[자연과학] 냉동공학 - 단단압축 증기 냉동 사이클 성능실험

1. 실험제목 : 단단압축 증기 냉동 사이클 성능실험

2. 실험목적

- 기본적인 냉장고 사이클을 통해 냉동기의 기본 구조와 운전 특성을 관찰하고, 주요 구성요소인 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기의 출구온도, 고압부, 저압부를 측정하여 냉동기 성능을 측정하고 고찰한다.

3. 이론(원리)

1) 증기선도

- 냉매는 냉동기 내에서 액상-기상의 상변화를 반복하면서 냉동사이클을 수행한다. 냉동기 내의 냉매의 변화상황을 상세하게 알기 위해서 냉매의 상태를 도시하는 선도, 즉 냉매의 증기선도를 만들어 이 선도상에 냉매의 변화상황을 표시하여 해석한다. 종류에는 압력-엔탈피 선도, 온도-엔트로피 선도가 있다.
냉매의 P-h선도
냉매의 T-s선도
역카르노 사이클

2) 각 구성 기기의 특성

- 가) 압축기 : 증발기에서 증발한 저온 저압의 냉매가스를 압축시켜 고압 고온의 냉매가스로 만드는 역할을 한다. 고압으로 만드는 이유는 응축기의 공기와 물을 이용하여 증발한 냉매가스를 상온에서 쉽게 응축을 시키기 위해서이다. 전체적인 사이클 장치에서 유일하게 동력이 들어가는 장치다. 압축기 흡입구는 저압 저온의 냉매가스가 들어오며 압축기 토출구에서 고압 고온의 냉매가스가 토출된다. 압축방식에 따라 왕복식 압축기, 회전식 압축기, 원심식, 압축기, 스크류 압축기, 스크롤 압축기로 나누어진다.
- 나) 응축기 : 냉매가스를 냉매액으로 응축시키는 역할을 하는 장치로 압축기에서 압축된 고압 고온의 가스를 냉각수 또는 공기를 이용하여 잠열을 흡수하여 냉매액으로 만들어준다. 응축기 입구에 고압의 냉매가스가 들어오며 출구에서 고압의 냉매액이 빠져나가게 된다. 이 과정에서 증발기에서 받은 엔탈피와 압축기에서 받은 동력을 방열시킨다. 응축기는 따라서 열교환기의 일종이며 열교환매체에 따라 크게 공기냉각방식, 물냉각방식, 증발방식으로 나뉘어진다.

- 다) 팽창장치 : 응축기에서 온 고압 고온의 냉매액을 팽창시켜 저압 저온으로 떨어뜨리는 장치로 이 과정에서는 단열로 이루어지므로 엔탈피의 변화는 없다. 팽창과정에서 압력이 떨어져 냉매액 일부가 기화하면서 온도가 낮아지는데 이 때 기화된 기체를 Flash Gas 라고 하며 이 가스가 되면서 냉동기능을 상실하게 된다. 증발기 내 냉매량 조절은 냉동부하에 따라 냉매량의 주입이 조절됨으로써 압축기 내에 냉매액의 유입을 방지하고 냉동시스템의 균형을 이루게 한다. 많이 쓰이는 팽창장치로 모세관이 있다.

- 라) 증발기 : 실질적인 냉동효과를 내는 장치로 저압 저온의 냉매가 증발기로 들어가 피냉각체에서 잠열을 흡수하면서 피냉각체의 냉동효과를 만들어 내며 잠열과정이므로 냉매의 온도변화 없이 상태변화를 하면서 저압 저온의 냉매가스로 증발을 하게된다. 증발기는 전열작용이 양호하여 소형화가 가능하고 간단하며, 냉매량이 적어도 충분한 냉매효과를 얻을 수 있는 것이 필요하다. 증발기는 크게 액체냉각용과 공기냉각용으로 구분할 수 있다.

4. 실험방법

① 압축 사이클을 가동시킨 후 냉매 순환을 위해 20분정도 기다린다.

② 20분이 지난 후 응축기 입구부분과 증발기 출구 부분의 온도를 디지털 온도계로 측정하고 압축기 입구쪽과 출구쪽의 압력게이지를 확인한다.

③ 20분을 더 기다린 후 2차 측정을 한다.

④ 이 과정을 반복하여 총 4차 측정을 실시한다.

5. 사용기구

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6. 실험결과