공조냉동기계기사필기, 공조냉동기계기술사 필기(냉동공학) 요약집

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1. 냉동 사이클

냉동 사이클은 어떤 상태에서 출발하여 최초의 상태로 되돌아오는 과정에서 냉각 작용을 하는 사이클입니다. 냉동 사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 기본적으로 구성되며, 기체, 액체, 온도, 압력의 상태가 변화하면서 순환합니다. 주요 냉동 사이클에는 증기 압축 냉동 사이클과 흡수 냉동 사이클이 있습니다.
2. 냉동기의 성적계수 (COP)

냉동기나 열펌프의 성능을 표시하는 무차원수인 COP는 소비 에너지와 출력의 비로 나타냅니다. 냉동 효과를 압축일로 나눈 값이 COP이며, 이를 통해 냉동기의 성능을 평가할 수 있습니다. 또한 열펌프의 성적계수(HCOP)도 방출 열량을 펌프 동력으로 나눈 값으로 계산할 수 있습니다.
3. 증기 압축 냉동 사이클의 종류

증기 압축 냉동 사이클에는 단단 압축 냉동 사이클, 다단 압축 다팽창 냉동 사이클 등이 있습니다. 단단 압축 냉동 사이클은 일반적으로 냉동 능력이 낮은 경우에 사용되며, 다단 압축 다팽창 냉동 사이클은 압축비 증대에 의한 압축 효율 저하를 방지하고 낮은 증발 온도를 얻기 위해 사용됩니다.
4. 냉매

냉매는 증발/응축의 상변화 과정을 통해 열을 흡수하고 방출하는 1차 냉매와 단상 상태에서 현열 전달을 통해 열교환하는 2차 냉매로 구분됩니다. 냉매로는 할로카본, 탄화수소, 유기화합물, 무기화합물 등이 사용되며, 냉매의 구비 조건으로는 높은 증발잠열, 낮은 응축압력, 화학적 안정성 등이 요구됩니다. 또한 오존층 파괴와 지구 온난화 문제로 인해 CFC, HCFC 냉매의 사용이 규제되고 있습니다.
5. 압축기

압축기는 냉매의 압력을 증가시키는 장치로, 왕복동식, 터보식, 로타리식 등 다양한 종류가 있습니다. 압축기의 용량, 체적효율, 압축효율, 등엔트로피 효율 등의 성능 지표를 통해 압축기의 특성을 파악할 수 있습니다. 또한 액 압축 현상에 주의해야 하며, 이를 방지하기 위한 대책으로 적정 냉매 충전량 유지, 크랭크 케이스 히터 설치 등이 필요합니다.
6. 응축기

응축기는 냉매의 열을 방출하는 장치로, 열 방출 방식에 따라 수냉식, 공랭식, 증발식 응축기로 구분됩니다. 응축기의 용량은 증발기의 냉각 열량과 압축기의 압축 열량의 합으로 결정되며, 응축기의 종류와 설치 환경에 따라 달라집니다.
7. 증발기

증발기는 냉매가 증발하면서 주변의 유체로부터 열을 흡수하는 장치입니다. 증발 형태에 따라 막증발, 풀비등, 강제대류비등 등으로 구분되며, 용도와 설치 환경에 따라 다양한 종류의 증발기가 사용됩니다.
8. 냉동기유 (윤활유)

냉동기유는 압축기의 윤활 작용, 냉각 작용, 밀봉 작용 등을 수행하는 중요한 역할을 합니다. 냉동기유는 응고점이 낮고, 열안정성이 좋으며, 냉매와 화학적으로 안정적인 특성을 가져야 합니다. 또한 냉동 시스템에서 냉동기유의 관리가 중요한데, 배관 길이가 길거나 오일 토출이 많은 압축기 사용 시 유분리기 설치, 저온 증발기에 오일 유입 방지 등의 대책이 필요합니다.
9. 냉매 배관

냉매 배관 시공 시 주의사항으로는 냉매의 종류에 따른 적절한 배관 재질 선정, 압력 손실 최소화를 위한 배관 설계, 냉매 흐름 방향에 따른 배관 경사 등이 있습니다. 또한 증발기 흡입관, 압축기 흡입관, 압축기 토출관 등 배관 위치별로 주의해야 할 사항이 다릅니다.
10. 열펌프

열펌프는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 보다 높은 온도의 대상 공간으로 열을 방출하는 시스템입니다. 냉동 사이클도 열펌프에 해당하며, 최근에는 냉매 사이클의 흐름을 바꾸어 냉방과 난방을 겸용하는 히트펌프식 냉난방기가 널리 보급되고 있습니다. 열펌프의 열원으로는 대기, 지열, 태양열, 폐열 등 다양한 열원이 활용되고 있습니다.
11. 흡수식 냉동기

흡수식 냉동기는 저압 조건에서 증발하는 냉매의 증발 잠열을 이용하며, 흡수제에 혼합되어진 냉매를 외부 열원으로 가열하여 분해해 낸 후 냉각수에 의해 응축해 다시 증발기로 보내어지는 순환 사이클입니다. 단효용, 2중효용, 3중효용 등 다양한 종류의 흡수식 냉동기가 있으며, 폐열이나 태양열 등 다양한 열원을 활용할 수 있습니다.

