냉동의 원리 (몰리에르선도, P-h선도, 이상적인 냉동사이클, 냉매 상변화)

  안녕하세요. 오늘은 몰리에르선도(P-h선도, 냉매선도)를 통해 이상적인 냉동사이클에 대해 이해하고, 이를 바탕으로 냉동의 원리가 무엇인지 알아보려고 합니다. 사실 지역난방시스템에 사용되는 흡수식 냉동기의 원리를 알기 전 이 기본적인 냉동사이클을 이해하면 훨씬 도움이 되기 때문에 한 번 포스팅해보았습니다. 복잡해 보이지만 실제로는 간단한 냉동의 원리 알아보겠습니다.

---

1. 냉매의 상태 (불포화액, 포화액, 습증기, 건포화증기, 과열증기)

  먼저 냉동의 원리를 알기 위해서는 아래 5가지 정도의 냉매의 상태를 이해해야합니다. 정말 간단히 설명하면 냉매가 5개 상태를 계속 변화하면서 냉동이 이뤄지기 때문에 아래 용어들을 잘 정리해야 오늘 설명하고자 하는 내용이 이해가 잘 될 것입니다.

 

1) 포화액과 불포화액

 물이나 암모니아 같은 냉매액체를 정압하에 가열한다고 생각하면, 당연하게도 냉매액체의 온도는 상승합니다. 그 이유는 외부에서 받은 열에너지가 액체의 내부에너지 증가로 소비되었기 때문입니다. 이후 계속 가열하면 내부에너지는 액체 상태로 저장할 수 있는 최대한도인 포화상태에 도달하고, 포화상태인 액체에 조금이라도 열을 가하게 되면 증발이 시작됩니다. 이후 가한 열은 모두 액체가 증발하는데 소비되므로 온도는 더 이상 증가하지 않습니다. 이와 같이 내부에 저장할 수 있는 에너지를 모두 채운 액체 즉 포화상태에 도달한 액체를 포화액(saturated liquid)이라고 하며, 포화상태의 온도를 포화온도(saturated temperature), 포화상태의 압력을 그 온도에 대한 포화압력(satuated pressure)이라 합니다. 그리고 포화온도에 도달하지 못한 액체를 불포화액(unsaturated liqud) 또는 압축액(compressed liquid)라 합니다.

 

2) 습중기, 건포화증기 및 과열증기

 포화액을 계속 가열하면 증발이 시작되는데 온도는 일정하고 체적만 증가합니다, 이 때 어느 순간 갑자기 바로 액체에서 증기가 되는 것이 아니라 포화액의 일부가 서서히 증기로 변화하다가 나중에는 포화액이 모두 증발하며 기체상태로 변화하게 됩니다. 즉 포화상태에서 증발이 시작되어 모두 증기로 변화하기 전까지는 포화액과 증기가 섞여 있는 상태가 지속되며 이 상태를 습포화증기(wet saturated vapor) 또는 습증기라고 합니다. 그리고 포화액이 모두 증발한 상태를 건포화증기(dry saturated vapor) 또는 건증기, 포화증기라 부릅니다.  이때 습포화증기와 건포화증기는 증발과정의 중간과 끝이므로 체적만 변화하고 온도는 포화온도로 동일합니다. 이 후 건포화증기를 계속 가열하면 온도가 다시 상승하며 체적도 계속 증가합니다. 이와 같이 포화온도보다 더 높은 온도로 가열하는 것을 과열(super heating)이라 하며 과열된 증기를 과열증기(superheated vapor), 같은 압력에서 과열증기온도와 포화온도와의 차를 과열도(degree of superheated)라 합니다.

 

 

2. 몰리에르선도 (P-h 선도, 냉매선도)

냉동 사이클을 이해하기 위해서는 몰리에르선도에 대해 알아야 할 필요가 있습니다. 이 선도는 냉동기 내 장치들을 냉매가 지날 때 어떤 변화과정을 거치는지 직관적으로 알 수 있게 도와줍니다. 아래 선도를 통해 알아가 보도록 하겠습니다.

