소개글
"냉동사이클 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적
1.1. Carnot 사이클에 대한 이해와 실험적 확인
1.2. Normal 사이클과 Reverse 사이클의 분석 및 성능계수 비교
1.3. 자기유지회로 동작원리 파악과 표준 냉동기 운전
1.4. 실험 결과 분석 및 P-H 선도 작성
1.5. 냉동기 성능계수(COP) 도출
1.6. 이상 사이클과 실제 사이클의 차이점 이해
2. 실험 이론 및 원리
2.1. 표준냉동사이클 개략도 이해
2.2. 사이클 순환과정 분석
2.3. 냉매의 역할과 필요 구비조건
2.4. P-H 선도상 포화액선, 포화증기선 등의 개념
2.5. COP(성능계수)의 개념과 향상 방안
3. 실험 기구 및 시약
3.1. 실험 재료 제시 및 구성 설명
4. 실험 방법
4.1. 실험 과정 단계별 설명
5. 실험 결과
5.1. 실험 데이터 분석 및 계산
5.2. P-H 선도 작성
5.3. 사이클 성능 비교
6. 토의 사항
6.1. 이론상 사이클과 실제 사이클의 차이점 분석
6.2. 오차 발생 원인 고찰
6.3. 냉동기 성능 향상 방안
7. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적
1.1. Carnot 사이클에 대한 이해와 실험적 확인
Carnot 사이클에 대한 이해와 실험적 확인이다. 이상적인 Carnot 사이클은 두 개의 등온과정과 두 개의 단열과정으로 구성되어 있다. 실제 냉동 사이클은 이상적인 Carnot 사이클과 다소 차이가 있다. 실제 사이클에서는 열교환기와 배관에서의 압력 손실, 압축기의 비가역적 압축 과정, 팽창 밸브에서의 교축 현상 등으로 인해 이상적인 Carnot 사이클과 구별된다. 따라서 실험을 통해 실제 냉동 사이클의 특성을 파악하고 이상적인 Carnot 사이클과 비교해볼 필요가 있다. 실험을 통해 압력-엔탈피 선도를 작성하고 각 지점의 온도, 압력, 엔탈피 등을 측정함으로써 실제 사이클의 거동을 이해할 수 있다. 또한 실제 사이클의 성능계수(COP)를 도출하고 이를 이상적인 Carnot 사이클과 비교함으로써 실제 사이클의 효율을 평가할 수 있다. 이를 통해 실제 냉동 사이클과 이상적인 Carnot 사이클 간의 차이점을 분석하고 이해할 수 있다.
1.2. Normal 사이클과 Reverse 사이클의 분석 및 성능계수 비교
Normal 사이클과 Reverse 사이클은 냉동 및 열펌프 시스템에서 중요한 역할을 담당한다. Normal 사이클은 저온의 증발기에서 열을 흡수하여 고온의 응축기로 열을 이동시키는 과정이다. 반면, Reverse 사이클은 고온의 응축기에서 열을 흡수하여 저온의 증발기로 열을 이동시키는 과정이다.
Normal 사이클의 경우, 증발기에서 열을 흡수하여 냉각효과를 얻는다. 압축기에서는 저압의 냉매 증기를 고압으로 압축하여 응축기로 보내며, 응축기에서 냉매는 응축되어 액화된다. 이후 팽창밸브를 통과하면서 압력이 낮아지고 온도가 감소하여 다시 증발기로 보내져 냉각 사이클이 반복된다. 따라서 Normal 사이클은 냉각 목적으로 사용된다.
Reverse 사이클의 경우, 고온의 응축기에서 열을 흡수하여 저온의 증발기로 열을 이동시킨다. 압축기에서는 저온의 냉매 증기를 고압으로 압축하여 응축기로 보내며, 응축기에서 방열된 열은 저온의 증발기로 이동된다. 이후 팽창밸브를 통과하면서 온도가 낮아진 냉매가 다시 증발기로 보내져 난방 사이클이 반복된다. 따라서 Reverse 사이클은 난방 목적으로 사용된다.