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1. 냉동 사이클

냉동 사이클은 냉동 시스템의 핵심 원리로, 냉매의 상태 변화를 통해 열을 흡수하고 방출하는 과정입니다. 이 사이클은 압축, 응축, 팽창, 증발의 4단계로 구성되며, 각 단계에서 냉매의 온도와 압력이 변화합니다. 냉동 사이클은 냉장고, 에어컨, 히트펌프 등 다양한 냉동 시스템에 적용되며, 효율적인 냉동 성능을 위해서는 각 구성 요소의 최적화가 중요합니다. 냉동 사이클에 대한 이해는 냉동 시스템 설계 및 운영에 필수적입니다.
2. 냉동기의 성적계수 (COP)

냉동기의 성적계수(Coefficient of Performance, COP)는 냉동기의 효율을 나타내는 지표로, 투입된 일에 대한 얻어진 냉열량의 비율을 의미합니다. COP가 높을수록 냉동기의 효율이 높다고 볼 수 있습니다. COP는 냉동기의 설계, 운전 조건, 냉매 종류 등에 따라 달라지며, 일반적으로 2~6 사이의 값을 가집니다. 냉동기의 에너지 효율을 높이기 위해서는 COP를 최대화하는 것이 중요하며, 이를 위해 냉동 사이클의 최적화, 고효율 압축기 사용, 열교환기 성능 향상 등의 노력이 필요합니다.
3. 증기 압축 냉동 사이클의 종류

증기 압축 냉동 사이클은 가장 널리 사용되는 냉동 사이클로, 크게 단일 단계 사이클과 다단계 사이클로 구분됩니다. 단일 단계 사이클은 압축, 응축, 팽창, 증발의 4단계로 구성되며, 단순한 구조로 인해 소형 냉동기에 주로 적용됩니다. 다단계 사이클은 압축 과정을 2단계 이상으로 나누어 수행하며, 대형 냉동기나 열펌프 시스템에 주로 사용됩니다. 다단계 사이클은 단일 단계 사이클에 비해 압축 작업을 분산시켜 효율을 높일 수 있습니다. 또한 중간 냉각 과정을 통해 냉매의 엔탈피 변화를 줄일 수 있어 성능 향상에 도움이 됩니다. 냉동 시스템의 용도와 규모에 따라 적절한 증기 압축 냉동 사이클을 선택하는 것이 중요합니다.
4. 냉매

냉매는 냉동 사이클에서 열을 흡수하고 방출하는 핵심 물질입니다. 냉매의 종류와 특성에 따라 냉동 시스템의 성능과 환경적 영향이 달라집니다. 과거에는 염화불화탄소(CFC) 계열의 냉매가 널리 사용되었으나, 오존층 파괴 문제로 인해 현재는 수소불화탄소(HFC) 및 수소불화올레핀(HFO) 계열의 대체 냉매가 주로 사용되고 있습니다. 이러한 냉매들은 오존층 파괴 지수가 낮고 지구 온난화 지수도 낮아 환경 친화적입니다. 향후에는 자연 냉매인 암모니아, 이산화탄소, 탄화수소 등의 사용이 증가할 것으로 예상됩니다. 냉매 선택 시에는 열역학적 특성, 안전성, 환경성 등을 종합적으로 고려해야 합니다.
5. 압축기

압축기는 냉동 사이클에서 냉매 증기를 압축하여 고온 고압의 상태로 만드는 핵심 구성 요소입니다. 압축기의 종류와 성능은 냉동 시스템의 효율과 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 대표적인 압축기 종류로는 왕복동 압축기, 회전 압축기, 스크롤 압축기, 나사 압축기 등이 있으며, 각각의 장단점이 있습니다. 압축기 선정 시에는 냉동 용량, 압축 비, 냉매 특성, 에너지 효율, 신뢰성 등을 고려해야 합니다. 또한 압축기의 윤활, 냉각, 진동 제어 등 다양한 설계 요소도 중요합니다. 압축기 기술의 발전은 냉동 시스템의 성능 향상에 크게 기여하고 있습니다.
6. 응축기

