Transcript 열역학-10강

열역학
12주차
냉동 사이클
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열역학
냉동의 원리 ; 일시적 냉동
1. 현열에 의한 냉동
열평형의 원리
2. 잠열에 의한 냉동
증발열 흡수의 원리
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냉동의 원리 ; 연속적 냉동
1. Joule Thomson 원리
기체의 팽창에 의한 온도하강원리
2. 증발열을 이용
냉동 사이클의 원리
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냉동의 원리 ; 연속적 냉동
3. 전자냉동법
4. etc..
기체탈착, 자기냉각법 등.
Peltier Effect
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냉매의 종류
1. 무기화합물
암모니아(NH4), 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 공기(O2) 등.
2. 탄화수소 냉매
메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 이소부탄, 에틸렌(C2H4),
프로필렌(C3H6)
3. 할로카본
탄화수소 중 탄소를 할로겐족 원소 (F, Br, Cl, I) 로 치환한 냉매
초기 주로 사용되었으나 오존층 파괴의 주범으로 사용이 금지
4. 공비혼합물 냉매
동일 압력에서 증발온도가 다른 두가지 이상의 냉매를 일정비율로 혼합
5. 비공비혼합물 냉매
증발할 때 온도 상승, 응축할 때 온도 감소
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Mollier Diagram (P-h 선도)
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냉매 명명법
1. 공기 화학식에 취소(Br, Bromide)가 있는 경우는 냉매번호 우측에 영문자 “B”
를 붙이고 그 다음에 취소의 개수 ex) CBrF3 = R-13B1
2. 방향족 유기화합물 냉매는 C를 번호 앞에 붙임 ex) C4F8 = R-C318
3. 탄소가 2개 이상 ex) a,b,c 를 뒤에 붙임 ex) CH2FCF3 = R-134a
4. 비공비혼합물 R-400, 공비혼합물 R-500, 부탄계열 R-600, 산소화합물 R-610,
유황화합물 R-620, 질소화합물 R-630 개발된 순서로 명명
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냉매 명명법
1. CH3F = ?
백단위 숫자는 수1－1＝0, 십단위 숫자는 수3＋1＝4, 일단위 숫자는 수＝1 이므
로 냉매 이름은 R-41
2. CH2FCF3 = ?
백단위 2-1=1, 십단위 2+1=3, 일단위 4 => R-134a
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1-2
2-3
3-4
4-1
과정
과정
과정
과정
:
:
:
:
교축(등엔탈피) 팽창
등압 팽창 qL = h3-h2 = h3-h1
단열 압축 w = h4-h3
등압 압축 qH = h1-h4 (방출)
𝑚=
𝑄𝐿
𝑞𝐿
𝑊 =𝑚×𝑤
𝑄𝐻 = 𝑚 × 𝑞𝐻
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1 냉동톤 (RT) = 24시간 동안에 표준기압, 0℃의 순수한 물 1톤을 0℃의 얼음으
로 얼리는데 제거해야 할 열량
sol) 물의 응고열 ~ 333.6kJ/kg
1RT = 1𝑅𝑇 =
1000𝑘𝑔/𝑇𝑜𝑛 ×333.6𝑘𝐽/𝑘𝑔
=
24ℎ𝑟 ×3600𝑠/ℎ𝑟
3.861kW
ex) R-134a 냉매가 30℃에서 교축팽창되어 -30℃에서 증발한다. 팽창 전과 증발
후 엔탈피가 각각 241.46 kJ/kg, 379.11 kJ/kg이다. 냉동기의 냉동능력이 10 kW
라면 냉동효과와 1분당 증발기에서 증발하는 냉매의 질량은 얼마인가?
q= h3-h1 = 379.11 - 241.46 = 137.65 kJ/kg
𝑚=
𝑄
𝑞
10
= 137.65 × 60 = 4.36𝑘𝑔/𝑚𝑖𝑛
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ex) R-134a 냉매가 30℃에서 교축팽창되어 -30℃에서 증발한다.