이런 차이로 인해 Normal 사이클과 Reverse 사이클의 성능계수(COP)에도 차이가 나타난다. 성능계수는 냉동 시스템의 효율을 나타내는 지표로, 열을 흡수하는 능력 대비 일을 하는 비율이다. Normal 사이클의 경우, 저온의 증발기에서 흡수한 열을 고온의 응축기로 방출하므로 일반적으로 성능계수가 3~5 정도로 높게 나타난다. 반면, Reverse 사이클의 경우 고온의 응축기에서 흡수한 열을 저온의 증발기로 방출하므로 성능계수가 2~4 정도로 Normal 사이클보다 다소 낮게 나타난다.
이처럼 Normal 사이클과 Reverse 사이클은 작동 원리와 목적에 차이가 있으며, 이에 따라 성능계수에서도 차이를 보인다. 냉동 및 열펌프 시스템 설계 시 이러한 특성을 고려하여 적절한 사이클을 선택하는 것이 중요하다.
1.3. 자기유지회로 동작원리 파악과 표준 냉동기 운전
압축기는 증발기에서 열을 흡수하여 증발한 저온저압의 기체 냉매를 흡입 압축하여 압력을 상승시키고 분자간의 거리를 가깝게 하여 온도를 상승시킴으로써 상온의 응축기에서 쉽게 액화할 수 있도록 하는 역할을 한다. 즉 저열원의 증발기에서 냉매가 증발하며 얻은 열을 고온고압으로 하여 고열원은 응축기로 보내는 역할을 하며, 압축의 힘으로 냉매를 냉동기 내에 순환시키는 역할도 한다. 실제로 실험장치를 만지게 된다면 압축기 출구 부분이 100도가량 올라가게 되므로 다치지 않게 조심해서 실험을 해야 한다.
냉매는 넓은 의미에서 냉각 작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 특히 냉동장치, 열펌프 등의 사이클 내부를 순환하면서 증발기에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부인 응축기에서 열을 방출시키는 작동유체를 의미한다. 이번 실험에서 사용한 냉매는 R-134a로서 무색투명하며 내압용기에 액화충진 한다는 특성을 가지고 냉장고, 자동차, 제습기 등의 냉매로 사용되고 있다.
수액기는 응축기에서 액화한 냉매를 팽창밸브로 보내기 전에 일시 저장하는 용기이다. 수액기의 저장량은 냉동장치의 운전상태 변화에 따라 증발기 내의 냉매량이 변화하여도 항상 수액기 내에 잔류하여 장치의 운전을 원활하게 할 수 있는 용량이 필요하다. 또한 냉동장치를 수리하거나 장기간 정지할 경우 장치 내의 냉매를 폐수하는 역할도 한다.
왼쪽의 열교환기가 증발기 역할을 하고 오른쪽 열교환기가 응축기 역할을 한다. 냉방 시 왼쪽의 열교환기에서 저온저압의 냉매가 증발잠열을 흡수하여 냉동목적을 달성시키며, 오른쪽 열교환기에서는 압축기에서 축출된 고온고압의 가스 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축, 액화시키는 작용을 한다. 액체 상태로 만드는 이유는 잠열을 이용하여 최고의 성능을 발휘시키기 위함이며, 열교환을 활발하게 만들기 위해 플레이트 핀 형태의 열교환기가 장착되어 있다.
수동식 팽창밸브는 고온고압의 액체 냉매를 증발기에서 증발되기 쉽도록 저온저압의 액체 냉매로 단열팽창 시켜준다. 응축 액화된 냉매가 좁은 곳을 통해 급하게 넓은 곳으로 방출되면서 압력으로부터 해방되어 증발하기 시작한다. 또한 증발기에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 적정량을 조절해주기 위한 목적으로 팽창밸브가 설치되어 있다.
4방향밸브는 압축기에서 토출된 냉매가 흐르는 방향을 바꿔서 난방모드와 냉방모드로 변환시키기 위한 용도로 설치되어 있다.
1.4. 실험 결과 분석 및 P-H 선도 작성
실험 결과 분석을 통해 이상적인 사이클과 실제 사이클 간의 차이점을 알 수 있다. 이상적 사이클은 압축기와 팽창밸브를 통과할 때만 압력 변화가 있고, 응축기와 증발기에서는 압력이 일정하다고 가정하지만, 실제 사이클에서는 배관 내 마찰로 인해 압력 손실이 발생한다. 또한 외부로부터의 열 침입으로 인해 과열증기와 과냉각액 상태가 나...
참고 자료
노승탁, 최신 공업열역학, 문운당, 2018년 1월 10일, p. 297~316
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