[공조냉동기계기사][냉동] 실기 기출 문제

1단 압축, 1단 팽창 이론사이클로 운전되고 있는 R-22 냉동장치가 있다. 이 냉동장치는 증발온도 -10, 응축온도 40도, 압축기 흡입증기의 과열증기 엔탈피 및 비체적은 각각 405kj/kg과 0.067m3/kg,압축기 출구증기의 엔탈피 443kj/kg,팽창변을 통과한 냉매의 엔탈피 240kj/kg, 팽창변 직전의 냉매는 과냉각 상태이고, 10냉동톤의 냉동능력을 유지하고 있다. 압축기의 체적효율은 0.85이고, 압축효율 및 기계효율의 곱이 0.73이라고 할 때 다음 물음에 답하시오.(단 1냉동톤은 3.86kW이다.) 
1) 이냉동장치의 p-h선도를 그리고 각 상태값을 나타내시오. 
2) 압축기의 피스톤 토출량을 구하시오. 
3) 압축기의 소요  축동력을 구하시오. 
4) 이 냉동장치의 응축부하를 구하시오. 
5) 이 냉동 장치의 성적계수를 구하시오.

주어진 조건을 바탕으로 R-22 냉동장치의 사이클 계산을 단계별로 진행하겠습니다.

1. P-h 선도 및 상태값

냉동 사이클의 주요 지점별 엔탈피($h$)와 상태는 다음과 같습니다.

• 지점 1 (압축기 흡입): $h_1 = 405 \text{ kJ/kg}$, $v_1 = 0.067 \text{ m}^3\text{kg}$ (과열증기)
• 지점 2 (압축기 토출): $h_2 = 443 \text{ kJ/kg}$
• 지점 3 (응축기 출구/팽창변 직전): $h_3 = 240 \text{ kJ/kg}$ (과냉각 액)
• 지점 4 (증발기 입구): $h_4 = h_3 = 240 \text{ kJ/kg}$ (교축과정, 등엔탈피)

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2. 압축기의 피스톤 토출량 ($V_p$)

먼저 냉매 순환량($\dot{m}$)을 구해야 합니다.

• 냉동능력 ($Q_e$): $10 \text{ RT} = 10 \times 3.86 \text{ kW} = 38.6 \text{ kW} = 38.6 \text{ kJ/s}$
• 냉매 순환량 ($\dot{m}$):
  
  $$\dot{m} = \frac{Q_e}{h_1 - h_4} = \frac{38.6}{405 - 240} = \frac{38.6}{165} \approx 0.2339 \text{ kg/s}$$

이제 피스톤 토출량($V_p$)을 계산합니다. ($V = \dot{m} \cdot v_1 / \eta_v$)

• 피스톤 토출량 ($V_p$):
  
  $$V_p = \frac{\dot{m} \times v_1}{\eta_v} = \frac{0.2339 \times 0.067}{0.85} \approx 0.01844 \text{ m}^3\text{/s}$$
  
  (시간당 환산 시: $0.01844 \times 3,600 \approx 66.38 \text{ m}^3\text{/h}$)

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3. 압축기의 소요 축동력 ($P_s$)

축동력은 이론 압축 일량을 압축효율과 기계효율의 곱으로 나눈 값입니다.

• 이론 압축 일량 ($W_{th}$): $\dot{m}(h_2 - h_1) = 0.2339 \times (443 - 405) = 8.888 \text{ kW}$
• 축동력 ($P_s$):
  
  $$P_s = \frac{W_{th}}{\eta_c \cdot \eta_m} = \frac{8.888}{0.73} \approx 12.18 \text{ kW}$$

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