냉장고의 냉동 원리는 무엇인가요?

우리는 냉매에 의존하고 물질의 3가지 상태 변화의 흡열 또는 발열 반응을 이용하여 '냉동' 효과를 얻는 것이 냉장고의 가장 기본적인 원리입니다...

열, 추위와 온도의 관계

분자과학으로 설명하면 열은 일종의 분자운동 에너지이다. 모든 물질은 수많은 분자로 구성되어 있고, 이 분자들은 모두 빠르고 불규칙하게 움직이기 때문에 이 움직임의 평균 운동에너지도 온도입니다. 분자가 더 빨리 움직이면 열이 증가하고 온도도 상승합니다. 반대로 분자가 천천히 움직이면 열이 감소하고 온도가 감소합니다. 이는 마치 빛이 약해지면 어두워지는 것과 같습니다. 따라서 물체의 온도를 낮추고 싶다면 그 안에 포함된 열의 일부만 제거하면 됩니다.

열은 생명의 생성과 발달에 필요한 조건이지만 생명의 파괴와 파괴를 가속화하기도 한다. 열이 제거되면 차갑습니다. 따라서 일반적으로 추위는 "낮은 온도"를 의미합니다. 추위는 생명의 생성과 발달을 방해하지만 세포의 성장과 증식을 지연시키기 때문에 생명의 파괴와 파괴도 지연시켜 생명 유지에 도움을 주기 때문에 음식은 '차가운 것'과 함께 보관해야 한다.

온도는 물체의 실제 '차가운' 정도나 '뜨거운' 정도를 정확하게 나타내는 데 사용되는 열에너지의 한 종류가 아닙니다. 온도가 높을수록, 즉 물질의 분자가 더 빨리 움직일수록 분자 자체의 운동 에너지가 커지고, 온도가 낮을수록 물질의 분자 운동이 느려집니다. 분자 자체가 더 많은 에너지를 가질수록 더 적은 열이 발생합니다. 따라서 온도는 물질을 구성하는 각 분자가 갖고 있는 에너지의 양과 물질이 느끼는 뜨겁고 차가운 정도를 나타낼 뿐 물질의 열량을 나타내는 것은 아닙니다. 왜냐하면 물질의 열은 에너지의 합이기 때문입니다. 분자의. 예를 들어, 무게가 다른 두 개의 철 블록이 있는데, 하나는 무게가 1kg이고 온도는 60°C이고, 다른 하나는 무게가 20kg이고 온도가 30°C입니다. 전자의 열은 전자의 열보다 더 큽니다.

열

18세기 중반 스코틀랜드 교수 J. Black과 그의 조수 J. Watt가 수행한 실험에서는 열이 "정량적으로" 측정될 수 있을 뿐만 아니라 "강도"도 측정할 수 있습니다.

온도계는 당시의 제품으로 열의 세기를 나타내는 데 사용되었습니다. 지시열의 양에 관해 과학자들은 먼저 측정의 기초로 열의 기본 단위를 확립했습니다. 즉, 그들은 1파운드의 물의 온도를 1°F 높이는 데 필요한 열을 영국 열량이라고 부른다는 데 만장일치로 동의했습니다. 단위 또는 BTU. (미터 열 단위는 킬로칼로리이며, 이는 물 1kg의 온도를 1°C 높이는 데 필요한 열입니다. 변환 관계는 1BTU=252칼로리, 1킬로칼로리=3.9BTU입니다.)

물은 반드시 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러야 하고, 공기의 흐름도 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되는 것은 자연스러운 현상이며, 열 역시 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다(그림 1 참조). 한 물체의 열이 다른 물체로 흐르려면 두 물체 사이에 온도차가 있어야 합니다. B의 온도가 A보다 낮다면 둘이 접촉하거나 혼합할 때 열은 A에서 B로 흘러야 합니다. A는 열을 잃고 온도는 감소하지만 B는 열을 얻어 두 온도가 같아질 때까지 온도가 증가합니다. 동일한. A에서 B까지의 경우 B는 "냉각체"이고, B에서 A까지의 경우 A는 "가열체"입니다.

냉장고는 음식을 직접 식히는 것이 아니라 실제로 음식의 열을 밖으로 내보내는 역할을 하기 때문에 냉동을 이야기할 때 먼저 열에 대해 논의해야 합니다. 열은 일종의 에너지입니다. 에너지는 다른 종류의 에너지로 전달되거나 변형될 수 있지만 아무 이유 없이 사라지거나 생성되지는 않습니다.

