안녕하세요. 공조냉동기계기사 실기 담당교수 강희중입니다.

질문하신 부분들은 내용 자체가 기술적으로 깊은 내용이라 쉽고 간단하게 설명할 수 있으면 좋겠지만

필연적으로 설명이 길어질 수밖에 없는 점 양해 부탁드리며(스크롤 압박 주의)

일단 최대한 이해할 수 있게 설명하겠습니다.

 

 

첫 번째 질문)

챕터1 냉동공학 27페이지 2건식 셀 앤 튜브 증발기 전열 열통과율

 

답변)

열통과율은 관 내외 표면적의 열전달과 관의 열전도 그리고 운전하면서 발생하는 오염을 고려하여 계산하게 됩니다.

우선 열통과율에 대한 내용은 이해하신 것으로 알고 해당 내용의 오염계수 f 와 m에 대해서만 간단히 설명하면

1) 열통과율은 각 열저항의 합인 전체 저항의 역수로 구하며 K식의 분모는 각 저항의 합이 됩니다.

따라서 역으로 1/k=R(전체저항)=Ri+R1+Ro(내표면 열전달저항+도체의 열전도저항+외표면 열전달저항)

여기서 오염계수는 물이나 브라인 사용 시 시간이 지나면서 물 때(스케일 등)로 인한 저항 증가를 감안하여 설계하게 되고 전열관처럼 열전도에 의한 열저항을 더하는데

오염계수는 열저항의 단위이기 때문에 오염계수 그대로 저항의 합에 더하는 계산입니다.

그리고 동관의 경우 열전도율이 커서 역수를 취하여 열전저항(1/400 정도)으로 계산하면 값이 작아 생략하는 경우가 많습니다.

 

2) 이너튜브 내외 면적비란

열통과율에서 양측 면적이 다를 때 상대적인 표면에 열저항을 크게 또는 작게 계산해야 실제 면적이 다른 양 표면에서 통과되는 열통과율이 됩니다.

 

건식 셀 앤 튜브 증발기인 경우 셀(드럼, 통)안에 브라인이 가득 차있고 튜브 안을 냉매가 흐르면서 완전 증발하여 냉매 출구로 나오는 형태이고

브라인보다 냉매의 열전달이 낮기 때문에 전열효율을 높이기 위해 튜브 안에 그림처럼 이너핀을 설치하여 냉매의 접촉 면적을 넓게 하면 증발기의 크기를 줄일 수 있게 됩니다.

 

면적비를 적용한 열통과율 계산에서는 내면과 외면의 유체 접촉 면적이 다르기 때문에 조건이 붙어야 하는데

즉, 내표면을 1로 기준하는지 외표면을 1로 기준 하는지에 따라 면적비의 적용이 달라지게 됩니다.

 

따라서 교재설명은 관외 표면적을 기준하여 열통과율을 계산하는 것이니

관내 표면적은 이너핀에 의해 더 넓은 경우가 되고 상대적으로 외표면보다 열전달이 내외면적비만큼 커지므로 내표면(냉매측)열전달율에 내외면적비를 곱하여 열전달로 보면 크게 열저항으로 보면 작게 계산되는 것입니다.

 

즉, 열통과율의 역수 열저항은 각 저항의 합이고 따라서 외면적 기준 내면적은 그 넓이가 넓으므로 더 많은 열전달이 발생하므로 열전달에 면적비를 곱하여(1/ma_r) 열저항을 작게 한다는 뜻을 갖고 있습니다.

 

그러면 조건을 반대로 내표면적을 1로 기준하여 열통과율을 계산한다 하면

외표면의 열전달은 내표면보다 면적비만큼 작기 때문에 열이 그만큼 덜 흐르게 되고 따라서 저항값이 커지게 계산하는 m/a_w가 되는 것입니다.

