냉동사이클

기출문제 풀이

기출문제 ❶

에어컨을 장시간 사용하면 결로현상이 일어나는데, 이를 해결할 수 있는 방법에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 난이도는 중 수준이며 자주 출제되는 문제이다.

• 솔루션형 문제이므로 열역학과 열전달의 기본 개념을 우선 설명하고 열역학 및 열전달의 기본 개념을 이용하여 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시할 필요가 있다.

STEP2 답안 구조화 TIP

• 결로현상의 정의

• 열역학적 메커니즘

• 열전달적 메커니즘 •해결책

STEP3 모범답안

에어컨에서 발생하는 결로현상은 공기 중에 포함된 수분이 온도가 상대적으로 낮은 표면과 접촉하여, 표면 부근의 공기가 노점(이슬점) 이하가 되어 공기 중에 있던 수분이 응축되는 현상을 말합니다. 이와 같이 에어컨의 실내기를 장시간 가동하면 증발기(실내기) 표면의 온도가 낮아져 증발기 표면과 접촉하는 공기에 포함된 수분이 이슬점 이하가 되어 응축되게 됩니다. 이에 따라 외부에서 수분이 많이 포함된 공기가 지속적으로 공급될 경우(실내 출입이 빈번한 경우), 결로현상이 지속될 수밖에 없습니다.

이러한 결로현상을 방지하기 위한 방안으로는, ① 실내기와 실외기의 연결 배관에 적합한 단열재로 단열하는 방법, ② 실내기 내부에서 응축된 응축수를 적절한 배수펌프를 이용해 실외로 배출하는 방법, ③ 실내기의 결로현상을 방지하기 위해 제습기와 동시에 사용하여 미리 수분을 제거하는 방법, ④ 실내외 온도차를 과도하게 설정하지 않는 방법 등이 있습니다.

핵심 이론 정리

1. 냉동사이클

열역학에서 다루는 다양한 사이클이 있고 이에 대한 사이클 선도가 있지만 냉동사이클에 대한 설명에는 몰리에르선도(P-H 선도)가 가장 많이 활용된다. 이 선도의 가로축은 엔탈피이고 세로축은 절대압력이다. 통상적인 P-H 선도는 다음 그림과 같다. [그림 4-5]에서 포화액선과 포화증기선 사이에 3개의 영역이 나뉘어지는데, 포화액선 좌측 영역은 과냉각액 상태로 동일한 압력에 있더라도 온도가 낮은 상태인 영역이다. 포화증기선 우측 영역은 동일한 압력에서도 온도가 높은 영역으로, 과열증기 영역이다. 그리고 중앙 영역은 습증기 영역으로, 온도와 압력이 서로 독립적이지 않기 때문에 새로운 상태량인 건도(Quality)에 의해 설명될 수 있다. 즉, 액체와 증기가 서로 혼합되어 있다.

냉동사이클의 첫 번째는 증발기에서 이루어지며 [그림 4-6]의 상태1에서 상태2까지의 단계이다. 이 단계에서 등온 팽창이 일어나 냉동효과를 발생하게 되는데, 팽창밸브를 통과한 냉매(저온·저압)가 증발기의 압력까지 팽창하고 주위로부터 증발에 필요한 잠열을 공급받아 증발한다. 이에 따라 증발기 출구에서 냉매는 저온·저압의 건조포화증기가 된다. 두 번째는 압축기에서 이루어지는 상태2에서 상태3까지의 단계로, 이 단계에서는 등엔트로피 압축(건압축)이 이루어진다. 증발기에서 나온 저온·저압의 증기가 압축기에 의해 냉매의 응축압력 이상으로 단열 압축되는 과정이다. 따라서 압축 후 냉매는 고온·고압의 증기 상태가 된다.

세 번째는 응축기에서 이루어지는 상태3에서 상태4까지의 단계로, 이 단계에서는 등온 응축(방열)이 이루어진다. 압축기에서 나온 고온·고압의 냉매가 응축기의 냉각수 또는 공기에 의하여 냉각되어 액화가 이루어지는 과정이다. 상태3의 과열증기는 응축기에서 냉각됨으로써 엔트로피가 감소하여 상태3'에 이르러 건조포화증기가 되고, 더욱 응축되어 습증기 상태를 거쳐 포화액인 상태4가 된다. 즉 응축기 출구에서의 냉매는 고압·저온의 액체 상태가 된다.