열은 온도가 높은(더 뜨거운) 물체에서 더 낮은(더 차가운) 물체로 흘러야 한다는 것이 냉장고에 사용되는 기본 원리입니다.

물질의 세 가지 상태

물질에는 고체, 액체, 기체의 세 가지 형태가 있습니다.

물질의 세 가지 상태는 열을 흡수하거나 열을 방출함으로써 변화하는 경우가 많기 때문에, 우리는 물질의 세 가지 상태 변화에 따른 흡열, 발열 반응을 이용하여 '냉각'이라는 목적을 달성합니다. " 및 "난방". 냉동 응용 분야에서는 "냉동" 효과를 달성하기 위해 액체와 기체 사이의 물리적 변화를 사용합니다. 즉, "냉매"라는 화학 물질이 냉동 시스템에서 응축 및 증발할 때 발생하는 열 흡수에 의존합니다. 이는 냉장고에 사용되는 기본 원리 중 하나이기도 합니다.

현열과 잠열

열 에너지에는 현열과 잠열의 두 가지 유형이 있습니다.

물질의 세 가지 상태 중 열의 증가 또는 감소로 인해 물질의 형태가 변하지 않고 물질의 온도가 오르거나 내리는 경우를 현열 또는 현열이라고 합니다. 즉, 물체가 열을 흡수하거나 방출함으로써 발생하는 열입니다. 예를 들어 0°C의 물이 100°C로 변화하는 것을 온도계로 측정하고 느낄 수 있는 열입니다.

물질의 세 가지 상태에서 열의 증가 또는 감소가 물질의 형태만 변화시키고 온도의 상승 또는 하강 반응을 일으키지 않는 경우 물질이 추가하거나 흡수하는 열을 물질이라고 합니다. 잠열 또는 숨겨진 열. 예를 들어, 0°C의 얼음은 0°C의 물로 변하고, 100°C의 물은 100°C의 수증기로 변합니다. 온도는 변하지 않지만 물리적 상태는 완전히 변합니다. 필요한 열을 잠열이라고 합니다. 열.

여러 가지 물체가 녹는 현상도 마찬가지다. 즉 고체일 때 열을 흡수해 물체의 녹는점에 도달할 때까지 스스로 온도를 높이는 현상이다. 물체마다 녹는점이 다릅니다. 녹는점에 도달하면 물체는 많은 열을 흡수하기 시작하지만 온도는 멈춥니다. 단지 형태가 변하기 시작하여 고체에서 액체로 녹고, 마찬가지로 액체가 기체로 증발하는데 같은 과정이 일어납니다.

잠열의 적용

각 물질에는 두 가지 유형의 잠열이 있습니다. 첫 번째는 고체가 액체로 녹을 때 흡수되는 열입니다. 이 열을 '융해열'이라고 합니다. ", 예를 들어 얼음을 물에 녹이려면 열 흡수가 필요합니다(그림 2a 참조). 두 번째 유형은 액체가 기체 상태로 증발하는 데 흡수되는 열입니다. 이 열을 물이 끓는 것과 같이 "증발 잠열"이라고 합니다. 수증기로 증발합니다(그림 2b 참조). 반대로, 액체가 고체 상태로 응축될 때 방출되는 열을 "응축 잠열"이라고 하고, 가스가 액체 상태로 응축할 때 방출되는 열을 "응축 잠열"이라고 합니다. 예를 들어 물의 융해열은 80칼로리/g, 증발잠열은 539칼로리/g이다.

냉동공학의 응용에서는 잠열의 활용이 가장 중요하다. 일반적으로 '현열'보다 '잠열'이 훨씬 크다. 증발 잠열은 융해 잠열보다 더 많은 열을 흡수합니다. 냉동 기계는 냉매의 증발 잠열과 응축 열을 사용하여 우리가 요구하는 저온을 달성합니다. 현대의 냉장고도 이 현상을 이용하여 열을 흡수하고 냉각하는 목적을 달성합니다.

열과 온도의 관계

물질의 형태가 변하는 온도는 압력에 따라 달라집니다. 압력이 높을수록 형태가 변할 때 온도가 높아지고, 반대로 압력이 낮을수록 형태가 변할 때의 온도가 낮아지므로 형태가 변할 때의 온도는 압력에 비례하여 변합니다. 예를 들어, 1기압에서 물의 증발 온도(끓는점)는 100°C입니다. 압력을 높이면 물은 100°C 이상에서 끓게 됩니다. 1기압에 대한 증발온도는 100°C이어야 합니다.

