공기선도

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공기선도

전 정섭 2009. 1. 4. 20:28

2006/01/09 14:28

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※ 공기선도

2.1 습공기

(1) 전공기와 습공기

공기의 성분은 N2, O2, Ar, CO2, H2, Ne, He, Kr, Xe 등과 같은 여러가지의 gas가 혼합되어 있다.

여기서 수증기 이외의 성분은 지구상에서 거의 일정한 량을 유지하나, 수증기는 기후에 따라 심하다.

이와같이 수증기를 함유한 공기를 습공기(Moist Air, Humid Air)라고 하며, 수증기를 함유하지 않은 공기를

함유하지 않은 공기를 건공기 (Drv Air)라고 한다.

ㆍ동일한 체적의 건공기와 수증기를 혼합하면 동일한 체적의 습공기가 되는데 이때, 습공기의 압력과 중량은

다음과 같다.

(2) 포화공기와 노점온도

ㆍ습공기가 냉각될때 어느 온도에서 공기중의 수증기가 물방울로 변화된다. 이때의 온도를 노점온도

(Dew Point Temp)라고 한다.

ㆍ습공기중에 수증기가 점차 증가하여 더이상 수증기를 포함시킬수 없을때의 공기를 포화공기

(Saturated Air)라고 한다.

ㆍ포화공기에 계속해서 수증기를 가하면 그 여분의 수증기는 미세한 물방울(안개)로 존재하는데 이를

Fogged Air라고 한다.

(3) 상대습도 (Relative Humidity,R.H.)

수증기의 분압과 그 온도에 있어서의 포화공기의 수증기 분압비를 말한다.(습한정도를 나타냄.)

Φ = Pv/Ps × 100(%) … … (2.1)

(4) 절대습도 (Absolute Humidity)와 포화도 (Dagree of Saturation)

ㆍ습공기중에 함유되어 있는 수증기의 중량을 나타내는것을 절대습도라고 한다.

→ 건공기 1(kg)중에 포함된 수증기 X(kg)을 절대습도 X(kg/kg')로 표시한다.

습공기의 중량은 (1+X)kg.

ㆍ포화도는 다음과 같다.

Φs = X/Xs × 100(%) … … … (2.2)

Φs : 포화도 (%)

X : 공기의 절대습도 (kg/kg')

Xs : 포화공기의 절대습도 (kg/kg')

(5) 습공기의 엔탈피

1) 건공기의 엔탈피

ha = Cp ㆍt = 0.24 ㆍt (kcal/kg) … … … (2.3)

Cp : 건공기의 정압비열( ≒ 0.24 kcal/kg℃)

t : 건구온도

2)수증기의 엔탈피

t℃인 수증기의 엔탈피는 0℃의 포화액의 증발잠열에 이 증기가 t℃까지 상승 하는데

필요한 열량의 합이다.

따라서 t℃ 수증기 1kg의 엔탈피 hv (kcal/kg)은

hv = r + Cvp ㆍt = 597.5 +0.44ㆍt … … … (2.4)

r :0℃에서 포화수의 증발잠열 (≒ 597.5 kcal/kg)

Cvp : 수증기의 정압비열 (≒ 0.44 kcal/kg˚ ℃)

3) 습공기의 엔탈피

ㆍ습공기의 엔탈피 = 건공기의 엔탈피 + 수증기의 엔탈피

ㆍ절대습도 X(kg/kg') 인 습공기의 엔탈피 hw (kcal/kg)은

hw = ha + Xㆍhv

= Cpㆍt +X(r + Cvpㆍt)

=0.24ㆍt + X (597.5 + 0.44t) … … … (2.5)

예) 24℃ DB, 50% RH 인 습공기의 현열, 잠열, 전열을 구하고 습공기선도상에서 확인하시오.

hw = ha + Xㆍhv

=0.24 × (24-0) + X (597.5 + 0.44 ×24)

≒ 0.24 ×24 + 0.0092(597.5 + 0.44 ×24)

≒ 5.8 + 5.6

≒ 11.4 (kcal/kg)

2.2 습공기선도 (Psychrometric Chart)

습공기의 수증기분압, 절대습도, 상대습도, 건구온도, 습구온도, 비체적, 엔탈피등의 각 상태값을 하나의

선도에 나타낸것을 습공기선도라고 한다.

