2-1. 습공기선도에 대하여 다음 각 항목을 설명하시오.

onha09 2025. 5. 19. 11:09

습공기선도에 대한 설명

습공기선도(Psychrometric Chart)는 습한 공기의 다양한 열역학적 상태량들 사이의 관계를 그래프 상에 나타낸 선도로, 공기조화 및 냉동 분야에서 공기 상태 변화 과정을 분석하고 계산하는 데 매우 유용하게 활용됩니다.

1) 습공기선도를 작도하는 특정 상태량

습공기선도는 하나의 특정 상태량을 일정한 값으로 정하고 작도되는데, 이 상태량은 대기압입니다. 일반적으로 해수면 높이의 표준 대기압(101.325 kPa 또는 1 atm)을 기준으로 작성된 습공기선도가 가장 널리 사용됩니다. 대기압이 달라지면 습공기의 상태량 간의 관계도 변하므로, 특정 고도나 압력 조건에서의 공기 상태를 다룰 때는 해당 압력에 맞춰 작성된 습공기선도를 사용해야 합니다.

2) 건조공기 질량당으로 표현되는 상태량 및 이유

습공기 상태량 중 건조공기 질량당으로 표현되는 상태량은 다음과 같습니다.

절대 습도 (Humidity Ratio 또는 Absolute Humidity, ): 건조공기 1 kg당 수증기의 질량 [kg水증기/kg건조공기]
엔탈피 (Enthalpy, ): 건조공기 1 kg당 습공기의 총 엔탈피 [kJ/kg건조공기] 또는 [kJ/kgDA]
비체적 (Specific Volume, ): 건조공기 1 kg당 습공기의 부피 [m³/kg건조공기] 또는 [m³/kgDA]

건조공기 질량당으로 표현하는 이유:

습공기는 건조공기와 수증기의 혼합물입니다. 공기조화 과정에서 수증기의 양은 변할 수 있지만(가습 또는 제습), 건조공기의 질량은 일반적으로 변하지 않습니다 (누기나 급/배기가 없는 이상). 따라서 건조공기의 질량을 기준으로 상태량을 표현하면, 수증기의 증감에 관계없이 건조공기의 질량 유량만 알면 전체 습공기의 질량 유량이나 에너지 유량 등을 쉽게 계산할 수 있습니다. 건조공기 질량은 공기조화 과정 전후에 걸쳐 기준이 되는 값이므로 물질 및 에너지 평형 계산에 용이합니다.

3) 습공기선도 상의 한 상태점에 대한 상태량 표현 및 현열비, 열수분비

습공기선도 상의 임의의 한 상태점은 해당 습공기의 고유한 상태를 나타냅니다. 이 상태점을 통해 다양한 상태량을 파악할 수 있습니다. 일반적인 습공기선도에서 각 상태량은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다

건구 온도 (Dry-Bulb Temperature, ): 가로축에 표시되며, 수직선으로 해당 상태점을 지나는 값을 읽습니다.
절대 습도 (Absolute Humidity, ): 세로축에 표시되며, 수평선으로 해당 상태점을 지나는 값을 읽습니다. 이는 건조공기 질량당 수증기 질량으로 표현됩니다.
엔탈피 (Enthalpy, ): 좌상향으로 기울어진 선들에 표시되며, 해당 상태점을 지나는 선 또는 선형 보간을 통해 값을 읽습니다. 이는 건조공기 질량당 엔탈피로 표현됩니다.
상대 습도 (Relative Humidity, ): 곡선으로 표시되며, 100% 상대 습도선(포화 곡선)에서 0% Relative Humidity 쪽으로 감소하는 곡선들을 통해 값을 읽습니다. 해당 상태점이 지나는 곡선의 값이 상대 습도입니다.
습구 온도 (Wet-Bulb Temperature, ): 좌하향으로 기울어진 선들에 표시되며, 해당 상태점을 지나는 선 또는 선형 보간을 통해 값을 읽습니다. 포화 곡선 상에서는 건구 온도, 노점 온도와 같습니다.
노점 온도 (Dew-Point Temperature, ): 해당 상태점에서 수평선을 그어 포화 곡선(상대 습도 100% 선)과 만나는 지점의 건구 온도를 읽습니다. 노점 온도는 절대 습도가 일정할 때의 포화 온도와 같습니다.
비체적 (Specific Volume, ): 우상향으로 기울어진 선들에 표시되며, 해당 상태점을 지나는 선 또는 선형 보간을 통해 값을 읽습니다. 이는 건조공기 질량당 습공기의 부피로 표현됩니다.
수증기 분압 (Partial Pressure of Water Vapor, ): 노점 온도와 해당 온도에서의 포화 수증기압은 일대일 대응 관계에 있습니다. 노점 온도를 구한 후, 수증기 표를 참조하거나 포화 압력 함수식을 이용하여 수증기 분압을 계산할 수 있습니다. 습공기선도 상에 직접적인 축으로 표시되지 않는 경우도 많지만, 절대 습도와 대기압으로부터 계산 가능합니다.

