과제수행 1

냉장고의 이론적 설계

[13차 : 설계과제 내용]

목차

주제 선정

이론적 배경

냉장고 설계

1. 주제 선정

선정한 주제 : 냉장고의 이론적 설계

구체적인 내용 : Refrigeration 의 기본을 이해하여, 가정

용 냉장고를 직접 설계해 보고, 과거의 냉매와 현재 사

용하는 냉매에 대한 열역학적, 경제적, 환경적 측면에 대

해 고찰.

2.이론적 배경 냉동기(Vapor Compression refrigeration)

P-i 선도

P-i 선도 냉매 1kg에 대한 작업과정을 표시한 것으로 횡축에는 엔탈피 종축에는 절대압력을 대수눈금으로 잡아 표시한 선도이다.

냉동기 열효율

압축기의 일의 열량

냉동력, 냉동 효과, 냉동량

냉매 1kg 이 증발기에서 흡수해 내는 열량

냉동기 성적계수 (Coefficient Of Performance)

:a:q:c:Aw:m

실제적 성적계수 냉동계수 압축효율 압축일의 열당량 기계효율

-포화액선의 건조도는 0이고 건조포화 증기선의 건조도는 1 이다. -건조도가 0이면 100%의 액만 존재하고 건조도가 1이면 100%의 기체가 존재한다. -건조도는 습증기 구역에만 존재한다.

건 조 도 (습증기 구역에서 액체에 기체가 존재하는 양을 무게 %로 나타낸 것)

좋은 가정용 냉장고의 조건

1. 냉동기 성적계수 값이 높아야 함 2. 생산 단가 저렴 3. 친환경적인 냉매 사용 4. 안정성을 위해 냉매가 높은 온도로 올라가거나 높은 압력으로 압축되는 것은 피해야 함

이론적 배경 대류기

냉매를 증발시켜 온도강하시킴

냉매를 압축

압축된 냉매 가스를 액체로 만듬

저온부의 열을 흡수 고온부로 운반 방출

냉매의 조건

• 증발잠열이 큰것 : 증발시 많은 열량을 흡수하여 효과 증대

• 액화와 증발이 용이

• 응고점이 낮은 것 : 냉매의 응고점이 냉동 사이클 내에서의 최저온도 보다는 낮아야함

• 임계온도가 높은 것 : 임계점 이상에서는 압력을 아무리 가해도 액화하지 않으므로 임계점이 낮으면 응축기에서 냉매가 액화하지 않음

• 증기의 비열이 크고 액체의 비열이 작은 것 :증기의 비열이 작으면 흡입된 증기의 가열도가 높다.(고온) 가스팽창시에도 체적이 커져 효율이 떨어짐

냉매종류 화학식 기화점 (1기압)

증발열 (-15℃,1kg)

압축기출구온도

R-11 23.7℃ 196kJ 53.3℃

R-12 -29.8℃ 159kJ 39℃

R-717 -33.36℃ 1310kJ 98.9℃

R-22 -40.8℃ 217kJ 53.3℃

R-134a -26.16℃ 207.5kJ 36℃

FCCl3

22FCCl

3NH

ClCHF2

FCHCF 23

냉매에 대한 기본적인 성질

선택한 냉매에 대한 성질

R-12 R-134a

1930년대부터 근래까지 모든 냉매 중에서 제일 널리 쓰여왔으나 오존파괴의 주범으로 밝혀짐에 따라 생산, 소비량 삭감의 우선적 대상물질이다. R-12는 무색, 무취, 비가연성, 부식성 및 독성이 거의 없는 물질이다. 에탄계 냉매로서 오존층을 파괴하지 않고 온실효과지수도 낮아 R-12 대체 냉매용으로 개발되었다. 약간의 독성이 보고된 바 있으나 불연소성 및 R-12와 열역학적 특성이 비슷하여 R-12의 대체냉매로 보급되고 있다.

R-12 의 P-i선도

38℃

30℃ 25℃

30℃

-15℃ -15℃

7.59

1.86

96.72 105.8 135.3 141.2

V1=0.092m^3/kg

a

b

c d

e

f

R-134a 의 P-i선도

-15℃ -15℃

30℃

30℃

6.788

1.677

38℃ 25℃

V1=0.12048m^3/kg

145.24 108.27 92.25

157.2

a

b

c d

f

e

건조포화증기 과열증기

냉매액 습증기

냉매인 R-12가스의 경우 프레쉬 가스의 발생량은 23%이다.

38

℃

30

℃ 25℃

30

℃

-

15℃

-

15℃

7.5

9

1.8

6

96.7

2

105.

8

135.

3

141.

2

V1=0.09

2m^3/kg

0.23x

3.냉장고 설계 (R-12)

1-2과정(a-b 과정) 1 지점은 압축기의 흡입점으로 흡입될 때의 압력은 P1상태 이고, 2 지점은 압축기의 토출점으로서 압력은 P2상태이다. 즉 압축기에서는 피스톤과 실린더에서 발생된 마찰열에 의하여 엔탈피는 증가되는 구역이다.

