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에너지관리기사 열관리 · 냉매와 증기압축 냉동사이클

Vapor Compression Refrigeration Cycle

냉동은 낮은 곳의 열을 퍼 올려 높은 곳으로 버리는 일로, 냉매가 증발기에서 열을 흡수해 기체가 되고, 압축기에서 압력이 오르고, 응축기에서 열을 버리며 액이 되고, 팽창밸브에서 다시 낮은 압력으로 떨어지는 네 과정을 돈다. P-h 선도에서 냉동효과와 압축일은 모두 엔탈피 차, 곧 가로 폭으로 읽고, 둘의 비가 성적계수(COP)다. 그림은 P-h 선도 위 네 점 냉동 사이클로, 증발 과정의 가로 폭이 냉동효과 qₑ예요. 증발 · 응축 온도 슬라이더를 옮기면 사이클 모양과 아래 칸의 냉동효과 · 압축일 · COP · 역카르노 한계가 함께 바뀌어요.

냉매가 열을 실어 나르는 순환

냉동은 낮은 곳의 열을 퍼 올려 높은 곳으로 버리는 일이다. 그 열을 실어 나르는 것이 냉매다. 증발기에서 열을 흡수해 기체가 되고(증발), 압축기에서 압력이 오르고(압축), 응축기에서 열을 버리며 액이 되고(응축), 팽창밸브를 지나 다시 낮은 압력으로 떨어진다(팽창).

🔑 증기압축 냉동사이클 네 과정
①증발기: 저압에서 냉매가 증발하며 주위 열을 흡수한다(냉동효과 qₑ)
②압축기: 압축일 w를 넣어 냉매를 고압으로 압축한다
③응축기: 고압 냉매가 응축하며 열을 내놓는다(응축열 = 냉동효과 + 압축일)
④팽창밸브: 엔탈피가 그대로인 교축으로 저압까지 떨어뜨린다

P-h 선도에서 사이클 읽기

-10 ℃
40 ℃
💡 선도에서 읽히는 것
①증발 과정(4 → 1)의 가로 폭이 냉동효과, 압축 과정(1 → 2)의 가로 폭이 압축일이고, 압축에서 세로로 오른 것은 압력이다
②증발온도를 낮추거나 응축온도를 높이면 압축일이 커져요
③압축일이 커지면 같은 냉동효과라도 COP가 떨어져요
④두 온도의 차가 작을수록 COP가 좋아져요

성적계수(COP) 계산

냉동효과
qe = 142.0 kJ/kg
h1 - h4
압축일
w = 40.0 kJ/kg
h2 - h1
성적계수
COP = 3.55
qe ÷ w
역카르노 한계
COPC = 5.26
Te / (Tc - Te), 이론 최대
📏 COP는 1보다 클 수 있다
①COP = 얻은 냉동효과 ÷ 넣은 압축일
②열을 옮기는 일이라 COP는 보통 1보다 크다(3 ~ 5)
③히트펌프(난방) COP = 냉동 COP + 1이에요
④역카르노 COP = 증발온도 / (응축온도 - 증발온도)는 절대온도로 계산한 이론 상한이다

냉매의 구비조건과 핵심 공식

🔧 좋은 냉매의 조건
①증발잠열이 커서 적은 냉매로 큰 냉동효과를 낼 것
②응축압력이 너무 높지 않고 증발압력이 대기압 이상일 것
③불활성 · 비가연 · 비독성이고 화학적으로 안정할 것
④누설을 찾기 쉽고 오존층 파괴와 지구온난화 영향이 작을 것
냉동효과·성적계수
COP = qew = h1 - h4h2 - h1
냉동효과를 압축일로 나눈 값
냉동능력(냉동톤)
1 RT = 3320 kcal/h
한국 · 일본 냉동톤 기준, 0℃ 물 1톤을 24시간에 0℃ 얼음으로 만드는 능력
응축부하
qc = qe + w
응축기에서 버리는 열 = 증발기에서 흡수한 열 + 압축일

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①네 과정은 증발(흡열) → 압축(일 투입) → 응축(방열) → 팽창(교축)이에요
②COP = qₑ/w = (h₁ - h₄)/(h₂ - h₁)이고, 팽창 전후 엔탈피는 같다(h₃ = h₄)
③1 냉동톤(RT) = 3,320 kcal/h(한국 · 일본)이고, 미국 RT = 3,024 kcal/h예요
④증발온도가 낮거나 응축온도가 높으면 압축일이 커지고 COP가 떨어진다
⑤히트펌프 COP = 냉동 COP + 1, 응축부하 = 냉동효과 + 압축일
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] qₑ = 140, w = 35 kJ/kg일 때 COP는? (답: 140 / 35 = 4.0)
②[기출유형] 팽창밸브 전후 엔탈피 관계는? (답: 같다, h3 = h4)
③[기출유형] 냉동능력 3,320 kcal/h는 몇 RT인가? (답: 1 RT)

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