qH
응축
1
4
팽창
2
압축
증발
qL
3
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압축기 효율(η)
= 이론 소비동력 / 실제소비동력
ex) 냉동능력이 10 kW인 냉동기의 R-134a 냉매가 -30℃에서 가역단열압축되어
응축기에서 30℃까지 응축된다. 압축 전, 후 엔탈피가 각각 379.11 kJ/kg(h3)와
424.66 kJ/kg(h4)이고 교축팽창 후 엔탈피가 241.46 kJ/kg(h2=h1)이다. 압축기
효율이 86%일 때 이 냉동기의 이론소요동력과 실제소요동력을 구하여라.
sol) 이론소요동력 w=h4-h3 = 424.66-379.11= 45.66kJ/kg
qL = h3-h1 = 379.11 - 241.46 = 137.65kJ/kg
m = QL/qL = 10 / 137.65 = 0.0726kg/s
W=m x w = 45.66 x 0.0726 = 3.31kW
W(ac) = W(id) / η = 3.31 / 0.86
= 3.84kW
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• 역 카르노 사이클
①
②
③
④
상태변화
상태변화
상태변화
상태변화
1-2
2-3
3-4
4-1
:
:
:
:
가역단열팽창과정으로 압력이 감소하고 온도가 TL로 강하한다.
등온팽창과정으로 저온도물체로부터 QL의 열을 흡수한다.
가역단열압축과정으로 압력이 증가하고 온도가 TH로 상승한다.
등온압축과정으로 고온도물체로 QH의 열을 방출한다.
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• 역 카르노 사이클
①
②
③
④
상태변화
상태변화
상태변화
상태변화
1-2
2-3
3-4
4-1
W = QH - QL
:
:
:
:
가역단열팽창과정으로 압력이 감소하고 온도가 TL로 강하한다.
QL = TL(s3-s2) = TL(s3-s1).
가역단열압축과정으로 압력이 증가하고 온도가 TH로 상승한다.
QH = TH(s4-s1)
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• 증기압축사이클
1-2 교축 팽창
2-3' 등압 팽창 (증발)
3-4' 단열 압축
4'-1 등압압축 (응축)
※ 역 카르노 사이클 : 두개의 등온과정과 두개의 단열과정으로 이루어짐
등온을 유지하는것이 사실상 불가능하므로, 두개의 등압과정과 1개의 교축과정,
1개의 단열과정으로 개량하여서 냉각 사이클을 구성
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습압축 사이클
건압축 사이클
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ex) 증발온도와 압축온도가 각각 -20℃와 30℃인 R-134a 증기압축식 냉동기가 습압
축 사이클로 작동한다. 부록을 이용하여 냉동효과, 압축기 소요일 및 성적계수를 구
하여라.
냉동효과(qL) = h3-h2 = 378.64-241.46 = 137.18kJ/kg
압축일(w) = h4-h3 = 413.37-378.64 = 34.73kJ/kg
성적계수 = qL / w = 3.95
TH
TL
1. TH(30℃) 일때 1번 점은 포화액 상태이므로 포화액의 비엔탈피는
241.46kJ/kg = h1 = h2
2. TH(30℃) 일때 4번 점은 포화증기 상태이므로 포화증기의 비엔탈피는
413.37kJ/kg = h4
엔트로피는 1.71 kJ/kgK = s3 = s4
3. s3 = s4 이므로 건도값 계산 TL(-20℃) 일때의 포화액, 포화증기의 비엔트로피는
각각 0.9025, 1.7362 kJ/kgK 이므로,
x= (s3 - sf) / (sg - sf) = 0.9686
4. h3 = hf + x (hg-hf) 인데 TL(-20℃) 일때의 포화액, 포화증기의 비엔탈피는
각각 174.24, 385.28 kJ/kg 이므로.
h3 = 174.24 + 0.9686*(385.28-174.24) = 378.64 kJ/kg
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ex) 증발온도와 압축온도가 각각 -20℃와 30℃인 R-134a 증기압축식 냉동기가 습압축 사이클로
작동한다. 부록을 이용하여 냉동효과, 압축기 소요일 및 성적계수를 구하여라.
qH
응축
1
4
팽창
압축
2
증발
qL
3
열역학
과열압축 사이클
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열역학
1
4
2
3'
3
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과냉각 사이클(응축기 과냉각)
과냉각 사이클(열교환기 과냉각)
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1 1'
4' 4
2 2'
3'
3
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추가압축 냉동사이클
2단압축 1단팽창 냉동사이클
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