1-13. 표준냉동사이클을 정의하기 위한 가정들을 나열하고, 비공비 냉매를 사용하는 표준냉동사이클의 과정을 P-h(압력-엔탈피) 선도와 T-s(온도-엔트로피) 선도에 나타내시오.

표준냉동사이클(Standard Refrigeration Cycle), 또는 이상적인 증기 압축 냉동 사이클은 실제 사이클의 성능을 평가하는 기준이 되는 이론적인 모델입니다. 이 사이클은 다음의 주요 가정 하에 정의됩니다.

 

표준냉동사이클을 정의하기 위한 가정

1. 증발 과정 (Evaporation, 4 → 1):
   • 증발기 내에서 등압(Constant Pressure) 및 **등온(Constant Temperature)**으로 열을 흡수하며 냉매가 증발합니다.
   • 냉매는 증발기 입구에서 포화액과 습증기의 혼합 상태(또는 교축 팽창 직후 상태)로 들어가고, 출구에서는 포화 증기(Saturated Vapor) 상태로 나옵니다.
   • 증발기 내에서의 압력 강하는 무시합니다.
2. 압축 과정 (Compression, 1 → 2):
   • 압축기 내에서 등엔트로피(Isentropic), 즉 가역 단열 압축이 일어납니다.
   • 냉매는 증발기 출구의 포화 증기 상태로 압축기 흡입구에 들어가고, 압축 후에는 과열 증기(Superheated Vapor) 상태로 압축기 토출구에서 나옵니다.
   • 압축기에서의 열 손실 및 압력 강하는 무시합니다.
3. 응축 과정 (Condensation, 2 → 3):
   • 응축기 내에서 등압(Constant Pressure) 및 **등온(Constant Temperature)**으로 열을 방출하며 냉매가 응축됩니다.
   • 냉매는 압축기 출구의 과열 증기 상태로 응축기 입구에 들어가고, 응축 후에는 포화액(Saturated Liquid) 상태로 응축기 출구에서 나옵니다.
   • 응축기 내에서의 압력 강하는 무시합니다.
4. 팽창 과정 (Expansion, 3 → 4):
   • 팽창 밸브(교축 밸브)를 통과하며 등엔탈피(Isenthalpic) 과정이 일어납니다. (단열 팽창으로 가정하며, 외부와의 열 교환이 없습니다.)
   • 냉매는 응축기 출구의 포화액 상태로 팽창 밸브 입구에 들어가고, 압력과 온도가 낮아지면서 일부가 증발하여 포화액과 습증기의 혼합 상태로 증발기 입구에서 나옵니다.
   • 팽창 밸브에서의 압력 강하는 무시합니다.

비공비 냉매를 사용하는 표준냉동사이클 과정

비공비 냉매(Non-azeotropic Refrigerant)는 두 가지 이상의 냉매가 혼합되어 있으며, 공비 혼합물과 달리 일정한 압력 하에서 증발하거나 응축될 때 온도가 일정하지 않고 변화하는 특성(온도 글라이드, Temperature Glide)을 가집니다. 표준냉동사이클 가정을 비공비 냉매에 적용하여 P-h 선도와 T-s 선도에 나타내면 다음과 같습니다.

 

1. P-h (압력-엔탈피) 선도 상의 과정

P-h 선도는 Y축이 압력(P), X축이 엔탈피(h)이며, 포화 곡선(증기 돔) 내부에 습증기 영역이 있습니다. 비공비 냉매의 P-h 선도에서는 포화 곡선 내부에 **버블 포인트 선(Saturated Liquid, 저온측 포화선)**과 **듀 포인트 선(Saturated Vapor, 고온측 포화선)**이 같은 압력에서 다른 온도를 가집니다.

