공조냉동기계기사 증기 분사식 냉동기와 카르노 사이클

증기 분사식 냉동기

 - 증기 분사식 냉동기는 '이젝터'와 같은 노즐이 중요함.

 - 노즐을 거치면 교축 현상 (압력, 온도 감소, 엔탈피 일정)이 일어나는 것을 이용한 냉동방식임

 

1. 증발기에서 냉수(~30℃)를 주입해서 그 냉수가 차갑게 되면서(~5℃) 실내로 불어 들어가서 에어컨이 된다고 이해하면 됨

2. 근데 이 냉수를 차갑게 하기 위해 냉매(←이게 순환 냉매)가 지나가는 배관이 지나감

3. 그 냉매는 이젝터 쪽으로 흘러감 

4. 이젝터에서는 고온 고압의 증기를 넣어서 저온 저압의 증기 (엔탈피 일정)로 교축현상 일어나고 있음.

5. 그래서 냉매가 저온 저압인 곳으로 이동하면서 증발도 됨

6. 그래서 증발기를 지나는 배관이 차가운 상태고 냉수를 차갑게 해주는 원리라고 함.

7. 이젝터 쪽으로 이동한 증발된 증기가 복수기라는 곳에서 다시 액화됨 (응축기)

8. 그게 다시 순환됨.

 

+ 공기 압축식 냉동기

 → 비행기 같은 곳에서 쓴다고 함. 비행기 앞 쪽으로 매우 빠른 속도로 공기가 들어오니 유로의 통로만 줄이면 압축하기가 매우 쉬운 상태

 

전자 냉동법

 전자 냉동법은 '열전 효과'를 일컫는다. (냉장고에서 많이 쓰는 것으로 알고 있음)

 

1. 이종의 금속에 전기를 흘리면 흡열과 발열 반응이 나타남 → 흡열부를 냉동하는 쪽으로 사용함 

 : 펠티어 효과

2. 거꾸로 이종 금속에 열이 가해지면 전기도 발생함 → 지역난방 발전기로 쓰인다고 함. (작게는 thermocouple의 원리이기도 함)

 : 제벡 효과

 

동종의 금속에 뭘 하는 건 톰슨 효과라고 함

 

히트 펌프

- 히트 펌프는 난방을 하는 장치임. 그런데, 냉동 사이클을 거꾸로 돌려서 이용함.

- 증발기가 실내에서 차갑게 해 줬고, 응축기가 실외에서 뜨겁게 바람을 빼줬으니 응축부를 실내로 돌리면 난방이 되겠네? 에서 고안됨.

- 히트 펌프를 사용하기 위해서는 4 way 밸브가 필요함.

- 4 way밸브를 통해 여름에는 우리가 알던 냉동사이클을 돌리고 겨울에는 난방사이클을 돌림. (실제로 냉매를 거꾸로 돌릴 수는 없고, 밸브 여닫음을 통해서 냉매가 원하는 방향으로 가게 함)

 

카르노 사이클

1. 최대 효율을 갖는 이상적인 열기관임

 P-V 선도에서 아래와 같이 그림이 그려지고, T-S 선도 또한 그릴 수 있음.

 P-V 선도와 T-S선도를 그렸을 때, 열기관의 순서를 그리면

  1->2 : 등온 팽창 (팽창하면서 온도가 일정함, isothermal) 

  2->3 : 단열 팽창 (엔트로피가 일정함, isentropic)

  3->4 : 등온 압축 

  4->1 : 단열 압축

 

2. 에너지 Q1을 가해주면, 뭔가 일 W를 할 수 있고, 나머지 소실 되는 열로 Q2가 빠져나옴.

 → Q1-Q2 = W 임

 

3. 효율은 그럼 (required output, 원하는 결과/ desired input, 요구되는 입력) 이렇게 표현됨. 

→ W/Q1 임. 근데 위에서 Q1- Q2 = W였음. 

→ (Q1-Q2 ) / Q1 = 1- Q2/Q1 임.

 

4. T-S 선도에서 엔트로피 정의가 ds = dq/T였음. 그러므로 dq=Tds인데

 그 말은 즉슨 Q1 = T1(S2-S1), Q2=T2(S2-S1) 이렇게 나타낼 수 있음

 위에 식에 집어넣으면 1-T2/T1으로 정리할 수 있음

역 카르노 사이클

1. 최대 효율을 갖는 이상적인 냉동사이클임. 위에랑 같으나 이번엔 시계 방향으로 순환함. 그리고 1번이 왼쪽 아래임

 1->2 : 등온팽창

 2->3 : 단열압축

 3->4 : 등온압축

 4->1 : 단열압축

 

2. 이때, 효율의 '개념'에 맞게 생각해 보면 우리는 일(W)를 해서 흡열(Q2)을 해야 함. 그러므로 

 효율 = Q2/W = Q2/(Q1-Q2) = T2/(T1-T2)가 됨. 사실 이걸 COP(성적계수)라고 함.

 

히트 펌프의 효율

 이때, 아까 말한 히트펌프도 마찬가지로 같은 냉동 사이클을 지나는데, 증발부의 뜨거운 곳이 우리가 얻어내고 싶은 결과임.

 효율 = Q1/W = Q1/(Q1-Q2) = T1/(T1-T2)로 산출됨