2-3과정(b-c과정) 압축기 2 지점에서 냉매가스가 외부로 열을 방출 액화되기 직전까지 열을 제거하는 과정으로 엔탈피 감소와 함께 온도가 내려간다. 이때 압력 변화는 없다.

3-4과정(c-d과정) 과열도가 제거된 냉매가 냉각수나 공기에 의히여 응축액화하여 액이 되는 과정이다. 응축과정에서 냉매의 엔탈피는 감소하고 온도압력은 변함이 없다.

4-5과정(d-e과정) 응축기에서 액화된 냉매액이 팽창밸브 지점까지 가는 동안 외부로부터 열을 받아 프레쉬가스를 발생시켜 냉매가 과냉각이 되는 구역이다.

5-6과정(e-f과정) 고온고압의 냉매액이 팽창밸브에서 교축팽창하므로 저온저압의 수증기가 된다. 이때 팽창 밸브를 전후한 엔탈피 변화는 없다.

6-1과정(f-a과정) 팽창과 동시 저온 저압이 된 냉매가 목적하는 장소에서 열흡수, 증발되는 과정으로 엔탈피는 증가하며 온도, 압력은 일정하다.

1. 냉동효과

2. 압축기의 일의 열량

3. 성적계수

4. 응축압력(P2)

5. 증발압력(P1)

6. 압축비

7. 건조도(x)

8. 프레쉬가스의 엔탈피

9. 증발잠열

10. 압축기 흡입가스 비체적(Va)

11. 응축기의 응축열량

12. 압축기 토출가스 온도(℃)

13. 1RT를 얻기 위하여 1시간당 냉매 순환량

14. 1RT를 얻기 위하여 1시간당 압축해야 할 가스량

15. 1RT를 얻기 위한 압축 소요마력

16. 1RT를 얻기 위한 1시간당 압축일의 열량

17. 1RT를 얻기 위한 1시간당 응축기에서 제거할 열량

응축기에서 제거할 열량

3.냉장고 설계 (R-134a)

1. 냉동효과

2. 압축기의 일의 열량

3. 성적계수

4. 응축압력(P2)

5. 증발압력(P1)

6. 압축비

7. 건조도(x)

8. 프레쉬가스의 엔탈피

9. 증발잠열

10. 압축기 흡입가스 비체적(Va)

11. 응축기의 응축열량

12. 압축기 토출가스 온도(℃)

13. 1RT를 얻기 위하여 1시간당 냉매 순환량

14. 1RT를 얻기 위하여 1시간당 압축해야 할 가스량

15. 1RT를 얻기 위한 압축 소요마력

16. 1RT를 얻기 위한 1시간당 압축일의 열량

17. 1RT를 얻기 위한 1시간당 응축기에서 제거할 열량

4. 결론 및 참고문헌

R-12와 R-134a 비교

각 수치 값들 R-12 R-134a

냉동효과 29.5kcal/kg 39.44kcal/kg

냉동 계수 5 3.3

압축기 일의 열량 5.9kcal/kg 11.96kcal/kg

1RT를 얻기 위한냉매 순환량

112.54kg/h 84.18kg/h

1RT를 얻기위한 압축일의 열량

663.986kcal/h 1006.793kcal/h

가정용 냉장고의 설계

• 1일 15번 문을 여닫는다고 하면 압축기는 12시간 가동 함 (신화에스코(www.shinhwaesco.com))

• 534리터 냉장고 한달 사용시 58kWh의 전력 소모

• 일반 가정용 냉장고 R-12 냉매를 사용할 경우 냉매는 169g이 사용됨

• 제품을 만드는 비용은 냉매의 비용을 제외하고 모두 동일하다.

냉매 필요량 (R-12) 한달사용량

하루에 12시간 일한다고 가정했을 때

냉매 필요량 (R-134a)

한달사용량

하루에 12시간 일한다고 가정했을 때

경제적 고찰

냉매 종류 필요한 냉매의 양

냉장고에 들어가는 냉매의 양

kg당 가격 가격

R-12 22.248kg 169g 76923원/kg 13000원

R-134a 17.94kg 135g 46153원/kg 6231원

경제적 측면에서의 비교

같은 소비전력을 가지는 냉장고를 설계할 경우

- R-134a를 사용한 제품의 생산단가가 더욱 저렴

에너지 절약형 냉장고를 설계 할 경우

- 1RT를 생산하기 위한 압축일의 양이 작은 R-12를 사용한 제품을 생산해야 함

* 환경측면에서 오존층 방지를 위하여 R-134a 냉매사용이 바람직함.

