전기 22 > 냉방장치 이론

1. 냉방 장치

     더운 여름날 정원에 물을 뿌리면 시원하게 된다. 또 예방 주사를 맞을 때, 소독하기 위해 탈지면에 적신 액체인 알코올을 피부에 바르면 얼마 동안 시원함을 느낄 수 있다. 이것은 물이나 알코올이 액체에서 기체로 변화할 때 주위에서 기화에 필요한 잠열을 뻬앗기 때문이다.

 

2. 냉방 사이클

냉동(冷凍)이란 고체, 액체, 기체 등의 물체로부터 인위적으로 열을 제거하여 물체를 주위온도 보다 낮게 유지하는 조작을 말하며, 이러한 조작에 사용되는 매체를 냉매(冷媒)라고 한다.

냉동 사이클은 다음과 같은 작용이 있으며, 냉매는 액체 → 기체 → 액체로 변화를 반복하여 순환한다.

1) 증발

    냉매는 증발기(EVAPORAYOR)안에서 액체(습한기체)로부터 기체(과열증기)로 변화한다. 증발기에 들어온 무상(霧狀)의 냉매는 활발히 증발한다. 이때 냉매액은 증발기 주위에 있는 공기(차실내 공기)로부터 증발에 필요한 열(증발 잠열)을 흡수하면서 스스로 증발한다. 열을 빼앗긴 공기는 냉각되어 휀(FAN)에 의해 차실 내로 유입되어 차내 온도를 강하시킨다. 증발기 내부에는 팽창 밸브(EXPANSION VALVE)에서 보내진 냉매액과 증발된 냉매 증기가 공존하게 되며 액체에서 기체로의 상태변화가 일어나는데 이 상태 변화 사이에 압력(증발압력)과 온도(증발 온도)는 일정한 관계가 있으며, 압력이 결정되면 온도도 정해진다. 즉, 포하압력과 포화온도의 관계가 있다.

이 액체에서 기체로의 상태 변화가 보다 낮은 온도에서 증발도기 위해서는 증발기내의 압력을 그만큼 낮게 유지해주어야 한다. 이를 위해 냉매 주기를 압축기(COMPRESSOR)에서 흡입하여 증발기의 외부로 계속 배출하도록 한다.

2) 압축

   냉매는 상온(외기온도)에서 액화되기 쉬운상태까지 압축기에서 압축된다. 증발기내에서 기화된 냉매 증기는 압축기에 흡입된다. 이 작용은 증발기내의 냉매 압력을 앚은 상태로 유지하며 0℃ 정도의 낮은 온도 상태에서 액체냉매가 활발하게 증발을 게속할수 있도록 하기 위한 것이다.

압축기에 흡입된 냉매 증기는 실린더 내에서 압축되어 압력이 높아지면 상온의 외기로 냉각해도 쉽게 액화될 수 있는 압력과 온도로 된다.

3) 응축

  냉매는 응축기(CONDENSER) 내에서 외기에 의해 냉각되어 기체에서 액체로 된다. 압축기에서 토출된 고온, 고압의 냉매는 외기에 의해 냉각 액화되어 리시버 드리이버(RECEIVER DRIVER)에 보낸진다. 압축기에서 토출된 고온, 고압의 냉매로부터 외기에 방출된 열을 응축열이라 하며, 냉매가 증발기에서 차 실내로부터 흡수한 열(증발열)과 응축인 경우, 냉각의 상태 변화도 증발의 경우와 같이 증기와 액체가 공존하는 상태이며 기체에서 액체로 변화하는 사이, 압력(응축 압력)과 온도(응축 온도)는일정한 관계가 있다.(냉매의 종류에 따라, 또 같은 종류의 냉매라 해도 응축 온도의 차이에 따라 압력이 변한다는 점에 주의할 것)

4) 팽창

  냉매액은 팽창 밸브(EXPANSION VALVE)에 의해 증발이 쉬운상태로 압력이 떨어진다. 액화된 냉매를 증발기에 보내기 전에 미리 증발하기 쉬운상태로 압력을 낮추는 작용을 팽창이라 하지만, 이러한 작용을 하는 팽창밸브"(EXPANSION VALVE)는 감압작용과 동시에 냉매액의 유량을 조절한다. 즉, 증발기 내에서 증발하는 냉매액은 소정의 증발온도(증발압력) 아래에서 제거되어야 할 열량(냉동부하)에 의하여 결정되며 이것을 정확히 파악하여 과부족이 없도록 필요한 냉매량을 제어한는 것이 중요하다. 냉매는 이상과 같은 4가지 작용을 반복하여 냉동장치의 사이클내를 순환하면서 온도가 낮은 차 실내에서 온도가 높은 외기로 열을 이동시키는 일을 한다.