사진1. 몰리에르선도(P-h선도)에서 과냉각, 습증기, 과열증기 구역

 

1) 몰리에르선도에서 과냉각, 습증기, 과열증기 구역

 

  위 표는 R134a 냉매의 몰리에르 선도입니다. 위 표를 살펴보면 3가지 구역으로 나눠지고 각 구역 사이에는 선이 있는 것을 알 수 있습니다. 각각의 구역을 살펴보겠습니다.

• 가장 왼쪽에 있는 파란색 구역은 "과냉각구역"으로 냉매가 액체상태로 있는 구역을 의미합니다. 과냉각 구역은 아직 내부 에너지를 모두 채우지 못한 불포화액 상태의 냉매를 뜻합니다.
• 파란색 진한 선은 "포화액선"입니다. 불포화액이 더 가열되거나 압력이 낮아져 포화액선에 도달하면 액체상태로서 모두 에너지를 채운 포화상태가 되었다는 뜻이며 이는 곳 증발이 시작되어 일부가 기체생태로 변화하는 시작점을 의미합니다.
• 가운데 하얀색 구간은 "습증기구역" 또는 "습포화증기상태"로 증발이 진행되는 구역으로 액체상태와 기체상태가 동시에 존재하는 구간을 뜻합니다. 동일 압력에서 증발하는 과정에서 온도의 변화가 없으며 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 기체의 비율이 점점 많아지게 됩니다.
• 빨간색 진한 선은 "건포화증기선"입니다. 습증기상태의 냉매가 계속 가열되어 모두 증발하여 기체상태가 되는 지점을 의미하며 건포화증기로 상태가 변화한 것을 의미합니다.
• 가장 오른쪽 빨간색 구역은 "과열증기구역"으로 모두 기체로 변화한 냉매를 더 가열시키면 온도가 올라가면서 과열증기가 되며 그때의 과열증기상태를 나타내줍니다.

 

2) 몰리에르선도에서 압력, 엔탈피, 온도, 엔트로피, 비체척, 건조도선

  몰리에르선도에서는 6가지의 지표를 확인 할 수 있습니다. 아래 표를 보고 확인해 보도록 하겠습니다.

사진2. 몰리에르선도(P-h선도)에서 등압선, 등엔탈피선, 등온선, 등엔트로피선, 비체적선, 건조도선

• ① 등압력선
  : y좌표에 표기된 지표는 압력[kPa]을 의미하며 파란 색선과 같이 좌에서 우로 수평으로 등압선이 나타납니다.
• ② 등엔탈피선
  : x좌표에 표기된 지표는 엔탈피[kJ/kg]을 의미하며 에너지의 양을 확인할 수 있으며 주황색선과 같이 위아래 수직으로 등엔탈피선이 모양이 나타냅니다.
• ③ 등온도선
  : 과냉각구역에서는 수직으로 습증기구역에서는 수평, 과열증기구간에서는 아래로 떨어지는 모양새를 나타내며, 빨간색 선은 모두 같은 온도 의미하는 선입니다.
• ④ 등엔트로피선
  : 오른쪽 과열증기구간에서 오른쪽 위로 올라가는 초록색 사선은 등엔트로피선입니다.
• ⑤ 비체적
  : 보라색선은 비체적을 의미하며 아래로 내려갈 수록 체적이 증가하게 됩니다.
• ⑥ 건조도선
  : 건조도선은 습증기구역을 10등분 한 선으로 액체와 기체가 공존하는 상태의 습증기에서 기체와 액체비율을 나타낸 값입니다. 습증기 1kg에 들어있는 건포화증기(기체) 질량을 나타냅니다.

 

3. 이론적인 냉동사이클, 냉동의 원리

  위에서 냉매의 상태변화와 몰리에르선도를 확인하였으므로 냉동의 원리를 냉동사이클을 통해 확인해 보도록 하겠습니다.

사진3. 냉동기의 구성 및 사이클

 

  위 사진은 냉동사이클을 도식화한 것으로 팽창밸브, 증발기, 압축기, 응축기 4가지의 장치를 냉매가 순환하면서 냉동을 하게 됩니다. 그리고 아래 각 장치를 지날 때 냉매가 어떻게 상태변화하는지 몰리에르선도에 나타내 보았습니다. 이를 통해 냉동의 원리를 설명해 보도록 하겠습니다.

