공기조화 및 냉동시스템

제1부 기초편
제1장 기초단위 및 용어 / 11
제2장 열과 유체 / 18
제2부 공기조화편
제3장 공기조화의 기초 / 51
제4장 공조사이클 / 73
제5장 공조부하 / 111
제6장 공조설비 / 158
제3부 냉동편
제7장 냉동의 기초 / 235
제8장 냉동사이클 / 249
제9장 냉동부하 / 309
제10장 냉동설비 / 342
제4부 제어편
제11장 공조냉동제어 / 401
참고문헌 / 436
찾아보기 / 438

오랜 옛날부터 인간은 일상생활을 편하게 하기 위하여 많은 노력을 기울여 왔으며, 오늘날에는 실내의 인테리어, 조명, 음향, 색채, 실내에서 바라다보는 조경, 조망 등도 포함하여 보다 안락하고 쾌적한 환경을 요구하고 있다. 또한 식품 등을 저온으로 보존하여 그 가치를 유지하고자 하는 것도 이런 노력과 무관하다고 할 수 없다. 더구나 이런 노력은 앞으로도 계속될 것이고 더욱 가속화될 것이며 광범위하게 적용될 것이다.
이런 점에서 에너지를 절약하고 환경을 보존할 수 있도록 하면서 공기조화와 냉동기술과 관련되는 부분은 많이 있지만, 본 책에서는 공조냉동기술을 배우고 익히고자 하는 이들이 공조ㆍ냉동 시스템을 이해할 수 있도록 가장 기본적인 내용을 간추려 보았다.
이를 위하여 본 책은 크게 1. 기초편, 2. 공기조화편, 3. 냉동편, 4. 제어편으로 구성하였고, 1. 기초편에서는 공조ㆍ냉동에 필요한 기초단위 및 용어(제1장)와 열ㆍ유체(제2장)에 대해 다루었다. 그리고 2. 공기조화편과 3. 냉동편에서는 각각 그 기초(제3장과 제7장)와 사이클(제4장과 제8장), 부하계산(제5장과 제9장), 설비(제6장과 제10장)로 구분하였으며, 4. 제어편에는 공조냉동제어에 관해 간단히 서술하였다.
따라서 본 책은 공조ㆍ냉동을 처음 배우고자 하는 이들에게 있어 공기조화와 냉동을 함께 익힐 수 있도록 하기 위함이며, 제2부 공기조화와 제3부 냉동을 유사한 비중으로 다루고자 하였다. 따라서 공기조화기술을 익히려면 제1부와 제2부, 제4부를 중심으로 살펴보면 될 것이고, 냉동기술을 익히려면 제1부와 제3부, 제4부를 중심으로 살펴보면 될 것이다. 그리고 공조ㆍ냉동을 함께 배우고자 한다면 제2부와 제부를 적절히 조합하여 공부하면 될 것이다. 또한 숙련된 공조ㆍ냉동 기술자를 위해 고급화된 기술을 다루지는 못했지만 종합적으로 정리할 수 있는 지침서는 될 것이다.
그리고 본 책에서는 모든 단위를 실무에서도 많이 사용하고 있는 공학단위와 국제적으로 통용되고 있는 SI단위도 함께 표기하였으므로 참조하기 바란다.
끝으로 이 책이 완성될 수 있도록 자료의 수집 및 정리, 편집 등에 많은 도움을 준 전남대학교 냉동공조공학과 공기조화연구실 학생들에게도 심심한 감사의 말을 전하고 싶다.

