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1. 냉동 사이클
1.1. 실험 목적
본 실험의 목적은 다음과 같다:
가. 냉동 기관의 작동 원리를 알아보는 것이다. 냉동 사이클의 구성품을 조사하고 이해하며, 냉동 사이클의 장치 개략도를 이해하는 것을 목적으로 한다. 또한 냉동 사이클의 P-H선도를 그려보고 이를 이용하여 온도, 압력, 기체와 액체의 혼합비 등 여러가지 수치를 알아내어 냉동 사이클을 해석하고 이해하고자 한다.
나. 냉동 사이클을 이해하고 성능 지표인 COP(성능계수)를 구해보는 것이다. 이를 통해 실험에서 다룬 냉동 사이클의 효율을 평가하고자 한다.
1.2. 실험 이론 및 원리
1.2.1. 냉동 사이클
냉동 사이클이란 열역학의 중요한 응용 분야 중 하나로, 저온 영역에서 고온 영역으로 열을 이동시키는 냉동 분야에 사용되는 장치이다. 냉동기(Refrigerator) 또는 열펌프(Heat pump)라고도 불리며, 이들이 사이클로 작동될 때 냉동사이클이라고 한다.
가장 많이 사용되고 있는 냉동 사이클은 증기 압축 냉동 사이클로서, 냉매의 증발과 응축 과정의 열전달을 이용한다. 이 방식 외에도 냉매가 항상 기체 상태로 작동되는 기체냉동, 냉매가 압축되기 전에 액체에 흡수되는 흡수식(Absorption) 냉동, 그리고 서로 다른 2종의 도체에 전류를 통과시켜 Peltier 효과를 이용한 열전냉동 등의 냉동 방식이 있다.
냉매란 넓은 의미에서 냉각 작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 특히 냉동 장치, 열펌프, 공기조화장치 및 소온도차 열 에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발부)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하고 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동 유체를 말한다. 일반적으로 증발 또는 응축의 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를 1차 냉매(Primary Refrigerant)라고 하며, 단상 상태에서 감열 열전달을 통하여 열을 교환하는 냉매를 2차 냉매(Secondary Refrigerant)라고 한다.
냉매는 저온에서 증발 압력이 대기압보다 높고, 상온에서 응축 압력이 낮으며, 증발 잠열이 크고 액체의 비열이 작은 등의 일반적인 구비조건을 만족해야 한다. 또한 화학적으로 안정적이고 냉매 증기가 압축열에 의해 분해되지 않으며, 전기 저항이 크고 절연 파괴를 일으키지 않는 등의 조건을 갖추어야 한다. 이러한 조건을 충족하는 이상적인 냉매는 실제로 존재하지 않으므로, 냉동공조 설계 시 적용 냉매를 선정할 때는 압축기의 종류, 증발 온도와 압력, 응축 압력 등의 열역학적 조건을 신중히 고려해야 한다.
냉매의 종류로는 할로겐화 탄화수소 화합물, 프레온(CFC) 냉매, HFC(Hydro Fluoro Carbon)계 냉매, HCHC(hydro Chloro Fluoro Carbon) 냉매 등이 있다. 프레온 냉매는 기존에 널리 사용되어왔지만, 오존층 파괴와 지구 온난화에 영향을 미치는 단점이 있어 점차 대체 냉매로 전환되고 있다.
냉동 사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 그리고 증발기의 4가지 주요 구성요소로 이루어진다. 압축기는 증발기에서 나온 저압의 냉매를 흡입하여 고온고압의 냉매로 만들어 응축기로 공급한다. 응축기는 고온고압의 냉매증기를 냉각수나 공기로 냉각시켜 액화시킨다. 팽창밸브는 응축기에서 나온 고압의 액체 냉매를 감압하여 저압상태로 만들고, 증발기로 보낸다. 증발기는 저압의 액체 냉매가 기화되면서 주변의 열을 흡수하여 냉각 효과를 발휘한다. 이러한 과정이 반복되며 냉동 사이클이 작동된다.
1.2.2. 냉매
냉매란 냉동 장치, 열펌프, 공기조화장치 및 저온 열 에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발부)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동 유체를 말한다. 일반적으로 증발 또는 응축의 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를 1차 냉매(Primary Refrigerant)라고 하고, 단상 상태에서 감열 열전달을 통하여 열을 교환하는 냉매를 2차 냉매(Secondary Refrigerant)라 한다. 그러나 기체 사이클에 적용하는 공기, 헬륨, 수소 등은 1차 냉매로 분류하고 주요 2차 냉매로는 브라인 및 부동액 등이 있다. 2차 냉매는 항상 1차 냉매와 더불어 사용되며 공기 냉동기에서 냉매인 공기는 상변화를 하지는 않지만 1차 냉매이다.
1.2.3. 냉매의 일반적...
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