 

챕터7 기출문제 347페이지 05번 문제 별해 열통과율은 건식이 아닌 만액식으로 셀안에 냉매가 가득 차 있고 튜브안에 브라인이 순환하는 구조이며 외면적 기준으로 하니 두께 차이로 표면 면적이 작은 내면적에 면적비를 곱하여 저항값을 크게 계산한다는 의미입니다.

건식 셀 앤 튜브라는 말이 없으면 대부분 셀 앤 튜브식은 만액식 증발기를 사용하기 때문에 문제처럼 냉매액이 셀안에 있는 만액식 증발기로 해석하시면 됩니다.

 

 

 

두 번째 질문

챕터4 355페이지 설명이 이해가 안 됩니다.

417페이지

기출문제 51 165 25년 3회 기출문제 흡입관과 토출관이 있는 송풍기 전압 정압

Pt=Pt1-Pt2=Ps2-Ps1-전후 값이 같아야 되는데 다릅니다.

Ps = 예시를 들어 설명을 요합니다.

 

답변)

4장 417페이지 08번 문제로 설명하면

문제) 흡입전압 -200, 흡입정압 -260, 토출전압 90, 토출정압 30 일 때 송풍기 전압과 정압을 구하시오.

우선, 송풍기 전압은=토출전압-(-흡입전압) 으로

즉, 흡입 시 대기압 보다 낮은 음압(부압 -)을 갖지만 이 역시 송풍기의 흡입 시 필요한 힘이 되므로 토출과 흡입의 합을 구해야 하는데 흡입은 항상 음압이므로 빼기 공식을 통해 합이 되게 식을 만듭니다.

또한 흡입에서 필요한 흡입전압에 해당하는 힘으로 흡입을 하면 정압에 해당하는 측정되는 음압은 속도까지 더한 음압이 생기는데 보통 이 정압에 해당하는 음압이 음수값으로 크기 때문에 이 음수값에 속도 값을 더한 +동압이 송풍기 전압이 되는데 이 부분을 이해해야 합니다.

예를 들어 송풍기 흡입측 정압이 -100이 측정되고 속도에너지가 20 이라면 실제 송풍기가 흡입해야할 힘은 80이 되고 이때 표현은-100이 정압, +20이 동압 -80이 전압이 됩니다.

 

따라서 문제를 설명하면 90-(-200)=290의 힘이 송풍기에 필요하다 라는 결과이고 정압은 송풍기 전압에서 토출측 속도에너지인 동압을 뺀 값을 의미하므로 290-(90-60)=260이 됩니다.

여기서 토출측 동압만 빼는 이유는 속도에너지는 흡입이든 토출이든 송풍기를 지나는 하나의 속도에너지이기 때문입니다

 

355페이지에 보면 송풍기 전압을 토출정압과 흡입정압의 합(식은 빼기 공식)으로도 구할 수 있는데 이때 토출과 흡입의 동압인 속도가 같다는 전제로 식이 성립됩니다. (그림의 동압선 참조)

따라서 417페이지 8번 같이 토출동압은 30이고 흡입동압은 -200-(-260)=60으로 주어지게 되는 경우는 성립할 수 없어 토출 및 흡입 정압식으로 전압을 계산하면 오답이 됩니다.

만약 흡입 정압을 -230으로 주어졌다면 토출과 흡입정압이 같아

송풍기 전압은 60-(-230)=290으로 토출 및 흡입 전압으로 계산한 값과 같습니다.

25년 3회 문제에서는 흡입과 토출 동압이 다르므로 전압식으로 해야 하는데 일부 수험자는 흡입 토출정압으로 계산하여 오답이 된 경우가 있으니 우선 이 부분을 주의하시기 바랍니다.

 

부연설명) 이 부분은 모든 학습자가 다 어려워하는데 흡입측에서 음압이 걸리면서 단순하게 전압=정압+동압의 식으로 여러변형된 더하기 빼기만 있는 식인데도 대기압 기준 양압과 음수인 음압이 나오다 보니 이해하기가 굉장히 까다롭다는 분이 많습니다.

조금만 이해하고 나면 너무 당연한 압력식이 되므로 조금만 더 학습하시기 바랍니다.

