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Mechanical Vapor Compression Refrigeration Cycle - Key Concepts and Efficiency Factors

Learn about the mechanical vapor compression refrigeration cycle, its performance terms, and comparisons with Carnot cycle for efficient cooling systems. Explore theoretical single-stage cycles and key efficiency parameters.

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Mechanical Vapor Compression Refrigeration Cycle - Key Concepts and Efficiency Factors

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Presentation Transcript

  1. Chap.3 기계식 증기압축 냉동 사이클

  2. 3.1 기계식 증기압축 냉동사이클 • ❖냉동: 열을 제거함으로써 물질 내or 공간내의 온도 • 를 주위온도보다 낮추는 것. • ❖냉동의 여러가지 방법 : • (1) 기계식 증기압축 시스템 – (ⅰ) 대부분의 냉동 시스템 • (ⅱ) 상변화하는 냉매 사용 • ▶냉방(Cooling) : 액체 냉매를 증발시킴으로써 얻어짐. • (2) 흡수식 시스템 – 저가열원이용(장점), • (증기 액상 펌프로 흡수) • (3) 가스 압축 시스템 – 가스의 액화, 저장 및 분리에 적용. • (교축과정, 자유팽창)

  3. 3.1 기계식 증기압축 냉동사이클 • ❖기계식 증기압축 시스템 : 밀폐열역학 사이클 • (1)증발 후 증기의 포화온도(기계식 압축에 의해) • (2)(압축된)증기가 응축에 의해 냉각수or 대기에 열 방출 • (3) 상대적으로 고압이 된 액체냉매 다시팽창 • 열교환기(증발기)로 유입 증발 • ▶팽창과정 : 주로 밸브를 통한 교축과정(throttling)

  4. 3.1 기계식 증기압축 냉동사이클 • ❖냉동사이클의 성능을 표현하는 용어 • ▶1냉동톤= 200[Btu/min] = 3.52[kW]의 열제거율 • “톤” : 얼음이 주된 냉동수단으로 사용되던 시대로부터 유래. • ▶물의 융해열을 144[Btu/lbm] (335[kJ/kg]) 할때 • 얼음1톤(2000[lbm], 907[kg])이 24시간 동안 녹으면서 • 흡수하는 열량은 288,000[Btu](304,000[kJ]) • = 200[Btu/min](3.52[kW]) 열흡수율에 해당.

  5. 3.1 기계식 증기압축 냉동사이클 • ❖성능계수(Coefficient of Perfarmance): • 냉동시스템의 에너지 효율성 (energy effectiveness)을 나타냄(무차원 비) ▶기계식압축시스템: W(일)은 항상 외부 열원(source)에서 공급 (3.2) ▶냉동효율(refrigerating efficiency): 실제 사이클이나 시스템이 이상적인가역 냉동사이클에 얼마만큼 근접하는지를 표현함. (3.3)

  6. W W 3.2 Carnot 냉동사이클 • ❖Carnot Cycle; • (1) 완전가역사이클로써 • (2) 무한히 큰 열용량을 갖는 • (3) 두 개의 고정된 온도한계점or • (4) 두 개의 다른 온도를 가지는 • (5) 유체 사이에서 작동하는 냉동사이클 ▶가역사이클에 관련된 2개의 주요한개념: h > h h = h ( 1 ) ( 2 ) 1 2 rev irrev rev rev

  7. 3.2 Carnot 냉동사이클 from (3.2) (3.4)

  8. 3.2 Carnot 냉동사이클 • ▶열흡수 및 배출이 등압과정으로 발생되는 2상영역에서 • 작동되는 냉매에 대해서는 Carnot사이클을 고려하는 • 것이 바람직. (ⅰ) 상태1 = 포화액 냉매 (ⅱ) 상태3 = 저온 포화기체 (ⅲ) 상태C = Pc,T0 < Pd,T0 포화압력

  9. + 3.2 Carnot 냉동사이클 • ❖단위질량당 • 정상유동 에너지 W Q (3.4a)

  10. 3.3 이론적인 1단 사이클 ▶높은 초기비용, 유지관리비의 증가 때문에 단순팽창 밸브 (엔진 or 터어빈 대신), 1개의 압축기 사용 (실제 시스템의 모델)

  11. 3.3 이론적인 1단 사이클 ▶Steadypipe flow ; 등엔탈피 교축과정

  12. 3.3 이론적인 1단 사이클 ▶그림3.3에서, 단위질량당정상유동 에너지방정식 ▶성능계수; ▶압축기 압출량(Compressor Displacement) C.D ; 체적효율이 100%인 이론적인 양 속도 Fig3.3 (3.5) (3.6)

  13. 3.3 이론적인 1단 사이클 ❖1단사이클의 포화온도가 성능계수에 미치는 영향 필요한 응축기 증발기 순수일 ▶최대성능계수; 이므로 성능계수

  14. 3.3 이론적인 1단 사이클 ▶최대성능계수 ; 이므로 성능계수 ▶ ; (i)가능한 낮은 응축온도To (ii)가능한 최대증발온도TR 에서 사이클 운전

  15. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 • ▶면적기준으로 본 두사이클 사이에서의 차이 • (i) 면적 A1 (superheat horn) • (ii) 면적 A2 (교축과정에서 발생한 손실) • (iii) 면적 A3(냉동효과의 손실) • ▶단위질량당에너지 기준 (3.7) (3.8) (3.9)

  16. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 • ▶1단사이클; • ▶1단사이클의 냉동효율; • (증명) 다음 페이지 (3.10)

  17. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 (증명)

  18. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 • ❖면적 편차T-S 선도상의 포화선의 • 형상에 의존. • ❖포화액체선=직선 A2=0. • (액상의 비열=0이어야 가능) • ❖포화증기선 = 수직or 양의 경사일 때 A1=0(과열면적). • ❖포화선의 형상은 여러 종류의 냉매만큼이나 다양.

