공조냉동기술자가 보일샤를 법칙을 알아야 하는 이유

공조냉동기계설비에서 많이 다루는 물질은 공기, 물, 냉매가스가 거의 주를 이룹니다. 이 물질들은 공조냉동기계설비 시스템 안에서 다양한 상태로 존재하거나 이동합니다. 그래서, 이 유체들의 물질특성을 잘 알아야 설계를 잘 할 수 있고 시스템 내에서 어떤 상태로 존재하는 지도 예측할 수 있습니다. 겉에서 봤을 때는 시스템 내부가 보이지 않기 때문에 직관적으로 유체의 상태를 알기 힘듭니다. 그래서, 이론에 근거하여 유체의 상태를 예측함으로써 시스템을 설계하는 데 도움이 되고 문제 발생 시에도 해결하는데 도움이 됩니다. 이러한 이론 중 가장 기본이 되는 보일샤를 법칙에 대해 알아보겠습니다.

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공조장비 유체의 압력

우리가 생활하는 공간의 압력은 대기압으로 1atm (1bar)에 해당 합니다. 대기압은 말그대로 대기의 압력으로 대기가 중력에 의해 지구 중심으로 작용하는 힘이 지표면에 가하는 압력을 의미합니다. 밖이 대기압인데 비해 공조계통 내의 유체는 대기압과 압력 차가 많이 납니다. 송풍기, 펌프, 압축기 등이 공조기기 내부에서 유체를 강제로 순환시키므로 유체의 이송 계통에 압력이 형성되기 때문입니다. 주로 흡입 측은 마이너스 (-) 압력 부압이 발생하고, 토출 측은 플러스 (+) 압력 양압이 형성됩니다. 이 압력에 의해 덕트나 배관을 통해 유체가 이동을 할 수 있습니다. 이송과정에서 다양한 기기를 통과하므로 압력손실이 발생하고, 따라서 덕트나 배관과 같은 이송경로 내에는 위치에 따라 유체의 압력이 다양하게 형성됩니다.

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유체의 온도, 압력, 부피 관계

이때 보일 샤를 법칙으로 덕트나 배관의 압력 변화에 따른 유체의 상태 변화를 예측할 수 있습니다. 냉매가스는 냉동사이클 내에서 상태변화를 반복하도록 개발된 물질이기 때문에 온도, 압력, 부피의 변화에 민감합니다. 배관이나 압력용기 내에서 온도가 올라가면 냉매가스 입자의 운동이 활발해 지면서 부피가 팽창하게 되고 압력이 올라가고 온도가 내려가면 냉매가스 입자가 서로 가까워져 부피가 수축되면서 압력이 내려갑니다. 이러한 현상이 정확히 보일샤를 법칙에 의한 상태변화를 설명합니다.

(P1 x V1) / T1 = (P2 x V2) / T2​​

(P: 압력 V: 부피 T: 온도)

(1) T1 = T2 일 때

P1×V1 = P2 ×V2​

배관 내의 두 지점 1, 2의 온도가 같은 경우 지점1과 지점2의 압력과 부피의 곱이 같으므로 P2 > P1 이면 같은 비율로 반비례해서 V2 < V1 이 된다. P2 압력이 올라가면 V2 부피는 작아집니다. 압력이 올라가면 부피가 줄어들고 압력이 내려가면 부피가 늘어납니다.

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(2) P1 = P2 일 때

V1 / T1​ = V2 / T2​​

T1이 T2로 변경된 만큼 비례해서 같은 비율로 V1은 V2가 된다. 즉 온도가 올라가면 부피가 증가하고 온도가 내려가면 부피가 줄어듭니다.

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(3) V1 = V2 일 때

P1 / T1​ = P2 / T2​​

T1이 T2로 변경된 만큼 비례해서 같은 비율로 P1은 P2가 됩니다. 즉 온도가 올라가면 압력이 증가하고 온도가 내려가면 압력이 줄어듭니다.

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냉동사이클을 통한 보일샤를법칙 이해

예를 들면, 압축기가 가동되지 않는 상태의 냉동사이클에서 냉동배관 내에 냉매의 압력은 평압을 유지합니다. 이렇게 평압을 유지하고 있을 때에 여름철 온도가 높을 때는 평압(0.6Mp ~ 0.9MPa) 압력이 높게 유지되고 겨울철에 온도가 낮을 때는 평압(0.2MPa ~ 0.5MPa)이 낮게 유지되는 데 냉매의 양이 변화가 없는 상태에서도 외부온도에 따라 압력이 다르게 나타납니다.

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팽창밸브(교축작용)를 지나는 경우 냉매가 밸브의 좁은 공간을 통과하면서 냉매의 압력이 통과 전보다 통과 후 압력이 낮아지고 온도도 낮아집니다.

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이와 같이 보일샤를법칙은 간단한 이론이지만 잘 이해하고 있으면 공조냉동설비를 분석하는 데 큰 도움이 됩니다.

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