제어장치를 사용한다. 만약에 오일 압력이 감소하면 유
닛을 차단한다.