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1. 서론
1.1. 실험 목적
히트펌프 실험의 목적은 다음과 같다.
히트펌프의 냉난방 원리를 이해하고, 히트펌프 실험장치의 구조와 조작방법을 익힌다. 각 실험장치 부품마다 입구온도의 변화에 따른 소비전력, 압력, 온도, 전압, 전류를 측정하여 압력-엔탈피 선도를 그려본다. 그 선도를 통해 오차와 발열량, 응축열량, 증발열량, 냉난방성능계수(COP)를 측정한다. 이를 통해 히트펌프 시스템의 열역학적 특성을 이해하고, 실제 사이클과 이상적인 사이클의 차이점을 분석할 수 있다.
히트펌프는 저온의 열원(물, 공기 등)에서 열을 흡수하여 고온의 열원(난방, 온수 등)에 열을 주는 장치이다. 압축기에서 냉매가 압축되어 고온고압 상태가 되고, 응축기에서 열을 방출하여 냉매가 액화된다. 팽창밸브를 통과하면 저온저압 상태가 되어 증발기에서 열을 흡수하며 기화한다. 이러한 사이클이 반복되면서 저온열을 고온열로 전환한다.
이상적인 사이클과 실제 사이클의 차이는 주로 압축기와 팽창밸브에서의 압력 손실, 배관에서의 열 손실 등에 의해 발생한다. 이를 분석하기 위해 실험 시 온도와 압력을 측정하고, 엔탈피 변화를 계산하여 성능 지표인 COP를 구하게 된다. 또한 실험 과정에서 발생하는 오차 요인을 분석하여 향후 실험 설계 및 측정 방법 개선에 활용할 수 있다.
1.2. 실험 이론 및 원리
히트펌프(Heat Pump)의 실험 이론 및 원리이다.
히트펌프란 저온의 열원(물, 공기 등)으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원(난방 등의 열원)에 열을 주는 장치이다. 즉, 기본적인 히트펌프 시스템은 외기, 저온수, 우물물 등의 저온 열원으로부터 열을 흡수하여 따뜻한 실내공기, 온수 등의 고온 열원을 만들어 열이 필요한 곳에서 열을 방출하는 장치이다. 이와 같이 저온부에서 고온부로 열을 이동시키기 위해서는 구동에너지가 필요하다.
열원측(히트펌프에서 열을 받는 부분)과 히트펌프에서 열을 방출하는 부분의 열 교환매체에 따라서 공기 대 공기, 공기 대 물, 물 대 공기 및 물 대 물 방식으로 구분할 수 있다. 또한 유럽 및 북미 등지에 많이 보급되어 있는 지열이용 히트펌프시스템에서는 지열이 중요한 열원으로 이용되고 있으므로, 지열 대 물 또는 지열 대 공기의 방식도 생각할 수 있다.
구동에너지로 가장 많이 사용되고 있는 것은 전기 에너지로서 히트펌프 시스템의 작동 유체인 냉매를 압축하기 위한 압축기의 구동에 사용된다. 전기 에너지 이외에도 열에너지를 이용한 구동을 들 수 있는데 증기, 고온수, 연소가스 등을 이용하는 흡수식 히트펌프가 대표적인 예이다. 또한 연료를 직접 연소시키는 엔진을 이용하여 동력을 얻고, 이를 냉매의 압축을 위한 압축기의 구동에 이용하는 방식도 있는데, 가스를 연소시키는 엔진을 이용하여 히트펌프를 작동시키는 시스템이 많이 보급되어 있다. 열원으로 구동되는 엔진을 이용하는 스터링 엔진 구동히트펌프 및 VM(Vuilleumier)사이클 히트펌프도 널리 연구되어, 실용화가 시작되고 있다.
히트펌프 방식에서 냉방과 난방 시 전환하여 사용하는 것은 사방 전환 밸브이다. 사방 전환 밸브는 냉매의 흐름을 바꾸어 냉방 사이클과 난방 사이클을 전환할 수 있도록 한다.
이상적인 증기압축 냉동 사이클은 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정으로 구성되며, 이 과정은 압력-엔탈피(P-h) 선도로 나타낼 수 있다. 압축과정(1-2)은 마찰이 없는 단열과정으로 엔트로피가 일정하다. 응축과정(2-3)은 일정 압력 하에서 열을 방출하며, 액화된다. 팽창과정(3-4)은 엔탈피 일정인 과정이며, 증발과정(4-1)은 일정 압력 하에서 열을 흡수하며 증발한다.
이러한 이상적인 증기압축 냉동 사이클은 관습상 P-h 선도에 표시하는 경우가 흔하다. P-h 선도에서는 고압·저압의 2압력 사이에서 운전되는 것이 명확히 나타나며, 각 과정에서 열량 및 동력을 쉽게 파악할 수 있다. 압축기의 소요동력(w_C)은 h_2 - h_1으...
