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팽창밸브의 교축 과정은 냉동 사이클이나 증기 동력 사이클 등에서 압력을 낮추고 작동 유체의 상태를 변화시키는 데 사용되는 비가역 단열 과정입니다. 이 과정에 대한 열역학 제 1법칙은 다음과 같이 표현됩니다.
개방 시스템에 대한 에너지 보존 법칙:
여기서,
- : 시스템으로의 열 전달률
- : 축 일률 (샤프트 work rate, 펌프나 터빈과 같이 회전축을 통해 일을 주고받는 경우)
- : 기타 일률 (전기적 일 등)
- : 질량 유량
- : 입구 및 출구에서의 엔탈피
- : 입구 및 출구에서의 유속
- : 중력 가속도
- : 입구 및 출구의 높이
팽창밸브 교축 과정에 대한 단순화:
팽창밸브의 교축 과정은 다음과 같은 특징을 갖기 때문에 위 에너지 보존 법칙이 크게 단순화됩니다.
- 단열 과정 (): 팽창밸브는 외부와의 열 교환이 거의 일어나지 않도록 설계됩니다. 따라서 열 전달률은 무시할 수 있습니다.
- 일 없음 (): 팽창밸브는 회전축을 가지는 기기가 아니므로 축 일이 없고, 전기적인 일과 같은 기타 일도 발생하지 않습니다.
- 운동 에너지 변화 무시 (): 팽창밸브 전후의 유속 변화는 엔탈피 변화에 비해 일반적으로 작으므로 운동 에너지 변화는 무시할 수 있습니다.
- 위치 에너지 변화 무시 (): 팽창밸브의 높이 변화는 매우 작으므로 위치 에너지 변화는 무시할 수 있습니다.
단순화된 열역학 제 1법칙:
위의 가정을 바탕으로 팽창밸브의 교축 과정에 대한 열역학 제
w 1법칙은 다음과 같이 됩니다.
따라서,
또는
설명:
이 결과는 팽창밸브의 이상적인 교축 과정에서는 입구에서의 엔탈피와 출구에서의 엔탈피가 같다는 것을 의미합니다. 이러한 과정을 등엔탈피 과정(isenthalpic process)이라고 합니다.
비록 교축 과정이 단열 과정이지만, 비가역 과정이기 때문에 엔트로피는 증가합니다. 압력 감소는 엔탈피 변화 없이 일어나며, 작동 유체의 온도 변화는 줄-톰슨 계수(Joule-Thomson coefficient)에 따라 결정됩니다. 대부분의 냉매의 경우, 상온 근처에서 팽창밸브를 통과하면서 압력이 낮아지면 온도가 낮아지는 효과를 나타냅니다 (줄-톰슨 계수가 양수).
요약하자면, 팽창밸브의 교축 과정에 대한 열역학 제 1법칙은 단순화된 조건 하에서 작동 유체의 엔탈피는 일정하게 유지된다고 설명합니다. 이 원리는 냉동 시스템에서 냉매의 온도를 낮추는 데 중요한 역할을 합니다.
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