현열비 (Sensible Heat Ratio, SHR):

현열비는 습공기 상태 변화 과정에서 전체 엔탈피 변화량 중 현열 변화량이 차지하는 비율입니다. 현열은 온도의 변화와 관련된 열량이며, 잠열은 습도 변화(수증기의 상변화)와 관련된 열량입니다.

습공기선도 상의 표현: 습공기선도 상에서 상태 변화 과정을 나타내는 직선의 기울기는 현열비와 관련이 있습니다. 등엔탈피선(습구 온도선과 거의 평행)이 SHR=0인 제습 또는 가습 과정을 나타내고, 수평선(등절대 습도선)이 SHR=1인 순수 가열 또는 냉각 과정을 나타냅니다. 냉각 및 제습 과정은 일반적으로 0 < SHR < 1의 값을 가지며, 해당 상태 변화 선의 기울기가 현열비를 나타내는 눈금과 연결되어 있는 경우가 많습니다. 기준점(Reference point)에서 시작하는 선을 통해 해당 기울기의 SHR 값을 읽을 수 있습니다.

열수분비 (Heat and Moisture Ratio 또는 Enthalpy-Humidity Ratio, 또는 EHR):

열수분비는 습공기 상태 변화 과정에서 건조 공기 1 kg당 총 엔탈피 변화량과 절대 습도 변화량의 비입니다. 단위는 보통 [kJ/kg水증기] 또는 [kJ/kg]으로 표현될 수 있으나, 엔탈피 단위를 건조공기 질량당, 절대습도 단위를 건조공기 질량당 수증기 질량으로 표현했을 때의 비율은 [kJ/kg水증기] 또는 [kJ/kg]와는 차원이 다릅니다. 공기조화 과정에서 열 및 수분의 이동 특성을 나타내는 중요한 지표입니다.

습공기선도 상의 표현: 습공기선도 상에서 상태 변화 과정을 나타내는 직선의 기울기는 열수분비를 나타냅니다. 현열비와 유사하게, 습공기선도 상의 기준점(보통 좌측 하단)에서 해당 상태 변화 선과 평행하게 그은 직선이 만나는 열수분비 눈금을 통해 값을 읽을 수 있습니다. 상태 변화 선의 기울기가 가파를수록 열수분비 값이 커집니다.

4) 중앙 냉방 공조방식의 습공기선도 표현

중앙 냉방 공조방식의 일반적인 과정은 외기 도입 및 실내 환기 공기의 혼합, 냉각 및 제습, 그리고 실내 공급입니다. 각 상태점은 다음과 같이 표시할 수 있습니다 (개략적인 위치 및 과정 표현).