(1) 온도선의 구성

(2) 습도선의 구성

(3) 비체적과 엔탈피

(4)현열비와 열수분비

(5)습공기의 상태변화

P → A : 냉각

P → B : 냉각 가습

P → C : 가습

P → D : 가열 가습

P → E : 가열

P → F : 가열 가습

P → G : 감습

P → H : 냉각 감습

※ 공기선도

2.3 습공기의 상태변화

(1) 가열

Gㆍh1 + qs = Gㆍh2

∴ qs = G(h2 - h1 ) = 0.24 ㆍG(t2 - t1)

=0.24 × 1.2 × Q × (t2 - t1)

≒ 0.29 ㆍQ (t2 - t1)

⊿h = h2 - h1

= (ha2 + X2 ㆍhv2) - (ha1 + X1ㆍhv1)

={Cp ㆍt2 + X2(r + Cvpㆍt2)} - {Cp ㆍt1 + X1(r + Cvpㆍt1)}

={0.24t2 + X2(597.5 + 0.44t2)} - {0.24t1 + X1(597.5 + 0.44t1)}

=0.24 (t2 - t1) + 597.5 (X2-X1) + 0.44 (X2-X1)ㆍ(t2 - t1)

(그런데 X2 = X1 이므로)

=0.24 (t2 - t1)

(2) 냉각 (현열)

Gㆍh1 - qs = Gㆍh2

∴ qs = G(h1 - h2 ) = 0.24G(t1 - t2)

= 0.24 × 1.2 × Q × (t1 - t2)

≒ 0.29 ㆍQㆍ(t1 - t2)

(3) 가습 (잠열)

Gㆍh1 + qL = Gㆍh2

qL = G(h2 - h1) = 597.5ㆍQ(X2-X1)

≒717ㆍQ(X2-X1)

⊿h = h2 - h1

= (ha2 + X2 ㆍhv2) - (ha1 + X1ㆍhv1)

={Cp ㆍt2 + X2(r + Cvpㆍt2)} - {Cp ㆍt1 + X1(r + Cvpㆍt1)}

={0.24t2 + X2(597.5 + 0.44t2)} - {0.24t1 + X1(597.5 + 0.44t1)}

= 597.5(X2-X1)

(4)가열, 가습

① → ② : 가열	＇가습기에서의 물질평형식
Gㆍh1 + qs = Gㆍh2	GㆍX2 + L = G ㆍX3
∴qs = G(h2 - h1) ≒ 0.29 ㆍQㆍ(t2 - t1)	∴가습량 L = G(X3 -X2) ≒1.2ㆍQ(X3 -X2(kgl/h)
	(단 Q = (m3/h) 임)
② → ③ : 가습
Gㆍh2 + qL = Gㆍh3
∴qL = G(h3 - h2) ≒ 717ㆍQㆍ(X3 - X2)
＇장치전체의 가열량, qr
qr =qs + qL = G(h3 - h1)

(5) 현열비 (SHF : Sensible Heat Factor )

현열비는 전체열량 (qs + qL)에 대한 현열량 qs의 비

SHF = qs / (qs + qL) … … … (1.10)

(만약 잠열, qL = 0 이면 SHF =1 현열,qs = 0 이면 SHF = 0)

(6) 열수분비

습공기의 상태변화량중 수분의 변화량과 엔탈피 변화량의 비

열수분비 , U =엔탈피 변화량 ,⊿h / 수분 변화량, ⊿X

= (h3 - h1) / (X3 - X2) … … … (1.11)

= (qs + LㆍhL) / L =qs / L + hL

단, (4)의 가열 가습선도에서

G(h3 - h1)=qs + LㆍhL

G(X3 - X2) = L

(7) 각종의 가습방법

① 순환수에 의한 가습

물을 가열하거나 냉각하지 않고, pump로 물을 노즐을 통하여 공기중에 분무하는 방법.

이때, 분무되는 물이 수증기 상태로 되기위해서 주위공기로 부터 증발잠열을 흡수하고,

이를 다시 공기에 되돌려주는 단열변화로 간주한다.

즉 습공기선도상에서 h1 ≒ h2 가 되어 등엔탈피 변화과정.

예를 들어, 10℃의 순환수를 분무하면 U =10 인 ① → ② 로 이동

② 온수에 의한 가습

순화수를 가열하여 분무하는 방법으로서, 예를 들어 80℃ 온수로 분무가습한다면

습공기선도상에서 가습방향은 열수분비 U = 80 에 평행하게 ① → ③으로 이동.

U = Cㆍt = 1 ×80 =80 (kcal/kg)

③ 증기가습

증기를 분무하여 가습하는 방법으로 U = h / X = X (597.5 + 0.44ts )/ X

예를 들어 100℃ 포화증기이면, U = 597.5 + 0.44 × 100 = 641.5 (kcal/kg)

(8) 단열혼합

(9) 바이패스 팩터(BㆍF)와 콘택트 팩터(CㆍF)

ㆍ냉각코일이 습코일이며,Coil row수가 무한히

많고, 코일통과풍속이 무한히 느리다면

통과공기는 ⓢ 점 즉. 포화공기 온도 ts 에 도달.

ㆍ하지만, 대부분의 공기는 Coil과 접촉되어

열교환이 된 ts상태 ( ⓢ 점 )로 되지만,

일부의 공기는 Coil과 접촉하지 못하고

①입구공기 상태로 그대로 빠져나간다.

