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1. 냉동사이클 실험
1.1. 실험 목적
실험의 목적은 냉동사이클의 원리를 이해하고, 실험 장비를 조사하여 이해하며, 냉동사이클의 이론값과 실험값의 P-h선도를 그리고 이해하는 것이다.
냉동사이클은 주변의 열을 흡수하여 온도를 낮추는 시스템으로, 압축-응축-팽창-증발의 과정을 거친다. 이를 통해 냉매가 주위의 열을 흡수하여 냉각 효과를 발휘한다.
실험을 통해 냉동사이클의 구성 요소와 작동 원리를 이해할 수 있으며, 이론값과 실험값을 비교하여 차이점을 분석할 수 있다. 이를 바탕으로 실제 냉동 시스템의 효율을 높이기 위한 방안을 모색할 수 있다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 냉동사이클 원리
냉동사이클 원리는 다음과 같다. 냉동작용을 위해 냉매의 상태 변화를 유발하는 사이클이다. 압축기에서 압축된 고온·고압의 냉매가스가 응축기로 들어가게 되면 응축기에서 열교환되어 고온·고압의 액체상태의 냉매가 된다. 이 액체 상태의 냉매가 팽창밸브의 교축된 관로를 통하여 저온/저압의 액상상태의 냉매가 되고 이 냉매가 증발기로 유입되면 저온/저압의 냉매가 외부의 공기를 식혀 주면서 열을 받게 되어 저온/저압의 기체상태가 되어 다시 압축기로 들어가는 과정을 거치게 된다. 이와 같이 압축 변화된 냉매가 스로틀 작용의 영향으로 팽창하면 냉매의 압력이 강해져 증발하면서 주위에 있는 열을 흡수하게 된다. 이러한 냉동원리를 순환시키고 냉매를 재사용하기 위하여 압축 냉동기의 1회 사이클은 냉매가 압축기-응축기-팽창 밸브-증발기의 4가지 장치를 거치는 과정으로 하여 형성되는 사이클이다.
1.2.2. 냉매
냉매는 냉동사이클의 작동유체로서 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체에 열을 운반해주는 매체이다. 냉매는 증발기에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 응축기에서 열을 방출하는 역할을 한다.
1차 냉매는 증발기가 직접 냉각시키는 냉각기에 사용되는 냉매를 말한다. 대표적인 1차 냉매로는 암모니아(R717), 이산화탄소(R744), 염화불화탄소(CFCs), 수소화불화탄소(HFCs) 등이 있다. 이들 냉매는 직접적으로 냉각 대상에 접촉하여 열을 흡수하므로 열전달 효율이 높다.
2차 냉매는 먼저 액체를 냉각시킨 다음 그 액체를 이용하여 냉각 작용을 하는 "간접냉동법"에 쓰이는 냉매를 말한다. 대표적인 2차 냉매로는 물(H2O), 염화칼슘(CaCl2) 등의 용액이 있다. 2차 냉매는 열전달 매체로 사용되어 냉동기에서 흡수한 열을 냉각 대상에 전달하는 역할을 한다.
냉매 선택 시에는 증발잠열이 크고, 액화와 증발이 용이하며, 응고점이 낮고 임계온도가 높아 효과적인 냉동성능을 발휘할 수 있는 것이 중요하다. 또한 안전성, 환경성, 가격 등을 종합적으로 고려해야 한다. 최근에는 오존층 파괴 및 지구온난화 문제로 인해 환경친화적인 냉매 개발이 활발히 이루어지고 있다.
1.2.3. 성능계수(COP)
성능계수(COP)는 냉동기의 에너지 효율성을 나타내는 중요한 지표이다. 성능계수는 투입된 일의 양 대비 뽑아내거나 공급한 열량의 비로 정의된다.
냉동기의 성능은 투입한 동력에 대비한 열 이동량의 비율로 정의된다. 이론값과 실제값 사이에는 차이가 존재한다. 일반적으로 성능계수의 식은 다음과 같다.
COP = T2 / (T2 - T1)
여기서 T2는 증발기에서의 절대온도, T1은 응축기에서의 절대온도이다.
이론적인 냉동사이클에서는 과열과 과냉이 고려되지 않아 성능계수가 높게 나타난다. 실제 냉동사이클에서는 각 구성요소에서 손실이 발생하므로 이론값보다 실제값의 성능계수가 낮게 측정된다.
실험 결과를 보면, 이상적인 냉동사이클의 성능계수는 3.99인 반면, 실제 냉동사이클의 성능계수는 2.28로 나타났다. 이는 실제 냉동사이클에서 발생하는 열손실과 압력손실 등으로 인한 것이다.
따라서 실제 냉동기의 성능을 높이기 위해서는 각 구성요소에서 발생하는 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 이를 위해 냉매 선택, 압축기 효율 향상,...
