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  냉동기 관련 문의
  글쓴이 : 서짬뽕   고유ID : arahan85     날짜 : 19-11-23 05:21     조회 : 91    
인터넷화학공학의 도움을 꾸준히 받고 있습니다.
아래와 같이 냉동기 관련 문의 드립니다.

-아 래-
냉동기 운전은 압축 → 응축 → 팽창 → 증발의 원리로 이루어지는데
1) 이 과정에서 냉동기 시스템 기준으로 볼 때 압축, 응축의 단계에서 Energy Input이 되고
팽창은 에너지 이동이 없으며 증발의 단계에서는 Energy Output이 이루어지는 것이 맞나요?

2) Datasheet 기준 Compressor(17,358kW, 14.9MMkcal/hr), 냉매 기준 Condenser
및 Cooler의 Heat Duty 합을 Input 열량으로 고려하면 88.5MMkcal/hr,
Vaporizer의 Heat Duty 합을 Output 열량으로 고려하면 67.5MMkcal/hr로 확인 되는데
두 열량 차이가 20MMkcal/hr나 차이나는 이유는 뭔가요?

3) 아시다시피 Plate Fin Type Heat Exchanger의 경우 냉동기 냉매 외 다른 공정 가스를 냉매로 사용하는데
만약 냉매로 사용되는 다른 공정 가스의 열량 3MMkcal/hr 정도를 잃어버리게 된다면 냉동기 Load 증가는
어떻게 계산되어야 하나요?

답변에 필요하신 추가 정보가 있으시면 알려주세요. 감사합니다.

스테파노 Stefano   19-11-23 18:56
(0) 냉동기의 싸이클은  다음과 같습니다.
i) 저압저온 포화증기 압축 (기계적 단열압축에 의한 에너지 흡수)-->고온고압 과열 냉매증기로 됨 (p1, t1, h1): 압축동력(W)
ii) 과열증기 냉각응축 (냉각매체에 의한 열에너지 에너지 방출)--> 현열 및 잠열을 방출하고 고압포화액으로 응축됨(p1, t2, h2): 응축잠열(Qc)
iii) 고압포화액 팽창 (밸브를 통한 감압, 부분증발과 동시 급냉)-->감압에 의한 액의 부분 증발, 냉매온도강하(p2, t3, h3): 열교환없음(Q=0)
iv) 저압에서 및 증발 (감압과 동시에 증발 열에너지 흡수)--> 저온에서 증발과 함께 저온잠열 흡수 (p3, t3, h3): 냉매증발(Qv)

냉매의 압력은 p3-->p1-->p2-->P3로 순환하고 온도는 t3-->t1-->t2-->t3로 순환하며
저온저압(t3, p3)에서 열(Qv)을 흡수해서 고온고압(t2, p2)에서 열(Qc)을 방출하게 되는데 저온(t3)의 열을 고온(t2)으로 품어올리는 Driving Force를 나타낼 수 있도록 압축기는 p3에서 p1으로 압축해 줍니다.  중간의 감압밸브에서는 열 동력의 출입은 없습니다.

(A1) <..압축, 응축의 단계에서 Energy Input이 되고..> 
=>압축은 냉매에 에너지를 공급하고 응축은 에너지를 방출하는 과정입니다. 전자는 기계적, 후자는 열적과정에 해당합니다
<..팽창은 에너지 이동이 없으며 증발의 단계에서는 Energy Output이 이루어지는 것이 맞나요?..>
=> 맞습니다.  액냉매 팽창밸브에서는 (기계적 마찰손실은 있지만) 에너지이동은 없습니다.  고온냉매는 감압되면서 스스로 부분증발을 일으키면서 온도는 떨어지지만 전체의 에너지 변동은 없는 과정입니다.  이 때의 냉매는 기-액의 혼합물 상태가 됩니다.

(A2) 에너지 밸런스는 냉동기내에서 순환되는 냉매를 기준으로 계산하면..냉매가 열, 동력에너지를 흡수하면 엔탈피증가(+) 열을 방출하면 (-)로 계산합니다.  전체의 싸이클에서 냉매는 에너지가 오르락 내리락 하지만 전체적 에너지 변동은 없습니다.