응축기는 냉동 사이클에서 고온 고압의 냉매 증기를 액화시키는 열교환기입니다. 응축기의 성능은 냉동 시스템의 효율과 용량에 큰 영향을 미칩니다. 공기냉각식, 수냉식, 증발식 등 다양한 응축기 유형이 있으며, 각각의 장단점이 있습니다. 응축기 설계 시에는 냉매 종류, 열부하, 주변 환경 조건 등을 고려해야 합니다. 또한 응축기 내부의 열전달 및 압력 강하 특성을 최적화하여 에너지 효율을 높이는 것이 중요합니다. 최근에는 마이크로채널 기술, 표면 처리 기술 등을 활용하여 응축기 성능을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
7. 증발기

증발기는 냉동 사이클에서 저온 저압의 냉매가 기화되면서 주변 열을 흡수하는 열교환기입니다. 증발기의 성능은 냉동 시스템의 냉각 능력과 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 증발기 유형으로는 직접 팽창식, 액체 분배식, 열관류식 등이 있으며, 각각의 장단점이 있습니다. 증발기 설계 시에는 냉매 종류, 열부하, 공기 유동 특성 등을 고려해야 합니다. 또한 증발기 내부의 열전달 및 압력 강하 특성을 최적화하여 에너지 효율을 높이는 것이 중요합니다. 최근에는 마이크로채널 기술, 표면 처리 기술 등을 활용하여 증발기 성능을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
8. 냉동기유 (윤활유)

냉동기유는 냉동 시스템의 압축기와 기타 구성 요소를 윤활하고 냉각하는 역할을 합니다. 적절한 냉동기유 선택은 냉동 시스템의 신뢰성과 수명에 매우 중요합니다. 대표적인 냉동기유 종류로는 광물유, 알킬벤젠, 폴리알킬렌글리콜(PAG), 폴리올레스터(POE) 등이 있으며, 각각의 특성과 적용 범위가 다릅니다. 냉동기유 선정 시에는 냉매 종류, 압축기 유형, 운전 조건 등을 고려해야 합니다. 또한 냉동기유의 열적 안정성, 윤활성, 화학적 호환성 등도 중요한 요소입니다. 최근에는 에너지 효율 향상을 위해 저점도 냉동기유 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
9. 냉매 배관

냉매 배관은 냉동 시스템에서 냉매를 순환시키는 핵심 구성 요소입니다. 배관 설계 및 시공의 적절성은 냉동 시스템의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 배관 설계 시에는 냉매 종류, 배관 재질, 배관 직경, 배관 길이, 배관 경로 등을 고려해야 합니다. 또한 배관 내 압력 강하, 냉매 유속, 액체 및 기체 상태 변화 등의 열역학적 특성을 분석하여 최적화해야 합니다. 배관 시공 시에는 배관 연결부의 밀봉, 배관 지지, 배관 보온 등이 중요합니다. 최근에는 배관 재질 및 형상 개선, 배관 설계 자동화 등의 기술 발전으로 냉매 배관 설계 및 시공의 효율성이 향상되고 있습니다.
10. 열펌프

열펌프는 냉동 사이클을 역으로 활용하여 저온의 열원으로부터 고온의 열을 추출하는 장치입니다. 열펌프는 냉방, 난방, 급탕 등 다양한 용도로 사용되며, 에너지 효율이 높아 친환경적인 장점이 있습니다. 열펌프의 종류로는 공기-공기, 공기-수, 지열, 수열 등이 있으며, 각각의 특성과 적용 분야가 다릅니다. 열펌프 설계 시에는 열원 특성, 열부하, 냉매 선정, 압축기 선정 등을 고려해야 합니다. 또한 열펌프의 에너지 효율을 높이기 위해 열교환기 성능 향상, 가변 속도 압축기 적용, 제어 시스템 최적화 등의 기술 개발이 필요합니다. 향후 열펌프 기술의 발전은 건물 에너지 효율화와 탄소 중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
11. 흡수식 냉동기

흡수식 냉동기는 열원을 이용하여 냉매를 압축하는 대신 용액의 흡수와 탈착 과정을 통해 냉매를 순환시키는 냉동 시스템입니다. 흡수식 냉동기는 전기 구동 압축식 냉동기에 비해 에너지 효율이 높고 소음이 적은 장점이 있습니다. 주로 열병합 발전소, 지역난방 시설, 태양열 냉방 시스템 등에 적용되며, 산업용 및 상업용 냉방에도 활용됩니다. 흡수식 냉동기의 성능은 작동 유체(냉매-흡수제 혼합물)의 특성, 열교환기 설계, 제어 시스템 등에 의해 결정됩니다. 최근에는 암모니아-물, 리튬브롬-물 등의 작동 유체와 고효율 열교환기 기술을 활용하여 흡수식 냉동기의 성능을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.