ㆍ공기가 Coil을 통과해도 접촉하지 못하고 지나가는 공기비율을 Bypass Factor라 하고,

이에 비해 접촉한 공기비율울 Contact Factor라 한다.

BㆍF =	Bypass 공기량

	Coil 통과 전공기량

	t2 - ts		h2 - hs		X2 - Xs
=		=		=
	t1 - ts		h1 - hs		X1 - Xs

예) 30℃ DB, 50%RH인 습공기 5,000m³/h를 Coil에 의해 냉각한다.

냉각 Coil의 표면온도가 10℃이며 CF = 90%일때

i) 냉각 Coil에서 제거된 전열량 (kcal/h),qr = ?

ii) 웅축된 수분량 (kg/h), L = ?

(풀이)

ㆍ출구공기온도, t2 = ts + (t1 - ts)ㆍBF

= 10 + (30 - 10) × 0.1

= 12℃

i) 전열량 qr (kcal/h)

qr = 1.2 ㆍQㆍ(h1 - h2 )

= 1.2 × 5,000 × (15.4-7.8) = 45.600(kcal/h)

ii) 응축된 수분량, L (kg/h)

L = 1.2 ㆍQㆍ(X1 - X2 )

= 1.2 × 5,000 × (0.0134 - 0.0082) = 31.2 (kg/h)

(10) 취굴공기상태 결정

① 외기도입이 없을 경우.

ㆍ냉방시 실내공기상태를 ①이라고 할때

실내로 취출되는 공기 ②는 실의 현열비

SHF 선상에 있다.

ㆍⓢ점 은 SHF선과 포화공기선의 교점

으로 장치노점온도 (ADP : Apparatus

Dew Point)이다.

ㆍ취출상태온도 t2는 첫째, 적정실내온도

차에 의한 방법과 둘째, Coil BF에 의해

구할수 있다.

② 외기도입을 할 경우

ㆍ실내공기 ①과 외기 ②를 혼합한 상태가 ③이다.

ㆍ코일입구 공기 ③은 냉각코일에 의해 냉각선을 따라

장치노점온도 ⓢ에 도달한다.

ㆍ총현열비 GSHF선과

실현열비 RSHF선과의

교점으로 취출공기 온도 결정

	실내현열 + 외기현열
* 총현열비 (GSHF :Grand SHF) =
	실내전열 + 외기전열

	실현열
* 실현열비 (RSHF : Room SHF) =
	실전열

	실현열 + 바이패스 현열
* 유효현열비 (ESHF : Effective SHF) =
	실전열 + 바이패스 전열

※ 공기선도

2.4 습공기 선도상의 각종 프로세서

(1) 혼합ㆍ냉각

① 냉각열량 (kcal/h)
qc = 외기부하 + 실내부하
= Go (h2 - h1) + GR (h1 h4)
= G (h3 - h1) + G (h1- h4)
= G (h3 - h4 )
=1.2ㆍQ(h3 - h4 )

② 감습량 (kg/h)
L = G(X3 - X4 ) = 1.2ㆍQ(X3 - X4 )

③ 송풍량
	qs + qL		qs
G (kg/h) =		≒
	h1- h4		0.24 (t1- t4 )

	qs + qL		qs
Q (m³/h) =		≒
	1.2(h1- h4 )		0.29 (t1- t4 )

예) 실내 설계조건 t1 = 26℃ DB, φ1 = 50℃이며 외기조건은 t2 = 32℃ DB, φ2 = 65% 이며,
실내 냉방부하는 현열량이 5,000 kcal/h, 잠열량이 500kcal/h이다.
외기량과 환기량은 1:4로 혼합하고 취출온도는 16℃ DB로 한다.
다음을 구하라.
i) RSHF	iii) 혼합점의 상태	ⅴ) 냉각코일 능력
ii) 취출공기량, Q (m³/h)	ⅳ)감습량 (kg/h)	qc ( kcal/h)

(풀이)

	RSH		5,000
i) RSHF =		=		= 0.91
	RSH + RLH		5,000 + 500

	qs		5,000
ii) Q (m³/h) =		=		≒ 1.724
	0.29 (t1- t4 )		0.29 ㆍ(26-16)

iii) 혼합공기의 상태 ( t3, t3 )
ㆍ외기량, G (kg/h), 외기온도 32℃	혼합공기량, 5G (kg/h)
ㆍ환기량, 4G (kg/h), 환기온도 26℃	혼합온도, t3 (℃)
외기 + 환기 = 환합공기
G × 32 + 4G × 26 = 5G × t3	∴ t3 = 27.2 (℃)
	X3 = 0.0123 (kg/kg')

ⅳ) 감습량, L (kg/h)
L = 1.2 ㆍQㆍ(X3 - X4 )
= 1.2 × 1.724 × (0.0123-0.0100) = 4.8 (kg/h)

Ⅴ) 냉각열량, qc (kcal/h)
qc = 1.2 × 1.724 × (14.0-9.9) = 8540 (kcal/h)