물질을 낮은 압력에 놓으면 압력으로 인해 증발하여 낮은 온도의 기체로 열을 흡수한 다음 증발된 기체를 압축하여 압력을 높이면 증발할 수 있습니다. 응축은 열을 액체로 방출한 다음 낮은 압력과 낮은 온도에서 증발합니다. 이 사이클에서 저온의 열대는 고온으로 이동하고 저온의 열대는 저온으로 이동합니다. 더 높은 온도의 옥외를 사용하여 방을 "냉각"하는 목적을 달성합니다. 따라서 재활용 재료의 증발 잠열이 클수록 냉동 효과가 더욱 커지고 냉동 속도가 빨라집니다. 따라서 냉동 프로젝트에서는 증발열이 더 큰 재료를 재활용 냉매로 사용합니다.

네덜란드 과학자 Van Marum과 Van Troostwyk는 가스가 액체로 압축될 때 원래 액체가 흡수한 증발 잠열도 방출된다는 사실을 발견했습니다.

그들은 모든 물체가 끓는 온도와 동일한 온도에서 응축된다는 것을 발견했습니다. 이는 구분선처럼 전혀 허용되지 않는 매우 뚜렷한 온도였습니다. 경계의 한쪽 면은 액체이고 이 온도 구분선을 넘으면 기체가 됩니다. 더운 것에서 차가운 것, 찬 것에서 더운 것까지 구분선이 이 두 형태를 명확하게 구분합니다.

가장 중요한 것은 '압력'이 이 온도 구분선을 움직일 수 있다는 점이다. 예를 들어, 물은 100°C에서 끓어 증기가 되고, 이 온도에서 증기는 물로 응축됩니다. 100°C 이상에서는 기체 상태이고, 100°C 미만에서는 액체 상태입니다. 두 주 사이의 선.

그러나 증기에 압력을 가하면 100°C에서 응축되지 않고 100°C 이상의 온도에서 응축됩니다. 적용되는 압력의 양을 변경하면 증기가 응축되는 온도가 변경될 수 있습니다.

암모니아 냉매는 -33°C에서 끓고 증발하는데, 증기 온도는 이 온도보다 약간 높을 뿐이므로 저온 증기는 여전히 실내 공기로부터 열을 흡수합니다. 암모니아 증기가 실내 공기를 흡수할 수 있도록 열을 방출하려면 증기 온도를 실내 공기 온도보다 높여야 합니다. 즉, 증기의 응축 ​​온도를 공기 온도보다 높여야 합니다.

이 문제는 압력으로만 해결할 수 있습니다. 압력으로 인해 증기가 압축될 수 있으므로 온도가 높아집니다. 온도는 단지 열강도의 척도일 뿐이므로, 열의 집중은 온도의 증가를 나타내며, 추가적인 열의 추가 없이도 온도가 증가할 수 있습니다. 열은 외부로 전달되어 액화될 수 있습니다.

이렇게 많은 관련 지식을 기술하는 것은 사람들이 냉장고의 냉동 과정을 더 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 것에 지나지 않습니다. 위에서 언급한 다양한 현상은 모두 냉동 응용 분야에 없어서는 안 될 주요 요구 사항이기 때문입니다.

냉장고 시스템

그림 3은 냉매가 어떻게 열을 흡수하고 방출하여 냉각 효과를 얻는지를 보여주는 가장 간단한 냉동 사이클 과정입니다. 우리 집에 있는 냉장고를 자세히 살펴보면, 사진에 보이는 시스템과 다르지 않다는 것을 알 수 있습니다.

사진 4는 현대식 냉장고입니다. 냉장고에 있는 물건을 모두 치웠다고 가정하면, 사진에는 배관 연결부도 그려져 있는 것을 제외하고는 이런 모습이 됩니다. 구성요소:

1. 증발기(그림 4a 참조)는 여러 개의 홈이 함께 용접된 두 개의 금속판으로 구성됩니다. 냉매는 이 튜브에서 증발하고 상자의 열을 흡수하여 가스가 된 다음 냉장고 밖으로 배출됩니다.

2. 압축기

냉매 증기가 냉장고에서 배출될 때 그 안에 포함된 열을 제거하고 재사용하려면 원래의 액체 상태로 복원해야 합니다.