 

3. 냉동원리와 방법

   물체의 상태(고체, 기체, 액체)변화는 열의 변화와 밀접한 관계가 있으며 열의 출입에 의하여 그 상태가 변화된다. 일반적으로 냉동기는 그 내부에서 상태가 변화하면서 주위의 열을 흡수하는 냉매에 의하여 냉각작용을 하게 된다.  이와 같이 물체의 온도를 낮게 유지하는(냉각작용) 방법에는 여러 가지가 있는데 이를 열의 이용 측면에서 분류하면 다음과 같다.

 

1) 증발열을 이용한 방법

 증발하기 쉬운 액체를 증발시키면 증발할 때, 주위의 물체로부터 다량의 열을 빼앗아 냉동된다. 자동차 에어콘의  경우 증발된 냉매를 냉동사이클에 의해 다시 원래의 상태로 환원시켜 반복하여 사용한다.  이러한 방법을 이용하는 냉동기를 열거하면 다음과 같다.  

증기 압축식 냉동기,   흡수식 냉동기,  질소 냉동기

 

2)  용해열을 이용하는 방법

  대기압에서 얼음이 융해될 때(녹을 때) 온도0℃에서 79.68Kcal/Kg의 열을 흡수하는 데 이것을 이용한 것이다.

 

 

 

4. 냉동사이클의 구성

 

5. 냉매

   냉매는 저온부의 열을 고온부로 옮기는 역할을 하는 매체이며, 저온부에서는 액으로부터 가스로, 고온부에서는 가스로부터 액으로 상태변화를 하는 것이다.  냉매로서 가장 중요한 특성은 그다지 높지않은 압력에서 쉽게 응축, 즉 액으로 되어야 한다.

1)  신냉매(R-134a) 적용목적

 대기의 물질중에 염화 불화탄소(CFC : R-12 프레온 가스 분자중 CI염소)가 오존층을 파괴하고 즉 성층권오존과 반응하여 오존층의 두께 감소내지는 오존층애 구멍을 형성함으로 지표면에 다량의 자외선을 유입하여 상태계를 파괴하고 CFC의 열흡수 능력이 크기 때문에 대기층의 CFC가스로 인한 지표면의 온도상승을 유발하는 물질로 판명됨에 따라 2000년부터 R-12냉매의 생산을 규제하고 R-134a 냉매를 대체 적용 하였다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)  냉매로의 중요조건

(1) 비점이 적당히 낮을 것

(6) 냉매의 증발잠열이 클 것

(2) 응축압력이 적당히 낮을 것

(7) 증기의 비체적이 적을 것

(3) 압축기 토출가스의 온도가 낮을 것

(8) 임계온도가 충분히 높을 것

(4) 부식성이 적을 것

(9) 안전성이 높을 것

(5) 전기 절연성이 좋을 것

 

 

3)  R-134a 특성

장     점

단    점

▶ 오존층을 파괴하는 Cl이 없는 R-12의 대체 냉매

▶ 안정된 분자구조(다른 물질과 반응을 잘하지 않음)

▶ R-12와 유사한 열역학적 구조

▶불연성 및 독성이 없는 유일한 오존 비파괴 냉매

 

 

▶ R-12와 같은 응축온도에서의 냉동력 저하

▶ NITRILE 호스 재질(현재질)과 투과성 문제

▶고무제품과 PLASTIC 제품의 사용성 문제

▶ 현 COMPRESSOR OIL과 불용해성 문제

▶ 온실효과가 있어 향후 회수 및 재생문제

▶ R-134a의 흡수성 문제

 

4)  R-134a의 성능 비교표

구분

 특성

R-134a SISTEM

변경이유

SYSTEM 과의

MINEREAL OIL 용해성

오존층 파괴 계수

0.00

1.00

독  성

거의 없음

없음

분      자     량

120.03

   120.91

응    고   점(℃)

101.0

- 157.8

비   등    점(℃)

26.3

 - 28.9

임 계 온 도 (℃)

102.0

  111.8

임 계 압 력 (㎏/㎠)

42.0

  42.1

SYSTEM성능은 R-134a와 R-12는 동일 조건 DATA이다.

