냉매와 증기압축 냉동사이클

Vapor Compression Refrigeration Cycle

냉동은 냉매가 낮은 곳의 열을 퍼올려 높은 곳으로 버리는 일이에요. 증발-압축-응축-팽창 네 과정이 증기압축 사이클의 뼈대예요. 냉동효과·압축일·COP를 잇는 필기·실기 공통 축이에요. 증발·응축 온도를 바꿔 COP 변화를 따라가 봐요.

냉매가 열을 실어 나르는 순환

냉동은 낮은 곳의 열을 퍼올려 높은 곳으로 버리는 일입니다. 이 짐꾼이 냉매. 증발기에서 열을 흡수해 기체가 되고(증발), 압축기가 밀어 올리고(압축), 응축기에서 열을 버리며 액이 되고(응축), 팽창밸브로 다시 낮은 압력으로 떨어집니다(팽창).

🔑 증기압축 냉동사이클 4과정

①증발기: 저압에서 냉매가 증발하며 주위 열 흡수(냉동효과 qₑ)

②압축기: 냉매를 고압으로 압축(압축일 w 투입)

③응축기: 고압 냉매가 응축하며 열 방출(응축열 = 냉동효과 + 압축일)

④팽창밸브: 등엔탈피 교축으로 저압까지 강하

P-h 선도에서 사이클 읽기

증발온도 T_e-10 ℃

응축온도 T_c40 ℃

💡 선도가 알려주는 것

①가로 폭(4→1)이 냉동효과, 세로로 밀어올린 폭(1→2)이 압축일

②증발온도를 낮추거나 응축온도를 높이면 압축일이 커진다

③압축일이 커지면 같은 냉동효과라도 COP가 떨어진다

④두 온도 차가 작을수록 효율(COP)이 좋아진다

성적계수(COP) 계산

냉동효과

q_e = 142.0 kJ/kg

h1 - h4

압축일

w = 40.0 kJ/kg

h2 - h1

성적계수

COP = 3.55

q_e ÷ w

역카르노 한계

COP_C = 5.26

T_e / (T_c - T_e), 이론 최대

📏 COP는 1보다 클 수 있다

①COP = 얻은 냉동효과 ÷ 투입한 압축일

②열을 퍼 나르는 것이라 COP는 보통 1보다 크다(3~5)

③히트펌프(난방) COP = COP(냉동) + 1

④역카르노 COP = 증발온도/(응축온도-증발온도)는 절대온도로 계산한 이론 상한

냉매의 구비조건과 핵심 공식

🔧 좋은 냉매의 조건

①증발잠열이 클 것(적은 냉매로 큰 냉동효과)

②응축압력이 너무 높지 않고 증발압력이 대기압 이상일 것

③불활성·비가연·비독성이며 화학적으로 안정할 것

④누설 검지가 쉽고 오존층 파괴·지구온난화 영향이 작을 것

냉동효과·성적계수

COP = q_ew = h₁ - h₄h₂ - h₁

냉동효과를 압축일로 나눈 값

냉동능력(냉동톤)

1 RT = 3320 kcal/h

한국(일본)냉동톤 기준, 물 1ton을 0℃ 얼음으로

응축부하

q_c = q_e + w

버리는 열 = 흡수한 열 + 압축일

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①4과정: 증발(흡열) → 압축(일 투입) → 응축(방열) → 팽창(교축)

②COP = qₑ/w = (h₁-h₄)/(h₂-h₁), 팽창은 등엔탈피(h3=h4)

③1 냉동톤(RT) = 3,320 kcal/h(한국·일본), 미국 RT = 3,024 kcal/h

④증발온도↓ 또는 응축온도↑ → 압축일↑ → COP↓

⑤히트펌프 COP = 냉동 COP + 1, 응축부하 = 냉동효과 + 압축일

📝 대표 기출문제

①[기출유형] qₑ=140, w=35 kJ/kg일 때 COP는? (답: 140/35 = 4.0)

②[기출유형] 팽창밸브 전후 엔탈피 관계는? (답: 등엔탈피, h3 = h4)

③[기출유형] 냉동능력 3,320 kcal/h는 몇 RT인가? (답: 1 RT)