점 1 (실내 공기): 실내 설계 온습도 조건에 해당하는 점. 쾌적 영역 내에 위치합니다.
점 2 (실외 공기): 외기 온습도 조건에 해당하는 점. 하절기 냉방 시에는 일반적으로 점 1보다 건구 온도와 절대 습도가 높습니다.
점 3 (실내와 실외의 혼합 공기): 점 1과 점 2를 연결하는 직선 상에 위치하며, 혼합 비율에 따라 두 점 사이에 위치합니다.
점 4 (장치 노점 온도): 냉각 코일 표면의 온도에 해당하는 포화 곡선 상의 점입니다. 냉각 코일을 통과하는 공기는 이 온도까지 냉각되고 제습될 수 있습니다. 실제 공기 출구 온도는 코일의 바이패스 계수에 따라 점 4와는 다릅니다.
점 5 (공기조화기 출구): 냉각 코일을 통과한 후 실내로 공급되는 공기의 상태점입니다. 일반적으로 점 3에서 시작하여 냉각 및 제습 과정을 거치므로, 건구 온도와 절대 습도가 모두 낮아집니다. 점 3과 점 5를 잇는 직선의 기울기가 냉각 코일의 현열비 및 열수분비를 나타냅니다. 점 5는 점 4와 점 3을 잇는 직선 상에 위치하며, 바이패스 계수만큼 점 3 쪽에 가깝습니다.

과정: 1 (실내) + 2 (실외) -> 혼합 (점 3) -> 냉각 및 제습 (점 3에서 점 5로) -> 실내 공급 (점 5)

습공기선도 상에서 점 3에서 점 5로의 과정은 좌하향하는 직선 형태를 띠며, 이 과정에서 건구 온도와 절대 습도가 동시에 감소합니다.

5) 중앙 난방 공조방식의 습공기선도 표현

중앙 난방 공조방식의 일반적인 과정은 외기 도입 및 실내 환기 공기의 혼합, 가열, 가습, 그리고 실내 공급입니다. 각 상태점은 다음과 같이 표시할 수 있습니다 (개략적인 위치 및 과정 표현).

점 1 (실내 공기): 실내 설계 온습도 조건에 해당하는 점. 쾌적 영역 내에 위치합니다.
점 2 (실외 공기): 외기 온습도 조건에 해당하는 점. 동절기 난방 시에는 일반적으로 점 1보다 건구 온도와 절대 습도가 낮습니다.
점 3 (실내와 실외의 혼합 공기): 점 1과 점 2를 연결하는 직선 상에 위치하며, 혼합 비율에 따라 두 점 사이에 위치합니다.
점 4 (공기조화기 가열기 출구): 가열 코일을 통과한 후의 공기 상태점입니다. 점 3에서 시작하여 가열만 이루어지므로 절대 습도는 변하지 않고 건구 온도만 상승합니다. 점 3과 점 4를 잇는 과정은 수평선(등절대 습도선)으로 나타납니다.
점 5 (공기조화기 온수 가습기 출구): 가열된 공기가 가습기를 통과한 후 실내로 공급되는 공기 상태점입니다. 점 4에서 시작하여 가습이 이루어지므로 절대 습도가 증가하고, 온수 가습의 경우 열 공급이 동반되어 건구 온도도 약간 상승하거나 거의 일정하게 유지될 수 있습니다. 점 4에서 점 5로의 과정은 우상향하는 직선 형태를 띠며, 이 과정의 기울기가 가습 방식의 열수분비를 나타냅니다.

과정: 1 (실내) + 2 (실외) -> 혼합 (점 3) -> 가열 (점 3에서 점 4로) -> 가습 (점 4에서 점 5로) -> 실내 공급 (점 5)

습공기선도 상에서 점 3에서 점 4로의 과정은 우측으로 이동하는 수평선이며, 점 4에서 점 5로의 과정은 위로 이동하는 형태를 띠는데, 가습 방식에 따라 기울기가 달라집니다 (예: 등엔탈피 가습, 등온 가습 등). 온수 가습은 일반적으로 엔탈피가 증가하므로 우상향합니다.