마치 실온 20도에서 -5도 와의 차이가 당연히 25임에도 15도처럼 느껴지는 부분과 같습니다.

 

 

 

세 번째 질문)

기출문제 272 409 418페이지 챕터6 559페이지

혼합공기 냉동공기량 냉각코일 통과 공기량 도입외기량

272 409에서 냉각코일 통과 공기량 도입외기량

418페이지에서 혼합공기 냉동공기량(필) 도입외기량

559페이지에서 혼합공기 냉동 공기량 냉동코일 통과 공기량

산출방법을 알려 주세요

답변)

2중 덕트방식의 공기량이 이해하기 어려우신 거군요. 2중 덕트 방식은 출제 의도에 따라 약간 차이가 발생하는데

어떤 하나의 관점으로 출제되므로 실제 설계와 많이 달라 오해의 소지도 있고 해서 문제를 잘 검토해야 합니다.

 

1) 272 12번 (409 08번)에서

냉각코일 통과 공기량은 조건 전체풍량 7200에서 가열코일 통과풍량 3600을 뺀 3600이 되는 것이고 도입 외기량은 조건에 1800이라고 주어졌기 때문에 따로 산출하는 것이 아닙니다.

여기서 6실에 대한 혼합 전체공기량은 취출온도차 8도와 실내 현열을 감당하는 풍량계산식으로 구하게 되고

냉풍 13도와 온풍 31도를 조건에 주어진 취출온도차 8도가 되는 (26-8=18)도로 만드는 혼합량은

냉풍을 x로 하면 2925-x가 온풍량이 되므로 이를 이용하여 혼합온도 계산식으로 냉풍량을 구할 수 있게 됩니다.

 

2) 418페이지에서 혼합공기 냉동공기량(필) 도입외기량에서

도입 외기량은 조건에 1800kg/h로 주어졌으며

2중덕트 계산문제로 실제 그림과 같이 하나의 실만 공급하는 경우는 없지만 출제의도에 따라 그렇다고 가정하여 계산하는 문제로

공조기를 통과하는 풍량이 실내로 전량 공급된다 가정하여

냉각코일 통과 풍량을 x로 하여 7200-x는 온풍량이 되므로 이 둘을 혼합했을 때 16도가 되는 x의 방정식으로 냉각코일 통과풍량을 계산 할 수 있습니다.

 

3) 559페이지에서 혼합공기 냉동 공기량 냉동코일 통과 공기량에서

사무실의 공조 풍량은 여름철 기준으로 조건에 있는 값을 사용하여 실내 현열부하를 감당할 수 있는 송풍량식(Q=qs/(밀도 × 비열 ×취출온도차))로 계산하게 되며

냉각코일 부하는 이 풍량이 코일을 통과하는 풍량이므로 조건에 주어진 냉각코일 출구 엔탈피차와 혼합엔탈피식을 통해 구한 입구엔탈피로 엔탈피차를 구해 계산할 수 있습니다.

 

(2)항 문제는 여름철이 아닌 중간기에 13도의 외기로 실내 공기 26도 공기와 혼합하여 취출온도 16도를 만들어 냉동기를 가동하지 않고 실내 발생 부하를 감당하여 냉방하는 외기 냉방시스템으로

도입외기량은 여름철 기준 풍량은 그대로 공조기 풍량이 되므로 전체풍량에서 외기량을 뺀양이 혼합되는 실내공기이므로

혼합온도식 {(10447-x)26+x×31}/10447=16 으로 x인 외기량을 구할 수 있고

교재처럼 간단히 급기량을 1로 하여 13×x+(1-x)×26=16의 비율10/13을 구해

이 값이 전체 풍량에서의 외기비율이므로 10447×10/13=8036 으로도 구할 수 있게 됩니다.

외기량이 많은 이유는 당연히 중간기 저온의 외기로 냉동기를 가동하지 않고 운전하는 냉방시스템이기 때문입니다.

