1-7. 표준냉동사이클을 설명하고 몰리에르선도를 그리시오.

표준 냉동 사이클은 증기 압축 냉동 사이클이라고도 하며, 가장 일반적으로 사용되는 냉동 시스템의 기본 원리입니다. 이 사이클은 냉매라는 작동 유체를 사용하여 저온의 열원에서 고온의 열원으로 열을 전달함으로써 냉각 효과를 생성합니다.

 

1. 표준 냉동 사이클의 4가지 주요 과정

표준 냉동 사이클은 다음과 같은 4가지 주요 과정으로 구성됩니다.

1) 압축 과정 (Process 1-2):

• 설명: 저온, 저압의 기체 상태 냉매가 압축기로 들어가 등엔트로피 과정 (이상적인 경우) 또는 폴리트로픽 과정을 거쳐 고온, 고압의 기체 상태로 압축됩니다.
• 냉매 상태 변화: 압력과 온도가 모두 상승하며, 엔트로피는 이상적인 경우 일정하게 유지되지만 실제로는 약간 증가합니다. 냉매는 과열 증기 상태가 됩니다.
• 주요 기기: 압축기 (Compressor)

2) 응축 과정 (Process 2-3):

• 설명: 고온, 고압의 기체 냉매가 응축기를 통과하면서 외부 (공기 또는 물 등)로 열을 방출하여 액체 상태로 응축됩니다. 이 과정은 등압 과정으로, 압력은 거의 일정하게 유지됩니다.
• 냉매 상태 변화: 온도가 낮아지면서 과열 증기가 포화 증기를 거쳐 포화 액체 상태로 상변화를 합니다. 엔탈피가 감소합니다 (열 방출).
• 주요 기기: 응축기 (Condenser)

3) 팽창 과정 (Process 3-4):

• 설명: 고압의 액체 냉매가 팽창 밸브 또는 팽창 장치를 통과하면서 급격히 압력이 낮아집니다. 이 과정은 등엔탈피 과정 (단열 팽창)으로, 엔탈피는 거의 일정하게 유지됩니다.
• 냉매 상태 변화: 압력이 낮아지고 온도가 낮아지며, 일부 냉매는 증발하여 기체와 액체가 혼합된 습증기 상태가 됩니다.
• 주요 기기: 팽창 밸브 또는 팽창 장치 (Expansion valve / Throttling valve)

4) 증발 과정 (Process 4-1):

• 설명: 저온, 저압의 습증기 냉매가 증발기를 통과하면서 냉각 대상 (예: 냉장고 내부 공기)으로부터 열을 흡수하여 증발합니다. 이 과정은 등압 과정으로, 압력은 거의 일정하게 유지됩니다.
• 냉매 상태 변화: 온도가 상승하면서 습증기가 포화 증기를 거쳐 과열 증기 상태로 상변화를 합니다. 엔탈피가 증가합니다 (열 흡수). 냉각 효과가 발생합니다.
• 주요 기기: 증발기 (Evaporator)

2. 몰리에르 선도 (h-s 선도) 설명

몰리에르 선도 (Mollier diagram)는 냉동 시스템 및 열역학 사이클 분석에 매우 유용한 열역학 선도입니다. 특히 냉매의 상태 변화를 시각적으로 나타내고, 엔탈피 (h)와 엔트로피 (s)의 관계를 보여주기 때문에 'h-s 선도'라고도 불립니다.

몰리에르 선도의 특징:

• 세로축 (y축): 엔탈피 (h, enthalpy) - 냉매가 가진 에너지 함량을 나타냅니다. 냉동 사이클에서 열 흡수 및 방출량을 파악하는 데 중요합니다. 단위는 주로 kJ/kg 또는 kJ/kg·K 입니다.
• 가로축 (x축): 엔트로피 (s, entropy) - 무질서도 또는 비가역성의 정도를 나타냅니다. 단위는 주로 kJ/kg·K 입니다.
• 등압선 (Isobar): 선도에서 오른쪽 아래로 기울어진 곡선으로, 같은 압력을 갖는 상태들을 연결합니다. 응축 과정 (2-3)과 증발 과정 (4-1)은 등압 과정이므로 몰리에르 선도에서 등압선을 따라 수평에 가깝게 나타납니다.
• 등온선 (Isotherm): 선도에서 복잡한 형태로 나타나며, 같은 온도를 갖는 상태들을 연결합니다. 과열 증기 영역에서는 등온선이 등압선과 비슷하게 내려오다가 포화 영역에 들어가면 수평선에 가까워집니다.
• 건도선 (Quality line 또는 건도계수 x): 포화 액체선과 포화 증기선 사이의 영역 (습증기 영역)에 표시되며, 습증기 상태에서 증기의 질량 분율 (건도)을 나타냅니다. 포화 액체선에서는 건도 x=0 이고, 포화 증기선에서는 건도 x=1 입니다.
• 포화 액체선 (Saturated liquid line): 액체 상태로 존재할 수 있는 최대 엔탈피를 나타내는 선입니다. 이 선의 왼쪽 아래는 과냉 액체 영역입니다.
• 포화 증기선 (Saturated vapor line): 증기 상태로 존재할 수 있는 최소 엔탈피를 나타내는 선입니다. 이 선의 오른쪽 위는 과열 증기 영역입니다.
• 포화 영역 (Saturation region 또는 습증기 영역): 포화 액체선과 포화 증기선 사이의 영역으로, 액체와 증기가 공존하는 상태입니다.

3. 표준 냉동 사이클의 몰리에르 선도

표준 냉동 사이클의 각 과정은 몰리에르 선도 위에 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

선도 설명:

• 과정 1-2: 등엔트로피 압축 (Isentropic Compression) - 상태 1에서 상태 2로 수직으로 상승하는 선으로, 엔트로피 (s)는 거의 일정하고 엔탈피 (h)와 압력 (p)이 증가합니다. 실제 압축 과정은 비가역적이므로 약간 오른쪽으로 기울어질 수 있습니다 (엔트로피 증가).
• 과정 2-3: 등압 응축 (Isobaric Condensation) - 상태 2에서 상태 3으로 등압선을 따라 거의 수평으로 이동하는 선입니다. 압력 (p)은 일정하고 엔탈피 (h)가 감소합니다 (열 방출). 상태 3은 포화 액체 상태에 도달합니다.
• 과정 3-4: 등엔탈피 팽창 (Isenthalpic Expansion) - 상태 3에서 상태 4로 수직으로 하강하는 선으로, 엔탈피 (h)는 거의 일정하고 압력 (p)과 온도 (T)가 감소합니다. 팽창 밸브를 통과하는 단열 조절 과정으로 이상화됩니다.
• 과정 4-1: 등압 증발 (Isobaric Evaporation) - 상태 4에서 상태 1로 등압선을 따라 거의 수평으로 이동하는 선입니다. 압력 (p)은 일정하고 엔탈피 (h)가 증가합니다 (열 흡수). 상태 1은 증발기 출구에서 과열 증기 상태로 가정되기도 하지만, 단순화를 위해 포화 증기 상태로 가정하는 경우도 많습니다.

4. 몰리에르 선도의 활용

몰리에르 선도는 다음과 같은 목적으로 냉동 사이클 분석에 활용됩니다.

• 사이클 과정 시각화: 냉동 사이클의 각 과정을 한눈에 파악하고, 냉매의 상태 변화를 쉽게 이해할 수 있도록 돕습니다.
• 엔탈피 변화량 계산: 각 과정에서의 엔탈피 변화량 (Δh)을 선도에서 직접 읽거나 계산하여, 압축기의 일 (work), 응축기 및 증발기의 열량 (heat transfer) 등을 쉽게 구할 수 있습니다.
• 사이클 성능 분석: 냉동 사이클의 성능 계수 (COP, Coefficient of Performance)를 계산하고, 사이클 효율을 개선하기 위한 방향을 설정하는 데 도움을 줍니다.
• 냉매 선택: 다양한 냉매의 몰리에르 선도를 비교하여 특정 냉동 시스템에 적합한 냉매를 선택하는 데 활용할 수 있습니다.

결론적으로, 표준 냉동 사이클은 4가지 과정을 통해 냉각 효과를 발생시키는 기본적인 열역학 사이클이며, 몰리에르 선도는 이 사이클을 시각적으로 분석하고 성능을 평가하는 데 매우 유용한 도구입니다. 몰리에르 선도를 통해 냉동 시스템의 설계, 분석, 성능 개선 등에 필요한 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.