사진4. 이상적인 냉매사이클을 나타낸 몰리에르선도

 

1) 팽창밸브 통과 시 교축과정 (① → ②)

  ▷ 냉매상태변화 : ① 저온고압 포화액 → ② 저온저압 습포화증기

  팽창밸브에는 작은 구멍(노즐, 오리피스)이 있으며, 그 구멍에 ①저온고압 포화액 상태인 냉매를 통과시키면 유체속도가 증가하며 압력이 감소하고, 이 때 순간적인 증발이 발생하게 됩니다. 증발이 발생하면 증발잠열이 필요하게 되는데, 이 잠열을 유체 자체적으로 공급을 하게 됩니다. 그러면 자체적인 열공급으로 인해 외부와의 열교환은 일어나지 않게 되며 이는 곧 등엔탈피변화를 의미하게 됩니다. 이러한 변화를 교축변화라 하며, 팽창밸브를 통과한 ①저온고압의 포화액은 교축변화를 통해 일부 증발이 발생한 ②저온저압의 습증기 상태가 됩니다.

 

2) 증발기 통과 시 정온정압 증발과정 (② → ③)

  ▷ 냉매상태변화 : ② 저온저압 습증기 → ③ 저온저압 건포화증기

  팽찰밸브를 통과한 ② 저온저압 습증기는 증발기로 유입됩니다. 증발기에서는 냉방에 필요한 냉수와 냉매가 열교환을 하게 되는데, ② 저온저압의 습증기가 ③ 저온저압의 건포화증기로 증발하면서 냉수의 열을 흡수합니다. 이 과정에서 냉수의 온도는 낮아지고 냉수순환펌프를 통해 각 실에 있는 냉방기기로 흘러들어가 냉방에 사용됩니다. 증발기에서 증발을 통해 열을 흡수하여 건포화증기로 변화한 냉매는 온도와 압력변화가 없으므로 정온정압, 증발 흡열과정이라고도 합니다.

 

3) 압축기 통과 시 단열압축과정 (③ → ④)

  ▷ 냉매상태변화 : ③ 저온저압 건포화증기 → ④ 고온고압 과열증기

  증발기를 통과한 ③ 저온저압 건포화증기는 다시 증발기에서 열을 흡수할 수 있는 상태로 변화해야 합니다. 그러기 위해서는 증발기에서 흡수한 열을 응축기로 방출하여 다시 액체 상태로 변화가 되어야하는데, 이때 건포화증기가 쉽게 응축될 수 있도록 고온 고압의 증기로 압축하는 것이 압축기의 역할입니다. 압축기를 통과하여 등엔트로피 과정을 통해 과열증기로 변하게 되고, 이는 곧 응축기에서 많은 쉽게 열 방출할 수 있게 준비해 줍니다.

 

4) 응축기 통과 시 정압 응축과정 (④ → ①)

  ▷ 냉매상태변화 : ④ 고온고압 과열증기 → ① 저온고압 포화액

  압축기를 통과한 ④ 고온고압의 과열증기는 응축기에서 냉각탑과 연결된 냉각수와 열교환하여 가지고 있던 열을 냉각수를 통해 방출하게 됩니다. 이 과정에서 과열증기가 온도가 낮아지면서 습증기상태를 거쳐 액체 ① 저온고압 포화액상태로 변화하게 됩니다. 이렇게 액체상태로 된 냉매는 다시 팽창밸브를 통과하여 증발기로 들어가는 순환 사이클이 가능하게 됩니다.

 

  이렇게 4가지의 과정이 계속 순환하면서 팽창밸브에서는 흡수가 용이한 상태로 변화시킨 후 증발기에서는 흡수, 압축기에서는 응축이 용이한 상태로 변화시킨 후 응축기에서는 흡수한열을 방출하게 되고, 이 것이 냉동의 원리, 냉동 사이클의 원리입니다.

---

이것으로 몰리에르 선도를 통한 이상적인 냉동 사이클을 알아보았습니다. 사실 현실에서는 저렇게 딱딱 4가지의 상태 변화만 이뤄지지는 않습니다. 그러나 기본적인 사이클을 이해하고 난 뒤 실제 사이클을 공부하게 되면 더 이해가 잘 될 것입니다. 다음 시간에는 이 냉매사이클의 원리를 기본으로 하여 흡수식 냉동기에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.