[기계공학실험] 열펌프 성능 실험

소개글

[기계공학실험] 열펌프 성능 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 제목

2. 실험 목적

3. 이론적 배경
3.1 열역학 제1법칙 (the first law of thermodynamics)
3.2 열역학 제2법칙 (the second law of thermodynamics)
3.3 열펌프(Heat Pump)의 이해
3.4 표준 증기압축 사이클 (Ideal Cycle)
3.5 표준 증기압축 사이클의 제약
3.6 실제 증기압축 사이클

4. 실험 장치
4.1 압력: 기계식 압력계
4.2 온도 : 열전대
4.3 유량 : 로타미터
4.4 와트시(watt-hour) 미터

5. 실험 방법

6. 결과 및 고찰
6.1 실험 결과
6.2 냉매의 상태량
6.3 압축기의 성능
6.4 난방 능력
6.5 고찰

본문내용

5
0.501
0.318
압축기 기계효율
0.809
0.881
0.724
0.838
압축기 단열효율
0.462
0.349
0.363
0.267
6.3 압축기의 성능
6.4 난방 능력
TEST
1
2
3
4
응축기에서의 회수 열전달률[W]
471.744
482.976
499.824
509.184
열역학적 성능계수
1.75
1.863
2.482
2.272
시스템 성능계수
1.415
1.642
1.8
1.903
6.5 고찰
① 압축기의 효율에 대하여 분석하시오.
위의 6.3 표에서 압축기의 효율에 관하여 살펴보면 압축기의 기계효율과 등엔트로피 효율은 변화량이 일정하지 않은 것을 볼 수 있는데 이러한 이유는 Wact를 구할 때 필요한 h1,h2를 그래프를 통해 구해할 때 그래프의 원본이 흐리게 프린트 되어 엔탈피값을 잘못 읽은 것 같다. 그렇기 때문에 기계효율과 등엔트로피 효율이 일정한 변동폭을 가지지 못한 것같고 압축기의 단열효율은 비교적 냉각수의 유량이 증가함에 따라서 단열효율이 낮아짐을 표를 통해 알 수 있는데 유량이 증가하게되면 냉매의 온도가 유량이 적을때보다 더 빨리 식도 낮은 온도로 응축기를 나오게 되어 유량이 증가할 수록 결과적으로 냉매의 온도가 낮아지기 때문에 냉매의 가역단열 압축일이 증가하게 되고 따라서 압축기의 단열효율도 낮아지게 된다. 압축기의 단열효율과 마찬가지로 압축기의 기계효율도 실제적으로는 유량이 증가함에 따라서 효율이 낮아져야 한다. 위와 같은 이유로 유량이 많을수록 냉매는 응축기에서 더 빨리 냉각되고 낮은 온도로 배출되어 결론적으로 압축기에서 과열증기로 압축해야 하는 일이 많아지게 되므로 압축기 기계효율이 낮아지게 되는 것이다.
② 물 유량 변화가 열펌프 성능에 미치는 영향을 고찰하시오. (계산치는 표로 제시하고 성능 특성은 그림으로 도시하시오.)
계산치는 위의 표6.4를 보면 쉽게 알 수 있고, 성능특성은 밑의 그림7을 통해 볼 수 있다. 일반적으로 물 유량이 변화함에 따라서 열펌프의 성능이 좋아지는 것을 볼 수 있는데 열역학적 성능계수는 냉매의 실제 압축일 분의 응축기에서의 회수 열전달률이므로 유량이 증가함에 따라서 응축기에서 물과 냉매의 열교환이 잘 일어나기 때문에 응축기에서의 회수 열전달률이 더 커지게 되고 냉매의 실제 압축일도 유량이 증가함에 따라서 점점 줄어듬(직접한 실험에서는 부정확 그러나 이론적으로는 점점 감소)으로 결론적으로 결과값이 표6.4를 통해 점점 증가함을 볼 수 있다. 시스템 성능계수도 마찬가지로 전기동력 분의 응축기에서의 열전달률이므로 유량이 증가함에 따라서 전기동력은 점점 작아지고 마찬가지로 유량이 증가함에 따라서 물과 냉매의 열교환이 잘일어나게 되므로 시스템 성능계수도 유량이 증가함에 따라서 증가함을 알 수 있다.