참고 문헌

네이버 : http://www.naver.com

구글 : http://www.google.com

신화에스코 : http://www.shinhwaesco.com

냉동 및 공기조화 / 윤정인외 1명 / 문운당

공업 열역학 / 한영출 / 문운당

공기조화 및 냉동 강의프린트 / 윤준규 교수

과제수행 2

열람실 냉방부하 계산

1 서론

• 개요

• 주제 선정 및 배경

• 연구진행방법

2 본론

• 냉방부하 계산

3 결론

• 냉동톤 산출

4 참고문헌

목차

개요 : 실·내외에서 발생하는 각 냉방부하의 이론적 값을 산출하고 이에 따른 최적의 냉동 및 공조기 설계 능력 배양에 목적을 둠

장소 : 고덕평생학습관 2F 열람실

선정 배경 : 이론적 지식의 응용사례로 적합 ① 실내 공간은 직사각형 모양의 구조로 단순 ② 창문과 콘크리트 외벽으로 구성 ③ 실내 사무기구 구성 및 배치 단순(책상,의자)

※ 단, 도서관 제실 인원은 최대값으로 가정

1.서론

연구진행방법

①설계조건 설정

②외벽[현열]

③바닥[현열]

④창유리[현열]

⑥틈새바람(infiltration)[현열+잠열]

⑦인체열[현열+잠열]

⑧외기부하(ventilation)[현열]

2.본론

열람실 규모

20m 15m

천장높이 : 2.5m

문 : 1mx2m

창문:2.5mx2m , 6개

실 내외 공기상태

건구온도(℃) h (kcal/kg)

실내 26 13.3

실외 33 19.5

- 쾌적감을 나타내는 설계시 실내 온습도조건(건구 26℃, 상대습도 55%, )

외기 조건 : 서울(건구 33.5℃, 상대습도 57%, )

인천(건구 31.8℃, 상대습도 57.8%, )

수원(건구 33.1℃, 상대습도 56.1%, ) 등 참조함

①외벽에서 침입하는 열량(q2)

K(kcal/m²h℃) A(m²) ∆te 현열량(kcal/h)

서쪽 3.2 15x2.5 =

37.5

7.5 900

남쪽(내) 1.8 20x2.5-1x2x2=46 3.5 290

동쪽(내) 1.8 20x2.5=

50

3.5 315

북쪽 3.2 20x2.5-2.5x2x5=25 5.8 464

사이문 2 1x2x2=4 3.5 28

가정 : 16시, 보통판 유리, 브라인더 중간색

②창 유리로부터 침입하는 열량(q3, q4)

일사량에 의한 열량

일사량 IgR (kcal/m²h) A 유리계수 차폐계수 현열량

북 38 30 0.9 0.62 636

실내외 온도차에 의한 열량

K A ∆t 현열량

5.6 30 33-26

=7 1176

가정 : 보통판 유리 5mm

Q(침입하는 외기량)

온도 또는습도 차

현열량 잠열량

현열 180

(20x15x0.

6)

사무실로

가정하여

0.6

33-26 =7 363 0

잠열 0.0202-

0.0115

=0.0087

0 1123

현열부하(q5 = 0.24 x 1.2 Q ∆t) , 잠열부하(q6 = 597.5 x 1.2 Q ∆x)

③틈새바람에 의한 열량(q5, q6)

K A ∆t 현열량

바닥 1.5(콘크리트로 가정)

20x15

=300

7/2

=3.5

1575

④바닥에서 침입하는 열량(q7)

q7 = KA∆t

사람 수 1인당 발생 열량

(kcal/h 인)

현열량 잠열량

현열

297

43 12771 0

잠열 47 0 13959

⑤인체로부터의 취득 열량(q8)

현열부하(q8) = QhsN

잠열부하(q9) = QhlN

(조건 : 실내 건구온도 26℃, 보통 사무실)

형광등을 바닥 면적의 20~25 W/m²로 잡는다

q10=1.1 x (20 x (20x15)) = 6600 kcal/h

(1.1은 여유계수)

⑥전등 등 기타기기 발열량

환기량에서 한 사람 당의 필요외기량은 25m³/h

로 계산함

N x 25 x ∆h x 1.2= 297 x 25 x (19.5 – 13.3) x 1.2

= 55242kcal/h

⑦환기에 의한 발열량

현열부하와 잠열부하를 합한 값이 냉방부하이다. 외기부하를 제외한 현

열부하와 잠열부하를 집계한 현열비(SHF)까지 계산, 그리고 외기부하

를 합한 값을 집계한다.(공조기, 냉동기 등을 결정할 때 사용)

냉방부하 계산

가정한 열람실의 면적은 20x15 = 300m², 약 90평이다. 실제로 1RT 에어컨은 8~10평형이다. 1평당 약 400kcal/h 이다. 따라서 계산한 값이

약 10RT , 36000kcal/h 정도가 나오면 비슷하지만, 우리가 계산한 값은

너무 크게 나온 듯 싶다. 실제와 다르게 나오는 것은 당연하다. 이번 기회를 통해 현 시장에서 냉동설비를 하는 과정을 알게 되어 굉장히 좋은

기회였다.

3.결론