  

6. 몰레에르 선도

   냉매 상태를 나타내는 양은 엔탈피 i(kcal/㎏)로 표시되지만, 엔탈피만으로는 냉매의 상태를 알 수 없다. 따라서 또 하나의 상태량, 즉 압력, 온도, 비체적을 알면 그 상태를 알 수 있다.  또 하나의 상태량, 즉 압력, 온도, 비체적을 알면 그 상태를 알수 있다.

    이와 같이 엔탈피i를 또 하나의 상태량과 조합기켜 두 축으로 하는 선도를 작성하면 냉매의 상태를 선도상에 표시할 수 있다. 일반적으로 엔탈피를 횡축으로 하고 압력 P를 종축으로 하여 냉매상태를 나타내는 선도를 물리에르선도라고 한다.

냉매를 몰리에르 선도상에서 구분하면, 냉매는 액체, 기체 ,액체와 기체의 혼합상태(포화상태)로 구분된다. 여기에서는 몰리에르 선도상의 각점에 따라 냉매가 어떤 상태로 존재하는지를 설명한다.

 

(1) 포화액

  위의 그림 중 A점에서 실린더에 일정압력을 유지시키면서 액체에 열을 가하면 액체의 온도는 상승하게 되고 일정온도에 도달하면 더 이상 상승하지 않는다.(B점)

이 상태의 액체를 포화액이라 하며 이때의 온도 및 압력을 각각 포화온도, 포화압력이라 한다.

(2) 포화증기

  포화액을 계속 가열하면 액체의 일부가 온도, 동일 압력의 기체로 변화한다. 이 기체를 포화증기라 하며, 포화액과 포화증기가 공존하고 있는 상태(C점)를 습포화 증기 또는 간단히 습증기라 한다.

습포화증기를 계속 가열하면 액체(포화액)는 계속 증발하여 전부 기체(포화증기)가 된다(D점). 이 상태를 건포화증기라 한다.

(3) 과열증기와 과열도

  건포화능기를 계속 가열하게 되면 포화증기의 온도는 계속 올라간다. 이와 같이 포화온도 이상으로 가열된 증기를 과열증기라 한다(E점). 과열증기의 포화증기의 온도 차를 과열도라 한다.

(4) 과냉각액과 과냉각도

  포화액을 냉각하면 온도가 내려간다. 포화온도보다 저온의 액체를 과냉각액이라 한다(A점).

 

7. 몰리에드 선도와 냉동 사이클

    냉동사이클을 몰리에르 선도와 같이 표시하면 아래 그림과 같고,. 냉매의 상태변화는 몰리에르 선도를 이용하면 간단히 고찰, 계산할 수가 있다.  

 

1) 압축행정(A → B)

  증발기에서 증발을 완료한 냉매가스는 과열증기로 압축기에 흡입되어 단열과정인 등엔트로피선과 평행하게 진행되어 그려진다.  압축기 입구와 출구에서는 엔탈피 변화(A1 - B1)는 압축기의 일량과 같다.

 

2) 응축행정(B → C)

  응축기 입구의 냉매는 고온, 고압의 과열증기 상태이며, 냉각핀에 의해 냉각되어지고 과열증기에서 포화증기로, 포화증기에서 포화액으로 상태가 변화한다.

응축기내에서의 냉매응축은 압력이 일정한 상태에서 진행되며 일반적으로 등압변화라고 한다. 몰리에르 선도에서 등압변화는 수평선으로 표시되며 엔타피차(B1-C1)가 응축기의 방열량과 같다.

