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습공기선도란?
습공기선도는 일정한 압력(보통 대기압) 하에서 습한 공기의 여러 열역학적 상태량(온도, 습도, 엔탈피, 비체적 등) 사이의 복잡한 관계를 한눈에 파악할 수 있도록 도표로 나타낸 것입니다. 공조(냉난방 및 환기), 제습, 건조 등 공기의 상태를 변화시키는 과정의 설계, 분석 및 이해에 매우 유용하게 사용되는 그래픽 도구입니다.
습공기선도의 도시 (도표 구성)
습공기선도는 일반적으로 다음과 같은 축을 사용하여 구성됩니다.
- 가로축 (X축): 건구 온도 (Dry-Bulb Temperature, )
- 세로축 (Y축): 절대 습도 (Humidity Ratio, W) 또는 수증기 분압
이 기본 좌표계 위에 습한 공기의 다양한 상태량을 나타내는 여러 종류의 선들이 복합적으로 그려집니다.
습공기선도의 주요 구성 요소
습공기선도를 구성하는 주요 요소들은 다음과 같습니다. 각 선은 특정 상태량을 나타내며, 두 개 이상의 상태량을 알면 공기 중 한 점(공기의 상태)을 찍고 나머지 상태량을 파악할 수 있습니다.
- 건구 온도선 (Dry-Bulb Temperature Lines):
- 일반적인 온도계로 측정되는 공기의 온도입니다.
- 습공기선도에서 가로축과 평행하거나 거의 수직에 가깝게 위로 뻗어 있는 직선들로 표시됩니다. 가로축 자체가 건구 온도 스케일입니다.
- 절대 습도선 (Humidity Ratio Lines):
- 건조한 공기 1kg당 포함된 수증기의 질량(kg 수증기 / kg 건조 공기)을 나타냅니다. 공기 중에 실제로 얼마만큼의 수분이 있는지를 의미하며, 공기의 수분 함량을 직접적으로 나타내는 지표입니다.
- 습공기선도에서 세로축과 평행한 수평 직선들로 표시됩니다. 세로축 자체가 절대 습도 스케일입니다.
- 상대 습도선 (Relative Humidity Lines, %RH):
- 공기가 특정 온도에서 최대로 포함할 수 있는 수증기 양(포화 습도)에 대한 현재 포함된 수증기 양의 비율을 백분율로 나타낸 것입니다.
- 습공기선도에서 곡선 형태로 나타나며, 왼쪽 아래에서 시작하여 오른쪽 위로 올라가는 형태입니다. 가장 위쪽의 100% 상대 습도선은 포화 습도선이라고 하며, 이 선은 노점 온도선, 습구 온도선과 만나는 기준선이 됩니다.
- 습구 온도선 (Wet-Bulb Temperature Lines):
- 공기가 단열 증발 냉각 과정을 거쳐 포화 상태에 도달했을 때의 온도입니다. 공기의 온도와 습도를 모두 반영하는 값이며, 습구 온도계를 사용하여 측정됩니다.
- 습공기선도에서 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 거의 직선 형태로 기울어진 선들입니다. 단열 냉각/가습 과정(예: 증발식 가습)에서 공기의 상태는 이 선을 따라 변합니다.
- 노점 온도선 (Dew-Point Temperature Lines, ):
- 공기를 냉각시켰을 때 공기 중의 수증기가 응결(이슬이 맺히기)하기 시작하는 온도입니다.
- 습공기선도에서 절대 습도선과 일치하는 수평 직선들로 표시됩니다. 같은 노점 온도를 가진 공기는 절대 습도가 같습니다.
- 엔탈피선 (Enthalpy Lines):
- 건조한 공기 1kg과 그 공기에 포함된 수증기가 갖는 총 열량(에너지)을 나타냅니다. 공기의 현열과 잠열을 모두 포함한 값입니다.
- 습공기선도에서 습구 온도선과 거의 평행하게 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 기울어진 선들로 표시됩니다. 공조 과정(가열, 냉각, 가습, 제습)에서 공기에 가해지거나 빼앗기는 에너지 변화량을 파악하는 데 중요합니다. 차트 외곽에 엔탈피 스케일이 표시되어 있습니다.
- 비체적선 (Specific Volume Lines):
- 건조한 공기 1kg과 그에 포함된 수증기가 차지하는 부피( / kg 건조 공기)를 나타냅니다. 공기의 밀도와 반비례 관계입니다.
- 습공기선도에서 오른쪽 아래에서 왼쪽 위로 기울어진 직선들입니다. 공기의 밀도와 관련되며, 송풍량 계산 등에 사용될 수 있습니다.
- 열수분비 (Heat-Moisture Ratio):
- 공기의 상태 변화 과정에서 발생하는 열량 변화()와 수증기량 변화()의 비율 ()을 의미합니다.
- 습공기선도 상에서 공조 과정(예: 냉각 및 제습)이 진행되는 선의 기울기를 나타냅니다. 이 기울기를 통해 단위 습도 변화량당 얼마만큼의 열량 변화가 수반되는지를 알 수 있습니다. 특정 공조 장치의 성능 특성을 이 기울기로 표현하기도 합니다.
- 현열비 (Sensible Heat Factor/Ratio, SHF):
- 공조 과정에서 공기의 전체 열량 변화 중 건구 온도의 변화에만 사용된 열량(현열)이 차지하는 비율입니다. 현열은 온도 변화에만 영향을 미치는 열이고, 잠열은 습도(상태 변화) 변화에 사용되는 열입니다.
- 습공기선도 상에서 특정 기준점(대부분 차트 중앙의 기준점)에서 뻗어 나가는 공조 과정 선의 기울기로 나타낼 수 있습니다. 차트 외곽이나 내부에 현열비 스케일이 별도로 표시되어 있어, 공조 과정 선의 기울기와 현열비를 연결하여 사용합니다. 냉방 또는 난방 부하 계산 및 공조기 설계 시 중요한 지표입니다.
- 수증기 분압 (Vapor Pressure, ):
- 습한 공기 혼합물 내에서 수증기가 전체 압력 중 차지하는 부분적인 압력입니다. 공기 중 수증기의 존재량을 압력의 단위로 나타낸 것입니다.
- 절대 습도 및 노점 온도와 직접적인 관계가 있습니다. 온도가 같을 때 수증기 분압이 높을수록 공기 중 수증기량이 많습니다.
- 습공기선도에서 절대 습도선 및 노점 온도선과 같은 수평 직선으로 표시됩니다. 세로축의 스케일이 절대 습도와 함께 수증기 분압으로도 표시되는 경우가 많습니다.
습공기선도는 이러한 다양한 상태량과 그 관계를 시각적으로 표현하여, 공조 시스템의 설계, 성능 분석, 문제 해결 등에 필수적인 도구로 활용됩니다. 공조 엔지니어는 이 선도를 통해 공기의 현재 상태를 파악하고, 가열, 냉각, 가습, 제습 등의 과정이 공기의 상태를 어떻게 변화시키며 에너지는 얼마나 소모되는지를 직관적으로 이해할 수 있습니다.
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