냉매Condenser (-Qc) +냉매 Cooler (-Qs) +냉매 Vaporizer(+Qv)+냉매압축동력, Compression Fluid Power (+Wf)
= 시스템에너지 증가(ΔE) = 0 ....(1) 

냉동기 압축기 필요 동력 Compressor Driver Power (Wc)= Compression Fluid Power(Wf)/(Compressor Efficiency, ηc) ......(2)

Cooler,  Condenser는 외부 유체에 에너지를 방출하는 과정이라서 음수이고  Vaporizer, Compressor는 에너지를 흡수하는 과정입니다.  시스템에너지 증가가 있다면 냉동기 사이클의 온도는 줄곧 상승해야 하지만 그렇지 않기 때문에 각 위치에서 온도는 변함없습니다.   

Compression Fluid Power는 압축기가 외부동력기기로 압축함으로써 기계적에너지를 가했을 경우 실제로 냉매가 얻은 에너지입니다.  실제로 필요한 압축기 모터동력은 이 동력을 압축기 효율로 나눈값이 됩니다.  만일 Cooler가 자체 냉매간 열교환으로 일어나는 경우에는 내부열교환은 있지만 냉매계 외부와의 열수수는 아닙니다.    이를 참고하여 이 질문에대한 답을 스스로 찾아보세요.

(A3) 냉동기 시스템은 냉매를 기준으로 열밸런스를 계산하면 됩니다.  다른 냉매시스템에 열에너지를 방출할 경우 해당 냉동기로서는 방출한 (잃은) 만큼  냉동부하는 줄어들게되고  다른 냉매시스템에서의 냉동부하는 늘어납니다.

냉동부하변동에 다른 동력의 변동은 저온냉동기일수록 제거열량대비 동력이 더 많이소요되고 고온냉동기 일수록 동력의 덜 소요되기 떼문에 냉동온도에 따라 적절한 냉매의 선정이 중요합니다.  저온일수록 동력비용이 늘어난다는 것에 유념해야 하지요.

냉동기에서 열의 출입은 냉매종류별로 판단하면 아무리 복잡한 냉동계라도 열해석이 용이해집니다.
서짬뽕 arahan85   19-11-24 11:12
주말 임에도 답변 감사합니다. 냉동기 시스템의 에너지 흡수와 방출은 잘 이해되었습니다. 다만, 냉동기 시스템 내의 Vaporizer의 부하가 증가하는 경우 냉매압축동력이 늘어나게 되는지 줄어들게 되는지에 대해서는 헷갈리네요..상식적으로는 늘어날 것 같은데.. 가능하시면 관련 서적 혹은 웹사이트 추천해주시면 감사하겠습니다.
Stefano    19-11-25 10:05
냉동기 시스템 내에서 냉매간 열교환은 전체 열량에서는 차이가 없습니다. 
그러나 동일열량이라고 하여도 도달하는 냉동온도에서 동력의 차이가 발생합니다.   

단순히 시스템 열량제거열량만을 거론할 경우 동일열량을 취급하는 것 같아 보이지만 시스템 온도에 따라 소요동력이 달라집니다(냉동온도가 낮을 수록 동력증가).    예를들어  60℃정도의 상온에서 1 MM kcal/h를 냉각수로 제거하는 동력보다는 -20 ℃에서 제거해야할 1 MM kcal/h의 동력이 더 많이 소요되는 것과 같습니다.  전자는 냉각수(CW) 펌프와 냉각탑 팬 동력으로 해결되는 일이지만,  후자는 냉매 압축기가 더 필요하고 게다가 냉동수(Ref. Water) 순환계통이 냉매냉각계통과 더불어 추가되어야 하기 때문이지요.  냉각수는 하나의 순환 Loop이지만 냉동기는 3개의 순환 Loop로 구성됩니다.

냉각수 순환계:  저온냉각수-->냉각수 펌프-->시스템 냉각기-->고온냉각수-->냉각탑(Fan 냉각)-->저온냉각수 (순환)
냉동기 및 냉동수 순환계 (*와 **는 함께 연결된 기기): 
    1) 냉동수 순환계: 고온냉동수-->냉동수 펌프-->냉동기시스템내 증발기*-->저온냉동수-->시스템냉각기-->고온냉동수(순환)
    2) 냉동기 냉매 순환계:  저압 냉매증기-->압축기-->고압 냉매증기-->고압 냉매응축기**-->감압 및 냉동기내 증발기*-->저온 냉매증기(순환)
    3) 냉각수 순환계: 저온냉각수-->냉각수 펌프-->냉동기내 고압냉매응축기**-->고온냉각수-->냉각탑(Fan 냉각)-->저온냉각수 (순환)         

이들 내용은 특정 서적에만 기술된 내용이 아니므로 일반적 냉동기 관련서적을 참고하셔도 됩니다.
서짬뽕 arahan85   19-11-25 23:46
넵 답변 감사합니다~!
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