액체 냉매는 영하의 매우 낮은 온도에서도 끓을 수 있는 반면, 냉매 증기의 온도는 액체의 온도보다 약간 높을 뿐이고 영하에서는 여전히 매우 낮으므로 일반 실내 온도에서는 끓을 수 없습니다(예: 15~37℃) 식혀주세요. 열은 높은 온도에서 낮은 온도로만 흐를 수 있기 때문에 낮은 온도에서 높은 온도로는 절대 흐를 수 없습니다.

따라서 증기를 압축하는 압축기가 필요하므로 부피가 작아지고 온도가 상승하여 실내 공기 온도를 초과하게 된 후 열을 배출할 수 있습니다. 또 다른 기능은 증발기는 낮은 압력을 생성하고 응축기는 높은 압력을 생성하는 것입니다. 압력이 다를 때만 냉매가 흐를 수 있습니다.

3. 응축기

응축기(그림 4b 참조)는 압축기에서 고압 및 고온의 기체 냉매가 이곳으로 보내질 때 열을 효과적으로 방출할 수 있습니다. 냉매가 응축되어 액체로 회수됩니다.

4. 건조필터

냉매 속의 수분과 불순물을 걸러주는 역할을 합니다.

냉동 시스템에는 일반적으로 극소량의 수분이 남아있습니다. 장기간 사용 시 냉동 시스템 내 윤활유의 분해로 인해 수분이 발생하게 됩니다. 모세관 내부의 습기가 얼어 냉매 순환을 방해하거나 증발기에서 응축되어 냉동 시스템의 효율성을 저하시키는 것을 방지하는 데 필요합니다. 더욱이, 물과 냉매는 반응하여 산을 형성하며, 이는 금속을 부식시키고 냉동 사이클 고장을 유발합니다.

이 구조는 입구에 컵 모양의 커튼망을 설치해 냉매 불순물을 걸러내고, 건조제(일반적으로 실리카, 황산칼슘, 산화칼슘 등으로 구성)를 밀봉해 실내의 수분을 흡수하는 구조다. 시스템.

위에서 언급한 부품 외에도 실제로 큰 작업량을 수행하지는 않지만 시스템 전체의 냉매 흐름을 제어하는 ​​부품이 또 있다.

압축기가 응축기의 압력을 높이려면 배출 끝단에 어느 정도 저항이 있어야 하며 동시에 증발기도 낮은 압력을 유지하여 끓는 소리가 잘 나도록 해야 합니다. 액체 냉매의 증발. 증발기의 압축기 흡입측 압력은 낮아야 하고, 응축기의 토출측 압력은 높아야 합니다. 응축기 출구와 증발기 입구 사이에 파이프가 연결되어 있습니다. 이 파이프는 막히지 않을 수 있습니다. 그렇지 않으면 고압과 저압이 즉시 균형을 이루고 압축기가 고압과 저압 차이를 설정할 수 없습니다. 그러나 완전히 차단할 수는 없습니다. 그렇지 않으면 냉매가 순환할 수 없습니다.

따라서 이 파이프는 고압과 저압을 분리하고 필요한 양의 순환 냉매가 모세관을 통과할 수 있도록 저항을 가져야 합니다.

5. 모세관

모세관의 직경(그림 4c 참조)은 매우 작아서 필요한 저항을 생성할 수 있어 압축기가 응축에 필요한 압력을 설정할 수 있습니다. 반면, 액체 냉매의 속도가 느려지므로 압력 강하가 발생하여 증발기에서 냉매가 증발하기 쉬워집니다.

6. 온도 조절

냉장고의 온도가 충분히 낮아지면 압축기를 정지시켜야 합니다. 온도 조절기는 주변 온도를 감지할 수 있는 온도 스위치입니다. 냉장고에 필요한 온도 범위를 유지하기 위해 압축기를 시동 및 정지하기 위해 회로 접점을 연결하거나 엽니다. 이 제어 장치는 가정용 냉장고에 사용됩니다.

온도 조절 장치의 구조는 그림 5와 같습니다. 에어 박스, 모세관 및 온도 감지 실린더로 연결된 폐쇄형 파이프라인에는 냉매가 채워져 있습니다. 온도 감지 실린더는 증발기 위에 위치합니다(그림 8 참조). 증발기의 온도가 상승하면 온도 감지 실린더가 열을 흡수하여 가스 냉매를 팽창시킵니다. 따라서 에어 박스가 팽창하고 "액션 로드"를 밀어서 은 접점이 접촉(닫힘)됩니다. 반대로 증발기의 온도가 일정 수준 이하로 떨어지면 가스 냉매가 수축하고 에어박스가 수축하면서 은접점이 터지게 됩니다. 은색 접점을 압축기 모터의 전원 코드에 직렬로 연결하면 압축기가 적시에 자동으로 작동 및 정지하여 동결 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다. 그림 6은 냉장고 회로의 온도 조절 장치 위치를 보여줍니다.