2015년 9월
저자대표 박기원

제1장 기초단위 및 용어

1-1. 온도
온도(temperature, )란 물체가 지니고 있는 열의 정도를 나타내는 물리적인 척도이며, 물체가 가진 열의 양을 나타내는 것은 아니다. 열의 분자이론에 따르면 온도는 분자운동의 속도를 나타내는 것으로서, 운동이 빠르면 따뜻하게 되어 온도가 높아지고 느리면 차게 되어 온도가 낮아진다.
온도계가 처음 만들어진 것은 공기를 따뜻하게 하면 팽창된다는 사실을 알게 된 16세기 말이었는데, 갈릴레이(Galilei,G.)는 공기의 팽창을 이용하여 두 물체 중에서 어느 것이 온도가 높은지를 비교함으로써 물체의 뜨거운 정도를 정할 수 있는 시차온도계를 발명하였다. 그러나 오늘날에는 파렌하이트(Fahrenheit,G.D.)가 발명한 알코올온도계와 수은온도계를 비롯하여 저온과 고온의 넓은 범위에서 정확하게 온도를 측정할 수 있는 열전대(thermocouple)온도계 등 많이 형태의 온도계가 사용되고 있다.
이들 온도계의 눈금에는 다음과 같은 종류가 있다.
㉠ 섭씨온도[℃] : 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 정하고, 그 사이를 100등분 한 섭씨눈금(Celsius scale)을 사용한 것으로, 우리나라를 비롯하여 많은 나라에서 이용하고 있다.
㉡ 화씨온도[℉] : 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 하고, 그 사이를 180등분 한 화씨눈금(Fahrenheit scale)을 사용한 것으로, 영국과 미국 등에서 주로 이용하고 있다.
㉢ 켈빈온도[K] : 섭씨온도와 화씨온도는 상대적인 온도눈금이어서 물리학이나 공학적인 계산 등에서는 불편한 점이 많다. 따라서 변화되지 않는 절대적인 온도눈금이 필요하게 되어 절대온도눈금, 즉, 켈빈온도를 정하게 되었다. 켈빈눈금(Kelvin scale)은 자연계에서 가장 낮은 온도를 절대0도(absolute zero point, 0K)로 정하고, 이 절대0도를 정점으로 하여 물의 어는점과 끓는점 사이를 100등분 한 것이다.
㉣ 랭킨온도[°R] : 랭킨눈금(Rankine scale)은 절대0도(0°R＝?460℉)를 정점으로 하고, 물의 어는점과 끓는점 사이를 180등분한 것이다.
표 1-1은 이들 온도눈금들을 비교하여 나타낸 것이다. 즉,
절대0도=0K=0°R
≒?273℃≒?460℉
의 관계를 가진다.
온도환산은 상대온도를 절대온도로 바꿀 때나 서로 다른 온도로 나타내고자 할 때에 필요하며, 다음과 같은 방법으로 환산한다.
ⓐ 섭씨온도 [℃]를 화씨온도 [℉]로, 화씨온도 [℉]를 섭씨온도 [℃]로

(1-1)

ⓑ 섭씨온도 [℃]를 켈빈온도 [K]로, 켈빈온도 [K]를 섭씨온도 [℃]로

(1-2)

ⓒ 화씨온도 [℉]를 랭킨온도 [°R]로, 랭킨온도 [°R]을 화씨온도 [℉]로

(1-3)

ⓓ 켈빈온도 [K]를 랭킨온도 [°R]로, 랭킨온도 [°R]을 켈빈온도 [K]로

(1-4)

【예제 1-1】 섭씨온도 ?15℃를 화씨온도, 랭킨온도, 켈빈온도로 환산해 보자.

풀이
① 화씨온도 ; ×(?15)+32=5[℉]
② 랭킨온도 ; 5+460=465[°R]
③ 켈빈온도 ; (?15)+273=258[K]