  19. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 • ❖암모니아의 포화선= 대칭적인 형상 • 면적편차 (A1, A2) 크다. • ❖냉매R-22 =A1(과열면적)작다, A2(교축과정)크다. (Fig. 3-7) • ❖냉매R-11 =거의 유사경향 • ❖냉매R-12 =거의 유사하지만 • 상대적으로 더 적은과열면적. • ❖냉매R-113, 냉매R-114=과열구간(X) • ❖Carnot사이클의 면적편차효과 • 냉동효율에 포함.

  20. 3.4 이론적1단 사이클과 Carnot 사이클의 비교 • ❖T-S선 상에서 이론적인 1단 사이클과 Carnot 사이클 • 비교는 다단 사이클이나 실제냉동 시스템과 같은 복잡한 • 시스템에 바로 확장될 수는 없다. • ❖다단 사이클은 다양한 과정들에서 각각 다른 질량유량을 가짐. • ❖실제 시스템= 내적으로 가역과정(X)

  21. 3.5 1단 사이클에서 냉매의 과냉 및 과열 • ❖팽창밸브입구에서의 액체냉매는 흔히 과냉 상태 • 그때의 온도는 작동 압력에 대한 포화온도보다 더낮게 됨. • ❖과냉; (1) 응축기 내에서 발생 or • (2) 액체선 내에서 주위와의 열교환에 의해 발생됨. • ❖증기; (1) 증발기 내에서 몇도 정도 과열or • (2) 압축기흡입라인 내에서 더과열될 수도 있음. • ❖그러나 오로지 유용한 냉동효과는 증발기 내에서의 • 엔탈피변화에 의한 것.

  22. 3.6 저온 증발온도에서의 1단 사이클의 성능 • ❖증발온도(TR)가 상대적으로 높은 경우가효과적인냉동방법 • ❖증발온도TR • (ⅰ) C.O.P감소 • (ⅱ) 주어진 냉동부화(2q3)에 대한 전력 요구량 • (ⅲ) 3W4 (압축기 압출량) • ❖저온에서 1단사이클을 운전할 경우의 단점3가지 • (ⅰ) 낮은 냉동효율 • (ⅱ) 압축기 압출량증가: • (ⅲ) 높은 압축기 토출온도– 밸브파손과 오일문제 유발 • 압축기 체적효율 감소로 1단사이클은 한계에 도달 다단압축이 필요

  23. 3.6 저온 증발온도에서의 1단 사이클의 성능 • ❖식(3.10)에서 • ▶증발 온도 TR ; • ▶증발 온도 냉동효율

  24. 3.6 저온 증발온도에서의 1단 사이클의 성능 ❖그림(3.9); 이론적인 1단 사이클 ▶성능계수의변화 ▶냉동효율 의변화 ❖증발 온도 TR ▶1단사이클의C.O.P는 낮다. ▶의 감소편차 커짐. 냉동효율 성능계수 Carnot 사이클; 냉동효율곡선= 성능계수곡선

  25. 3.6 저온 증발온도에서의 1단 사이클의 성능 • ❖저온시스템다단압축이 필요 (vapor intercooling) • ❖압축기의 과열방지 다단압축과 증기중간냉각이 필요 • ❖그림 (3.10); • ▶낮은 증발온도 TR • 암모니아 시스템의 • 압축기출구온도가 • 크게높다.

  26. 3.7 이론적 다단 증기압축 사이클 ❖다단압축 ＆ 냉매의 중간냉각(intercooling)을 사용 1단사이클의 단점극복, 상당한 C.O.P증가효과 ❖낮은증발온도(TR↓)의 체적효율의 감소를 극복하기 위해 다단 압축방식 필요. ❖암모니아2단사이클 ▶고압측(상태점 8,9,1,2) 이론적인1단 사이클 로서 해석가능.

  27. 3.7 이론적 다단 증기압축 사이클 • ❖플래쉬 중간냉각기(Flash intercooler) • (i) 일종의 압력용기 • (ii) 냉매액의 수위를 일정하게 • 유지 (플로트 밸브) • (iii) 직접접촉 열전달 • (차가운액체 냉매+과열증기냉매) • (iv) slotted pipe 탱크아래쪽 유입 • 기포는 액체 내를 통과 하여 상승 • ❖High-pressure Compressor입구 증기(8)의 성분 • (ⅰ) 플로트 밸브 내 에 발생된 flash vapor • (ⅱ) 증발기(Evaporator)내 순환 냉매의 증기 • (ⅲ) flash intercooler 내의 액체증발에 의해 발생된 증기

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