마지막 네 번째는 팽창밸브에서 이루어지는 상태4에서 상태1로의 단계로, 이 단계에서는 교축 팽창(등엔탈피)이 이루어진다. 응축기에서 액화된 냉매는 팽창밸브(스로틀밸브, 모세관)를 통하여 교축 팽창하는데, 이때 냉매의 압력과 온도 모두 감소하고 동시에 냉매 일부가 증발한다. 이 과정은 매우 짧은 시간 내에 발생하므로 외부와의 열 교환이 거의 없어 등엔탈피 변화를 한다고 가정한다. 상태1은 습포화증기(0 < 건도 < 1)로, 이는 상태4인 포화냉매액이 교축될 때 냉매액의 일부가 증발하였기 때문이다. 이 증기를 플래시 가스(Flash gas)라고도 한다.

이와 같은 과정을 거치는 냉동시스템에서 1Cycle마다 단위 질량의 냉매가 행하는 냉동효과와 압축일, 그리고 냉동효과를 압축일로 나눈 값인 성적계수는 다음과 같다.

2. 냉동기의 성적계수 향상 방법

이상적인 냉동사이클을 가정하고 열역학적으로 고려할 때, 성적계수(Coefficient Of Performance, COP)를 향상시키면 냉동기의 효율을 높일 수 있다. 성적계수는 저온체에서 고온체로 이동한 열량(냉동효과)을 냉동기가 한 일의 양(압축일)으로 나눈 값이다. 즉 냉동기의 성능을 나타내는 수치이므로 이 값이 높으면 높은 효율을 가진 냉동기임을 뜻한다. 따라서 성적계수를 높이기 위해서는 다음의 2가지 방법이 있을 수 있다.

첫 번째로는 냉동효과를 증가시키는 방법이다. [그림 4-7]에 나타난 것과 같이 응축기 출구에서 상태4의 냉매를 상태4'로 과냉각시킴으로써 냉동효과를 증가시켜 증기 압축 냉동시스템의 효율을 증가시킬 수 있다. 이 방법은 응축기에서 필요한 것보다 더 많은 냉각을 수행함으로써 성적계수를 향상시킨 것이다. 증발기를 나온 냉매가 과열되도록 하면 냉동효과가 증가되기는 하지만, 더 많은 압축일이 필요하게 된다. 따라서 이러한 과열 압축은 팽창밸브의 제어와 압축기에 들어가는 냉매가 액체 상태로 변화되는 것을 방지하는 데 더 유용하다. 실제 시스템에서도 과냉각시키는 방법으로 액체-가스 열 교환기를 설치하여 증발기 출구 냉매 증기와 팽창밸브로 공급되는 냉매액을 상호 열 교환시켜 팽창밸브 공급 냉매액의 과냉각도를 높이고 있다. 두 번째는 압축일을 감소시키는 방법이다. 이 방법은 응축기 용량, 냉각수량 등을 충분히 크게 잡아 응축압력을 낮게 유지하는 방법이며, 증발기, 흡입배관, 압축기의 흡·토출밸브 및 응축기에서의 압력손실을 적게 한다.

3. 에어컨의 결로현상

결로현상이란 공기 중에 포함된 수분이 온도가 상대적으로 낮은 표면과 접촉하여, 표면 부근의 공기 온도가 노점(이슬점) 이하가 되어 공기 중에 있던 수분이 응축되는 현상을 말한다. 이와 같이 에어컨의 실내기를 장시간 가동하면 증발기(실내기) 표면의 온도가 낮아져 증발기 표면과 접촉하는 공기의 온도가 이슬점 이하가 되어 여기에 포함된 수분이 응축하게 된다. 응축된 물이 적절하게 배수되지 못하면 에어컨을 사용하는 공간으로 물이 튈 수 있고 실내기가 부착된 주위 표면으로 물이 흘러 곰팡이를 발생시키는 등 다양한 문제를 유발할 수 있다. 또한 증발기 표면에 응축수가 달라붙어 있으면 전도 열저항이 증가되어 열효율이 감소하게 된다. 실외기(응축기)에는 결로현상이 발생하지 않지만 실내기에서 실외기로 가는 배관 등에서는 단열 처리가 적절하게 이루어지지 않아 응축이 발생하여 실외기 주변에서 결로현상이 발생할 수 있다.

이에 따라 에어컨의 결로현상을 방지할 수 있는 해결책을 강구해야 한다. 그 해결책으로는 ① 실내기와 실외기의 연결 배관에 적합한 단열재로 단열하는 방법, ② 실내기 내부에서 응축된 물을 적절한 배수펌프를 이용해 실외로 배출하는 방법, ③ 실내기의 결로현상을 방지하기 위해 제습기와 동시에 사용하여 미리 수분을 제거하는 방법, ④ 실내외 온도차를 과도하게 설정하지 않는 방법, 이렇게 4가지의 방법을 제시할 수 있다.