<그림 7> 성능계수 그래프
③ 측정자료의 정확성과 실험 결과의 신뢰성에 대하여 분석하시오.
이번 실험에서의 오차는 기기에서 측정 데이터를 읽을때 가장 많이 발생한다. 또 R134a P-h선도를 직접 그려서 엔탈피 값을 읽을 때 원본이 워낙 흐려서 측정하는데 있어 눈금을 제대로 볼 수 없었으므로 오차가 발생 할 수 있다. 오차는 눈금이 세밀하게 안나눠져 있으므로 측정값을 기록할 때 발생하며 또 P-h선도에서 엔탈피를 구할 때 선을 약간만 비뚤어지게 그어도 값이 많이 바뀌기 때문에 세밀하게 나뉘어진 그래프 축에 비뚤어진 선을 긋게되면 오차를 발생할 소지가 크다. 그래서 이번 실험에서 압축과정의 등엔트로피 효율과 압축기 기계효율이 잘못계산된 것 같다. 또 정상상태에 완전히 도달할때가지의 시간을 알 수 없으므로 주위의 온도와 습도에 따라서 정상상태에 도달하는 시간이 달라질 수 있고 정상상태에 도달하기 전에 실험을 진행하였다면 오차가 발생할 소지가 있다. 또 와트시 미터의 디스크의 1회전당 걸리는 시간을 측정할 때 기기에 시간을 측정하는 기기가 없어서 직접 시계로 시간을 측정하였는데 이때에 정확히 한바퀴 돈 시간을 측정하기가 어려움으로 오차가 발생할 수 있다. 마지막으로 실험을 하는 동안에 응축이 아래부분에 냉매가 세어나오는 것 같았는데 실험을 진행함에 따라서 점점 냉매는 줄어들게 되므로 냉매의 유량 측정에 오차가 발생하였을 것이다.
④ 열펌프의 Cycle 흐름분석
압축기로 증발기에서 보내진 포화증기 냉매가 압축기로 들어와서 고온고압으로 압축하여 과열증기 상태로 압축기를 빠져나온다. 이때 실제 열펌프의 P-h선도를 보면 표준증기 압축 사이클과 다른 것을 알 수 있는데 이때 압축기의 내부에서 발열과 마찰 그리고 열전달 등에 의해서 압축과정이 비가역적이기 때문에 가역과정인 표준증기 압축 사이클과는 다른 모양의 그래프가 그려지게 된다.
압축기를 빠져나온 과열증기는 응축기로 들어가게 되는데 응축기에서 환상공간을 지나는 물과 냉매의 열교환으로 물은 온도가 상승하게 되고 냉매는 온도가 상대적으로 낮아져 과냉액체 상태가 된다. 응축기에서도 마찬가지로 비가역적인 요소가 발생하게 되는데 응축기의 관벽과 유체와의 마찰, 중력등에 의해 압력강하 현상이 일어난다. 그러한 비가역적 요소 때문에 이상기체 사이클의 P-h선도에서 포화액체로 표현된 3점이 실제 사이클에서는 P-h선도의 엔탈피가 감소하게 되어 그림4의 그래프처럼 3점이 과냉액체로 표현된다. 그러나 직접 그려본 P-h 그래프(첨부참조)는 3지점의 압력을 알 수 없어 압력강하 현상을 배제하고 직선으로 도시하였다.
응축기를 빠져나온 물은 열펌프 외부로 배출되고 냉매는 저장탱크에 들어가게 되는데 이때 저장탱크에서 냉매에 포함되어있는 공기를 냉매로부터 분리한다. 저장탱크를 나온 냉매는 필터를 거치게 되는데 필터에서는 냉매에 포함되어 있을 이물질을 제거하는 역할을 하게 된다. 필터를 지난 냉매는 팽창밸브로 들어가게 되는데 팽창밸브의 내부 구조상 내부통로가 좁아 압력차가 심하므로 팽창밸브에서 비가역적 요소가 발생한다. 팽창밸브를 지난 냉매는 저압으로 팽창되어 증기상태로 변형되게 되고 증발기로 들어가 주위와의 열교환으로 온도가 낮아지게 되며 냉매는 포화증기 상태가 되어 증발기를 빠져나오게 된다.
증발기를 빠져나온 포화증기 냉매는 다시 압축기에 들어가 같은 사이클을 반복하게 된다.

키워드

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