[기계공학]열펌프, 온도계측 실험 예비레포트

문서 내 토픽

1. 냉동기의 원리

냉동기는 저열원(refrigerated space)에 존재하고 있는 상대적으로 뜨거운 열을 고열원(warm environment)으로 보내서 물체를 원하는 온도로 하강시켜서 냉각시키는 장치이다. 하지만 저열원에서 고열원으로의 자연 이동은 열역학 제 2법칙에 위배된다. 따라서 냉각과정에서는 반드시 외부에서 주입되는 에너지를 소모되게 되며 이때 이 에너지인 동력을 소모하여 저열원에서 고열원으로 열 이동을 유도하는데 이러한 유도과정을 하는 장치를 냉동기라 한다. 냉동기의 구성은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 총 4개의 장치로 이루어져있다.
2. 열펌프의 난방 작동 원리

냉동기와 같이 기계적인 일을 가할 수 있으면 저온부에서 열을 빼내어 고온 물체에 방출할 수 있다. 이것은 보통의 액체용 펌프가 낮은 곳에서 높은 곳으로 물을 끌어 올리는 것과 같다고 할 수 있다. 이와 같은 열기관 사이클을 반대로 작용시켜 열을 이동시키는 것을 열펌프(Heat Pump)라고 한다. 열펌프는 냉각 및 가열 모두 작동할 수 있다. 대표적으로 많이 사용되는 형태는 압축식 열펌프이다. 압축식 열펌프는 에어컨이라고 불리는 냉방 장치의 역사이클이다.
3. 팽창밸브의 원리와 구조

팽창밸브는 응축기와 수액기를 통과한 고온고압의 액체냉매를 교축작용을 통해 저온 저압의 상태로 단열 팽창시킨다. 이후 이것을 증발기에 유입시키고 동시에 증발기의 부하에 따른 유량조절을 해주는 장치이다. 팽창밸브의 구조는 감온통, 모세관, 벨로우즈, 팽창 밸브 몸통이 있다. 감온통에서 증발기 출구부분의 저압관 온도를 감지하여 모세관을 지나서 감온통의 가스가 온도에 따라 벨로우즈를 팽창시키거나 수축시킨다.
4. 역 카르노 사이클과 실제 열펌프의 차이점

역 카르노 사이클은 가역 사이클이기 때문에 효율이 가장 높은 사이클이다. 실제 사이클들의 성능 수준을 비교 평가하는 기준이다. 실제 열펌프의 사이클은 역 카르노 사이클과 달리 압축 과정이 과열증기 영역에서 일어나고, 단열팽창 과정이 교축과정이다. 즉, 완전한 가역 단열이 일어날 수 없다. 또한 응축기와 증발기를 통과하는 동안 압력 강하가 발생하고, 냉매는 과냉 및 과열 상태가 된다.

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1. 냉동기의 원리

냉동기는 열역학 법칙을 이용하여 저온 공간을 만들어내는 장치입니다. 냉동기의 기본 원리는 압축기를 통해 냉매를 압축하여 고온 고압 상태로 만든 뒤, 응축기에서 열을 방출하여 냉매를 액화시키는 것입니다. 이렇게 액화된 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 저온 저압 상태가 되고, 증발기에서 주변 공기로부터 열을 흡수하여 증발하게 됩니다. 이 과정에서 증발기 주변의 온도가 낮아져 냉각 효과가 발생합니다. 냉동기의 효율을 높이기 위해서는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등 각 구성 요소의 성능을 최적화하는 것이 중요합니다.
2. 열펌프의 난방 작동 원리

열펌프는 냉동기와 유사한 원리로 작동하지만, 냉각 대신 난방을 목적으로 합니다. 열펌프는 압축기를 통해 냉매를 고온 고압 상태로 만든 뒤, 응축기에서 냉매의 응축열을 건물 내부로 전달하여 난방을 수행합니다. 이후 팽창밸브를 통과하면서 저온 저압 상태가 된 냉매는 증발기에서 외부 공기로부터 열을 흡수하여 다시 증발하게 됩니다. 이 과정에서 외부 공기의 열이 건물 내부로 전달되어 난방 효과를 발생시킵니다. 열펌프는 냉동기와 달리 냉매의 흐름 방향을 역전시킬 수 있어 냉방과 난방을 모두 수행할 수 있습니다. 이를 통해 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
3. 팽창밸브의 원리와 구조

팽창밸브는 냉동 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나로, 고압 액체 냉매를 저압 기체 냉매로 변환시키는 역할을 합니다. 팽창밸브의 원리는 베르누이 정리에 기반합니다. 고압 액체 냉매가 팽창밸브를 통과하면 압력이 낮아지면서 속도가 증가하고, 이에 따라 온도가 낮아지게 됩니다. 이렇게 생성된 저온 저압 냉매는 증발기로 유입되어 열을 흡수하게 됩니다. 팽창밸브의 구조는 주로 열전자식, 기계식, 전자식 등으로 구분되며, 각각의 장단점이 있습니다. 팽창밸브의 성능은 냉동 시스템의 효율에 큰 영향을 미치므로, 적절한 선택과 관리가 중요합니다.
4. 역 카르노 사이클과 실제 열펌프의 차이점

역 카르노 사이클은 열역학적으로 가장 효율적인 열펌프 사이클로 알려져 있습니다. 이상적인 역 카르노 사이클은 등온 압축, 등온 팽창, 등온 흡열, 등온 방열 과정으로 구성되어 있습니다. 하지만 실제 열펌프 시스템은 이상적인 역 카르노 사이클과 차이가 있습니다. 실제 열펌프에서는 압축기, 팽창밸브, 열교환기 등의 구성 요소에서 열역학적 손실이 발생하며, 냉매의 상태 변화 과정도 이상적인 등온 과정과 다릅니다. 또한 외부 환경 조건의 변화에 따라 열펌프의 성능이 달라지게 됩니다. 따라서 실제 열펌프의 성능은 역 카르노 사이클의 이론적 한계보다 낮게 나타나게 됩니다. 이러한 차이를 고려하여 열펌프 시스템을 설계하고 운영하는 것이 중요합니다.

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