1-2. 압력
압력(pressure, )이란 물체의 상호 접촉면 또는 물체 내 임의의 단위면적에 수직으로 작용하는 힘의 세기를 말한다. 압력은 길이나 무게와는 달리 직접 느끼기 힘들어 측정에 어려움이 있으며, 단위로는 기본적으로 [kg/m2]이지만, 공기, 물, 수증기, 각종 가스 등에 따라 여러 가지의 표시방법을 사용하고 있다. 그 대표적인 것으로는 다음과 같은 것들을 들 수 있다.
㉠ 수은주(mercurial column) : 1kg/m2의 압력을 바닥 1m2인 수은주의 중량(≒13.6g/cm3)으로 환산한 높이로, 일반적으로 단위로는 [mmHg]를 사용한다.
㉡ 수주(water column) : 압력을 수은 대신 물의 높이로 나타낸 것으로, 일반적으로 단위로는 [mmAq]를 사용한다.
㉢ 수두(head) : 단위 질량의 물이 가지고 있는 에너지(압력)를 길이의 차원으로 표현하는 것으로, 압력을 수주로 나타내는 것과 본질적으로 같으며, 단위로는 일반적으로 [mAq]를 사용한다.
이 외에도 기상학이나 음향학 등에서는 [bar], [mb] 등을 단위로 사용하기도 한다.
이처럼 다양한 압력 단위의 상호관계는 표 1-2와 같다.
그리고 밀폐된 용기 속의 압력을 측정하기 위해 압력계(pressure gauge)를 사용하는데, 냉동공조장치에서 일반적으로 사용하는 압력계는 그림 1-1과 같은 부르동관(Bourdon tube)식이다. 이 압력계에는 반달모양으로 된 속이 빈 금속관이 있어 자유롭게 움직일 수 있으며, 고정된 부분에 유체압력이 작용하면 금속관은 펴지고 압력이 감소하면 수축된다. 이와 같은 금속관의 작은 변화를 기어에 의하여 확대시켜 바늘에 전달함으로써 바늘을 회전시키게 된다.
여기에는 대기압 이상의 압력을 측정할 수 있는 압력계와 대기압 이하의 압력을 측정할 수 있도록 만들어진 진공계, 그리고 압력계와 진공계 두 가지 기능을 갖춘 콤파운드게이지(compound gauge)가 있는 데, 냉동공조장치에는 대기압 이상이나 이하 어느 쪽 압력이든 측정할 수 있는 콤파운드게이지가 많이 사용된다.

1
액체의 압력
정지유체의 압력에는
ⓐ 압력은 모든 방향으로 균등한 크기로 작용,
ⓑ 압력은 평면이건 곡면이건 각 면에 수직으로 작용,
ⓒ 액체에서의 압력은 용기의 모양이나 액체의 양에 관계없이 깊이에 따라 결정,
ⓓ 밀폐용기 속의 유체 일부에 가해지는 압력은 유체 모든 부분에 균등한 크기로 전달(파스칼(Pascal)의 원리)
된다는 성질을 가진다.
그림 1-2와 같이 액면에서의 깊이가 라면, 바닥 면에 작용하는 압력은 식 (1-5)와 같이 결정된다.

(1-5)

여기서, ; 바닥 면에 작용하는 압력[Pa]
; 액면에 작용하는 압력, 대기압[Pa]
; 액체의 밀도[kg/m3]
; 중력가속도[m/s2]
; 액체의 높이[m]
그리고 압력을 SI 단위로는 [Pa], [N/m2]로 나타내지만, 액체인 경우에는 수주 [mAq]로 나타내는 경우가 많다. 이들의 관계를 정리하면 다음과 같다.
1mAq=1000kg/m2=0.1kg/cm2
=9806.65N/m2=9806.65Pa=9.807kPa