이 부분을 계산할 수 있다면 중간기(봄, 가을) 외기 온도는 낮고 실내는 사람이 많아 실내온도가 상승할 경우 외기를 100% 들여오는 방식으로 운전하는 경우보다 외기량을 조절하면서 부하에 맞는 실온을 좀 더 잘 유지할 수 있게 됩니다.

 

 

네 번째 질문

챕터5 난방설비 502페이지 24번 선도 그려주세요-환기와 실내공기 선도상 표기

 

답변)

해당 문제는 실내외 습도 조건이 없고 실내 현열비 및 가습조건이 없어 선도를 표시할 수 없기 때문에 선도를 교재에 삽입하지 않았습니다.

다만, 궁금해 하시니 없는 조건을 추가하여 선도로 표시해 드리겠습니다.

추가 조건은 실내외 상대습도를 50%로 가정하고 온수 80℃로 분무하는 가습 조건으로 하면

아래와 같습니다.

 

 

 

 다섯 번째 질문)

챕터1 냉동공학 21 145페이지 07번문제 1/

기출문제 280 02번문제 1/ 24년3회 예상문제

흡수식 냉동기 계통도-약간 이해 선도상 흡수사이클-이해 않됨

 

답변)

물을 냉매로 하는 흡수식 냉동기는 압축방식이 아닌 냉동사이클 순환이 흡수액으로 냉매를 흡수한 후 다시 발생시켜 냉매를 순화시키기 때문에 다소 어려운 부분은 있습니다.

교재 본문 기반으로 아래 그림과 같이 다시 설명하면

 

 

1) 6-2 과정(냉매 3이 h1'가 되어 6-2로 흡수되는 과정)

우선 증발기는 7mmHg의 고진공 상태이므로 760mmHg의 대기압에서 100℃에 증발하던 물이 흡수식 냉동기의 증발기에서는 4~5℃로 증발을 하며 공조기에 보낼 냉수를 7℃ 만들게 됩니다.

이 과정에서 응축기에서 응축된 냉매액(물) h3이 증발기로 들어갈 때 증발온도 보다 높은 고온 고압이며 증발기에서 h1의 저온 저압 냉매액(물) 상태가 된 후 h1‘의 냉매(물) 증기가 되어 흡수기로 가는데

증발은 h1에서 h1'가 되지만 열정산으로는 응축기에서 공급되는 h3에서 h1'로 얻은 열량이므로 냉동효과는 h1'-h3이 됩니다.

왼쪽 세로축에 있는 이유는 이 냉매는 흡수액이 없는 0%의 냉매라는 뜻입니다.

선도에서는 생략되지만 냉매증기(물)h1'가 묽은 용액이 되는 6-2로 공급되고 있다고 생각하시면 됩니다.

 

증발한 냉매는 흡수액에 응축되면서 흡수되어 결국 h2가 되고 냉매증기가 응축되는 잠열을 제거해야 하므로 냉각수로 냉각하며 흡수를 시키게 됩니다.

 

2-7과정(묽은용액의 열교환 과정)

냉매를 흡수한 엔탈피 h2의 묽은 용액(냉매가 많이 혼합된 흡수액, 약 50% 압력은 여전히 고진공)이 발생기로 가는 중 발생기에서 내려오는 고온의 농용액과 열교환기에서 열교환 하여 약간 온도와 증가된 엔탈피를 가지게 되어 h7의 상태가 됩니다.

이러면 발생기의 가열량(열사용 비용)이 감소하므로 효율적인 운전이 되는 것입니다.

7-5과정(열교환한 묽은 용액이 가열되어 냉매(물)의 증발온도가 되는 과정)

묽은 용액은 h7의 상태에서 발생기로 들어가 냉매의 증발온도 점인 h5까지 가열이 된 후

냉매는 증기가 되어 농도 0%인 h4'로 응축기로 보내집니다. 이때 묽은 농도 증발점에서 증기 엔탈피 h5‘와 점점 농축되면서 농용액 농도 증발점 h4'의 엔탈피가 차이가 나는데

응축부하(qc=h4'-h3) 계산 시 시험에서는 h4'를 사용하는 경우도 있고 h5'와 h4'의 평균을 사용하기도 합니다.