7. 냉매

냉매는 형태가 변할 때 열을 흡수하고 방출하는 역할을 하기 때문에 성능이 좋은 냉매를 선택해야 제대로 작동한다. 냉매에 대한 요구 사항은 식품을 냉각하고 보존하는 데 사용되기 전에 낮은 온도 또는 물의 어는점 근처에서 끓을 수 있어야 합니다. 또한 무독성, 비폭발성이어야 하며, 압축기 윤활을 위해 냉동유와 혼합될 수 있어야 합니다.

프레온 냉매는 사염화탄소(CCI4)의 분자를 재배열하여 얻어지는 물질로, 사염화탄소는 소화제 및 세척제로 사용할 수 있으며 일반적인 화학액체입니다. 4개의 염소 원자(CI4) 중 2개를 제거하고 2개의 불소 원자(F2)를 추가하여 일반적으로 사용되는 클로로플루오로카본 12(R-12 또는 F-12)인 분자식 CCI2F2(디플루오로디클로로메탄)를 갖는 새로운 화학 물질을 형성합니다.

분자 내 탄소, 염소, 불소의 세 가지 원자를 서로 다르게 조합한 후, 각각 다른 끓는점을 가지며 다양한 경우에 적합한 많은 인공 염화불화탄소 냉매가 발명되었습니다(표 1 참조).

현재 염화불화탄소는 가장 적합한 냉매로 널리 사용되고 있으며 크고 작은 냉동 시스템에 사용할 수 있습니다.

냉장고 시스템 사이클 과정

지금까지 냉장고의 주요 구성요소에 대해 설명했습니다. 이제 모든 구성요소를 결합하여 냉장고 냉동의 작동 과정을 살펴보겠습니다. (그림 7 참조)

저압 및 저온의 액체 냉매가 증발기를 통과할 때 그 온도가 상자 내부 온도보다 낮기 때문에 이러한 온도차의 존재로 인해 열이 발생하게 됩니다. 상자 안의 식품은 냉매에 의해 흡수되며, 냉매는 열을 흡수한 후 기체상태(증발잠열)로 증발한 후 압축기로 되돌아가 고압, 고열로 압축됩니다. -온도가 높은 냉매를 응축기로 보내게 되는데, 이 때 냉매의 온도는 박스 외부 공기의 온도보다 높습니다. 그리고 이 온도차로 인해 냉매는 상자에 흡수된 열을 방출하고 그 열은 공기에 흡수됩니다. 냉매는 열을 방출한 후 액체상태로 응축(응축잠열)된 후 모세관의 저항으로 인해 냉매의 압력이 감소하게 됩니다. 온도가 상승하면 일부 냉매가 기체 상태로 증발하게 됩니다. (액체 냉매 전체에서 소량만 증발하는데, 이 현상은 플래싱이라고 함) 모세관을 빠져나와 증발기로 들어가는 액체 냉매는 계속해서 순환하고, 증발하고, 열을 흡수하여 냉동의 목적을 달성합니다.

냉장과 냉동의 결합

가정용 냉장고는 저온 냉동실과 어는점 약간 위의 냉장실을 결합한 형태로 상단실에는 생선을 보관하고 하단실에는 생선을 보관한다. 신선한 식품을 보관하는 공간으로 과일, 야채, 음료 등을 보관하며, 두 번째 공간에는 압축기와 응축기 세트를 사용합니다.

작동 원리는 그림 8과 같다. 냉매는 먼저 냉동실로 보내지며, 실내 온도는 약 -25°C이다.

냉동실에서 증발하지 않고 끓어오르지 않은 액상 냉매는 냉각판의 튜브로 보내져 계속해서 증발하고 열을 흡수하게 되는데, 이는 신선한 과일과 채소를 냉장 보관하기에 적합한 온도를 유지하기에 충분합니다. 보관실, 약 5°C.

간단히 말하면 액체 냉매는 먼저 냉동실 코일에 도달한 다음 냉장실 냉각판을 통과하고 최종적으로 다시 압축기로 흡입됩니다.