• 1 → 2 (등엔트로피 압축):
  • 증발기 출구(1, 듀 포인트 선 상의 포화 증기)에서 시작하여, 압력은 증가하고 엔탈피는 증가하며 엔트로피는 일정한 수직 상향 직선으로 과열 증기 영역(2)까지 이동합니다.
• 2 → 3 (등압 열 방출 - 가스 쿨러/응축기):
  • 압축기 출구(2, 과열 증기)에서 시작하여, 압력은 일정한 수평 직선으로 이동합니다.
  • 먼저 과열 증기 냉각(현열 방출)이 일어나고, 이후 듀 포인트 온도에 도달하면서 응축이 시작됩니다.
  • 응축 과정 중에는 압력이 일정하지만 온도가 점진적으로 낮아집니다 (온도 글라이드). 선도 상에서는 포화 곡선 내에서 엔탈피가 감소하고 온도가 낮아지는 경로를 따릅니다.
  • 버블 포인트 온도에 도달하면 응축이 완료되어 응축기 출구(3, 버블 포인트 선 상의 포화액) 상태가 됩니다. 전체 과정에서 엔탈피는 감소합니다.
• 3 → 4 (등엔탈피 팽창):
  • 응축기 출구(3, 버블 포인트 선 상의 포화액)에서 시작하여, 엔탈피는 일정한 수직 하향 직선으로 이동합니다.
  • 압력과 온도가 낮아지면서 일부 냉매가 증발하여 습증기 영역(4) 상태(증발기 입구 상태)가 됩니다. 엔탈피는 일정합니다.
• 4 → 1 (등압 열 흡수 - 증발기):
  • 팽창 밸브 출구(4, 습증기 상태)에서 시작하여, 압력은 일정한 수평 직선으로 이동합니다.
  • 증발 과정 중에는 압력이 일정하지만 온도가 점진적으로 높아집니다 (온도 글라이드). 선도 상에서는 포화 곡선 내에서 엔탈피가 증가하고 온도가 높아지는 경로를 따릅니다.
  • 듀 포인트 온도에 도달하면 증발이 완료되어 증발기 출구(1, 듀 포인트 선 상의 포화 증기) 상태가 됩니다. 전체 과정에서 엔탈피는 증가합니다.

2. T-s (온도-엔트로피) 선도 상의 과정

T-s 선도는 Y축이 온도(T), X축이 엔트로피(s)이며, 포화 곡선(증기 돔) 내부에 습증기 영역이 있습니다. 비공비 냉매의 T-s 선도에서는 압력이 일정한 선이 포화 곡선 내에서 수평하지 않고 기울기를 가집니다 (온도 글라이드).

• 1 → 2 (등엔트로피 압축):
  • 증발기 출구(1, 듀 포인트 선 상의 포화 증기)에서 시작하여, 엔트로피는 일정한 수직 상향 직선으로 과열 증기 영역(2)까지 이동합니다. 온도와 압력이 증가합니다.
• 2 → 3 (등압 열 방출 - 가스 쿨러/응축기):
  • 압축기 출구(2, 과열 증기)에서 시작하여, 엔트로피와 온도가 감소하는 경로를 따릅니다.
  • 먼저 과열 증기 냉각 과정(온도 감소, 엔트로피 감소)이 일어나 듀 포인트 온도에 도달합니다.
  • 이후 응축 과정에서는 압력은 일정하지만 온도가 점진적으로 낮아지면서(온도 글라이드) 엔트로피는 감소합니다. 선도 상에서는 포화 곡선 내에서 우상향하는 등압선(또는 그 역방향)을 따라 이동하여 버블 포인트 온도(3, 버블 포인트 선 상의 포화액)에 도달합니다.
• 3 → 4 (등엔탈피 팽창):
  • 응축기 출구(3, 버블 포인트 선 상의 포화액)에서 시작하여, 엔탈피가 일정한 곡선을 따라 온도와 압력이 낮아지고 엔트로피는 증가하는 우하향 곡선으로 습증기 영역(4) 상태가 됩니다.
• 4 → 1 (등압 열 흡수 - 증발기):
  • 팽창 밸브 출구(4, 습증기 상태)에서 시작하여, 엔탈피와 엔트로피가 증가하는 경로를 따릅니다.
  • 증발 과정 중에는 압력이 일정하지만 온도가 점진적으로 높아지면서(온도 글라이드) 엔트로피는 증가합니다. 선도 상에서는 포화 곡선 내에서 우상향하는 등압선을 따라 이동하여 듀 포인트 온도(1, 듀 포인트 선 상의 포화 증기)에 도달합니다.

비공비 냉매의 가장 큰 특징인 온도 글라이드는 P-h 선도에서는 포화 영역 내에서 압력이 일정할 때 온도가 변하는 것으로, T-s 선도에서는 포화 영역 내 등압선이 수평하지 않고 기울기를 가지는 것으로 나타납니다. 이러한 특성 때문에 비공비 냉매는 열교환기 설계(온도 글라이드 매칭을 통한 성능 향상) 및 시스템 제어 시 추가적인 고려가 필요합니다.