 

5-4과정(묽은 용액이 냉매(물)을 증발시키면서 농용액이 되는 과정)

발생기에서는 농축된 흡수액과 냉매가 분리되는 과정으로 증발한 냉매는 응축기로 농도가 다시 높아진 농용액은 흡수기로 보내지게 됩니다.

 

4-8과정(열교환기에서 고온의 농용액이 저온의 묽은용액과 열교환하는 과정)

고온의 농용액(농도 2)이 흡수기에서 올라오는 저온의 묽은 용액과 열교환을 통해 저온이 되면서 흡수기의 흡수 성능이 커지게 됩니다. 이러면 흡수기의 냉각수 냉각량도 줄일 수 있어서 효율이 증가되게 됩니다.

 

8-6과정(열교환한 농용액이 흡수기에서 흡수할 수 있는 온도까지 냉각되는 과정)

h8인 열교환기를 나온 농용액은 흡수기에서 냉각수에 냉각되어 h6의 상태에서 증발기에서 증발한 냉매증기를 흡수하게 되며

농도는 농도2에서 농도1으로 묽어지게 됩니다.

문제를 풀다보면 이 농도는 50%-60% 정도로 설계가 되어 집니다.

농도를 너무 크게 설계하거나 운전시 이 농도가 커지게 되면 흡수제인 LiBr이 결정(고체화)이 되므로 주의해야 합니다. 왜냐하면 LiBr결정체에 물을 혼합하여 냉동장치를 순환하는 혼압 용액을 만들기 때문에 농도가 높아질 경우 LiBr은 언제든 다시 고체화 될 수 있습니다.

 

그리고 흡수기에서 농용액에 흡수된 냉매증기의 흡수열를 지속적으로 냉각수가 제거하고 이 냉각수는 아직 저온이므로 좀 더 고온인 응축기에서 냉매의 응축잠열을 제거하게 됩니다.

따라서 흡수식 냉동기에서 냉각탑은 이처럼 흡수제거 열량까지 있어 증기압축식에 비해 1.5~2배 정도 크게 설계됩니다.

 

5-5‘-4’-3 과정(냉매증기의 응축과정)

발생기에서 응축기로 보내진 냉매증기는 h4'에서 h3의 상태까지 냉각수에 의해 응축이 되면서 감소한 후 다시 증발기로 공급되면 한 사이클이 완성되고

 

이 사이클이 계속 순환하는 것입니다.

 

참고로 발생기의 압력은 냉매증기의 발생으로 약간 압력이 높은 상태가 되지만 그래도 고진공 상태이므로 냉매인 물이 낮은 온도에서 증발하게 되는데 이 원리를 이용하여 100℃ 이내의 여러 장치에서 버려지는 폐열이나 또는 태양열을 이용하면 에너지 효율이 굉장히 좋은 냉동기가 되는 것입니다.

 

흡수식 냉동기는 처음 제작 시 고진공 상태로 만든 후 냉매인 물과 흡수제를 넣기 때문에

그 안의 압력은 냉매증기(물)의 압력 뿐이고 흡수액이 지속적으로 냉매증기를 흡수하다 보니 고진공 상태가 유지되는 구조입니다. 따라서 공기 등이 침투해 진공도가 떨어지면 증발온도 등의 변화로 냉동기의 성능이 제대로 나오지 않아 주기적으로 공기를 제거하는 추기장치가 달려 있습니다.

 

 

질문이 포괄적이어서 어떤 부분이 궁금한 부분인지 정확히 알수 없어 전체적으로 설명하였습니다. 설명 중에 궁금한 부분이 해소되었으면 하네요.

 

긴글을 작성하느라 오타나 오류가 있을 수 있으니

추가 궁금한 사항이 있으면 질문 바랍니다.