2
기체의 압력
그림 1-3과 같이 한쪽 끝이 막힌 유리관의 입구를 누르면서 수은이 든 용기에 거꾸로 세우면 일정 높이까지 수은이 상승하는데, 이것은 대기의 압력이 수은을 누르기 때문에 생기는 현상이다. 결국 수은의 밀도 약 13595kg/m3에 중력가속도 약 9.8m/s2과 수은주의 높이를 곱한 것과 대기의 압력이 일치되기 때문이다. 이것을 대기압(atmosphere pressure)이라 하고, 해면에서 측정한 대기압을 표준대기압이라 한다. 이들의 관계는 다음과 같다.
1atm=760mmHg=10mAq=101.325kPa
이 외에도 기체의 압력을 나타내는 방법에는 게이지압력, 진공도, 절대압력의 세 가지가 있는데, 게이지압력은 주로 대기압 이상의 압력을 측정할 때, 진공도는 대기압 이하의 압력을 측정할 때, 절대압력은 어느 경우에도 쓰인다. 그림 1-4는 절대압력, 게이지압력, 진공도의 상호관계를 나타낸 것이다.
㉠ 절대압력(absolute pressure) : 완전진공, 즉 0mmHg를 기준으로 한 값으로써, 냉매의 특성표나 열역학적인 계산에 잘 사용되며, 단위에 보통 (abs) 등을 붙여 구분한다.
㉡ 게이지압력(gauge pressure) : 대기압을 0으로 보고 잰 압력으로, 완전진공일 때에는 ?760mmHg이며, 단위에 보통 (g) 등을 붙여 구분한다.
㉢ 진공도(degree of vacuum) : 대기압을 0, 완전진공을 760mmHg로 하여 잰 것이며, 진공에 있어서의 절대압력은 완전진공에서 진공도를 뺀 것과 같다. 예를 들면, 700mmHg의 진공이란 절대압력(수은주의 높이)으로서는 표준대기압 760mmHg와의 차인 60mmHg가 된다.
절대압력 와 대기압 , 게이지압력 사이에는 식 (1-6)의 관계가 성립한다.
(1-6)
또, 진공도 [mmHg]를 절대압력 [kg/cm2]로 환산하면 식 (1-7)과 같다.
(1-7)

【예제 1-2】 압축기의 흡입 측에 부착된 콤파운드 압력계가 127mmHg를 가리켰다면, 압축기에 들어오는 증기의 절대압력은 얼마인가?

풀이
증기의 압력은
760?127=633[mmHg]
이므로, 이를 절대압력으로 환산하면
×1.0332≒0.86[kg/cm2]≒84.4[kPa]
이다.

1-3. 비체적과 비중량
비체적(specific volume, )은 어떤 물질이 일정 온도와 압력 상태에서 단위질량이나 중량당 차지하는 체적을 말하는 것으로, 그 단위는 [m3/kg]이지만, 액체인 경우에는 [L/kg]을 사용하기도 한다.
액체의 비체적은 온도에 따라서는 큰 영향을 받지만, 액체를 비압축성으로 취급하면 압력에는 거의 영향을 받지 않는다. 그러나 기체인 경우에는 온도 및 압력의 변화에 따라 큰 영향을 받는다.
비중량(specific weight, )은 단위체적당 중량으로, 단위로는 [kgf/m3] 등을 쓰고, 밀도(density, )는 단위체적당의 질량으로, 단위로는 [kg/m3] 등을 쓴다. 이처럼 엄밀하게는 비중량에는 중력가속도를 고려하여야 하지만, 일반적으로는 비중량과 밀도를 모두 비체적의 역수로 표현한다. 그 관계는 표 1-3 및 1-4와 같다.

1-4. 일과 동력
압축기로 가스를 압축할 때에는 가스가 가지고 있는 힘 이상으로 눌러 움직여야 한다. 이와 같이 중량 [kg]인 물체를 거리 [m]만큼 움직이게 하였을 때에 한 일 [kg·m]은 식 (1-8)과 같다.
(1-8)
이 일을 다음과 같이 시간당의 값으로 나타낸 것을 일률 또는 동력(power)[kW](1kW≒102kg?m/s)라 하고, 식 (1-9)와 같이 나타낸다.
(1-9)
여기서, ; 시간[sec] ; 속도[m/s]
동력의 실용 단위로는 [kW]와 마력(horse power)[HP]을 쓰는 경우가 많은데, 1HP＝550lb·ft/s≒76kg·m/s이나, 미터법에서는 75kg·m/s를 1마력으로 하여 1PS로 나타내기도 한다. 표 1-5는 동력 관계의 환산을 나타낸 것이다.

【예제 1-3】 그림 1-5와 같이 50kg인 물체를 전동기를 사용하여 10m 끌어올렸다면, 이 때 전동기가 한 일은 얼마인지 계산해 보자, 그리고 전동기의 동력이 100kg?m/s라 하면, 물체가 움직이는 평균속도는 얼마인가?

풀이
전동기가 한 일은 식 (1-8)에 따라
=50×10=500[kg·m]
이고, 물체가 움직이는 평균속도는
식 (1-9)에 따라
=2[m/s]
이다.