 

3)  팽창행정(C → D)

  응축기를 통하여 과냉각액이 된 고압의 냉매는 팽창밸브의 미세한 통로를 통과함으로써 감압되어(교축작용) 저온 저압의 무상의 포화액이 된다. 팽창 밸브에서의 상변화는 교축 팽창이라 하고 몰리에르 선도에서 등엔탈피선과 일치하며 수직선으로 표시된다. 그러므로 팽창밸브의 직전과 직후의 냉매의 엔탈피는 같다.

 

4)  증발행정(D → A)

  팽창밸브를 통과한 냉매는 무상(霧狀)의 포화액 상태에서 증발기로 들어가 차실내의 공기로부터 열을 빼앗아 포화증기로 변화한 후 다소 과열 증기상태로 변화한다. 증발기내에서의 냉매증발은, 일정한 압력하에서 진행되는 등압변화이며, 엔탈피의 변화(A1-D1)는 증발기에서 흡수한 열량과 같다.

 

8. 열부하와 냉동능력

1)  열 부하

  자동차 실내에는 외부 및 내부에서 여러 가지 열이 가해진다. 이런 열들을 차내 열부하라고 한다. 차량의 열부하는 보통 4가지 요소로 분류된다.

▶ 인체로부터의 발열 :   인체의 피부표면에서 발생되는 열로써 실내에 수분을 공급하기도 한다. 일반 성인이 인체 바깥으로 방열하는 열량은 1시간당 100 Kcal/h 이다

복사에 의한 열의 침입 :   태양으로부터 복사되는 열은 자동차의 외부표면에 직접 받게 된다. 이 복사열은 자동차의 색상 유리가 차지하는 면적, 복사시간, 기후에 따라 차이가 있다.

전도 및 대류에 의한 열의 침입 :  자동차의 벽면 부근에는 대류에 의해 열이 전달된다. 자동차가 주행 중에는 대류가 활발히 일어나므로 침입하는 열량이 많아지게 된다. 좀더 실내를 시원하게 유지하기 위해서는 외기와의 온도차가 더 커야하기 때문에 그만큼 많은 열이 침입된다.

  자동차의 표면은 고온인 외기에 노출되고 실내는 저온이므로 판넬과 트림을 과해서 외기 열이 침입한다. 또한, 엔진의 발열로 엔진룸이 뜨거워지므로 역시 판넬과 트림을 통해 열이 침입된다.

 자연환기에 의한 열의 침입 :   자동차 실내는 완전히 차단되어 있으나 주행중에는 도어나 유리의 틈새로 외기가 들어오거나 실내 공기가 빠져나가는 자연환기가 이루어 진다. 최근에는 대부분의 자동차에 강제 환기장치가 부착되어 있다. 환기는 실내의 건조공기를 외부로 빼내고 그대신 외부에서 습하고 따뜻한 공기를 유입하므로 그 온도차 만큼 열 및 수분이 침입하는 셈이 된다. 자동차 에어콘은 위와 같은 열부하가 실내에 침입할 때 증발기에서 열을 흡수하며, 응축기에서 열을 방출하는 작용을 한다.

 

2) 냉방능력

  냉방능력은 냉동기가 열량을 얼마만큼 빼앗을 수 있는가 하는 능력을 말한다. 냉방능력의 표시는 단위 시간당 얼마 만큼의 열량을 빼앗을 수 있는가를 나타내며 "kcal/h" 단위를 써서 표시한다. 햇빛을 직접 받는 장소에 차를 주차해 두면 차체는 복사열을 받게 되어 고온이 되고, 실내의 좌석이나 계기류도 뜨거워진다. 이 상태를 「축열 되었다」라고 말하고, 이 상태에서 자동차 에어콘을 작동시키면, 자동차 에어콘은 전항 ①~④의 열부하 이외에도 축열된 열을 배출하기 위해서 냉방능력을 발휘하여야 한다. 이때 에어콘이 발휘하는 냉방능력을 최대 냉방능력이라 한다. 작동 개시 후 어느 정도 시간이 경과하면 축열에 의한 열부하는 급격한 변화에 대응하는 냉방 능력을 발휘할 수 있도록 자동조절된다. 이상과 같이 냉방 능력은 주어진 열부하에 따라서 다양하게 변화된다.