교축 Throttling


유체의 유동 중 팽창밸브나 오리피스, 모세관 등에 의해 유동의 단면이 줄어들 때 

유체는 단열상태에서 외부와 열량이나 일량의 교환없이 압력강하만 일어나는 현상


[각주:1]

유체가 유동 중에 교축되면, 

유체의 마찰와류의 증가로 압력손실이 발생하여 압력이 감소한다. 


그렇다면,

기상 상태의 냉매가 팽창변을 통과하면 온도가 낮아지는 이유는 무엇일까?

바로 증발잠열 때문이다.  


냉매가 액상일 경우, 교축되어 압력이 내려가 액체의 포화압력보다 낮아지면 액체의 일부가 증발하며 

증발에 필요한 열은 냉매 자신으로부터 흡수하므로 액체의 온도가 감소하게 된다.


교축과정에서 온도와 압력이 저하되지만, 

교축 전후에서 엔탈피(h = u + Pv)는 일정하게 유지된다.


유체가 유동 중에 교축되면 액체의 마찰이 더욱 커지고 와류와 난류현상이 일어나며 압력의 감소와 더불어 

유체의 속도감소하는 데 이 때 감소되는 속도에너지열에너지로 바뀌어 다시 유체로 회수되므로 

엔탈피는 원상태로 복귀되어 교축 전후의 엔탈피가 같아지는 등엔탈피과정이 된다.


이러한 기체가 단열 팽창하면 온도와 압력이 저하되는 

교축의 특성을 이용한 팽창밸브가 냉동장치에 사용된다. 


[각주:2]


그렇다면,

팽창밸브를 통해 압력강하를 얼마나 시키는 것이 좋은가?


포화증기에서는 일반적인 교축 작용을 받으면 건도(quality)가 증가한다. 습증기의 건도는 교축에 의한 압력강하가 클수록 증가하며, 압력강하가 작을수록 건도는 작아진다. 


증발기로 유입되는 냉매는 건도가 작을수록 좋다. 왜냐하면 증발기에서 얻을 수 있는 증발잠열은 동일하지만 압축기 소비동력이 적게 들기 때문이다. 


하지만 건도를 낮게 유기하기 위해 압력강하를 적게 하여 증발온도가 높게 형성이 되면,

냉동장치에서 요구하는 온도를 얻을 수 없다. 

따라서 냉매액의 건도를 감소시킬 목적으로 응축기에서 과냉각을 시키거나 액분리기를 이용한다.



줄-톰슨 Joule-Thomson 계수

교축 과정 중(등엔탈피) 단위 압력 변화에 대한 온도변화를 나타내는 척도임

단열상태에서의 교축 과정시 다음과 같이 정의되는 계수로 유체의 상태량임



최대역전온도(Maximum inversion temperature) 이상의 교축 과정에서는 냉동효과를 얻을 수 없다.

다시 말해 점선으로 표시한 Inversion line 좌측에 반달 모양에서만 냉각효과를 얻을 수 있다. 


[각주:3][각주:4]


[각주:5]

대기압 상에서 각 기체들의 톰슨-줄 계수



2014. 05. 25 작성

2014. 08. 28 톰슨-줄 계수 수정

2015. 01. 26 온도 상승 이유 추가




  1. http://goo.gl/S1Uv6s [본문으로]
  2. http://goo.gl/S1Uv6s [본문으로]
  3. http://goo.gl/o19s8n [본문으로]
  4. http://goo.gl/o19s8n [본문으로]
  5. http://goo.gl/urXOws [본문으로]
  1. Proovy 2019.03.15 11:20

    행복지구님! 냉매 상태 말고 다른 예의 교축과정에서는 온도가 상승할 수도 있나요?
    (예를 들어 분무기일 때)
    냉매 상태일 때 온도가 하강하는건 이해가 가는데..
    교축과정 온도 변화가 있다는건 알겠는데 상승 또는 하강인지? 항상 하강인지 궁금해서 댓글 남깁니다.

    댓글 읽어주셔서 감사합니다!

    • Proovy 2019.03.15 11:23

      μ 가 0보다 작은 값일 때 압력 강하, 온도 상승인데 포스팅 그래프 상에서 He일 때 그런가요?
      기체에 따라 다르다는건가요?

    • 행복지구 2019.05.27 10:36 신고

      기체 종류, 조건에 따라 교축과정에서 온도가 상승할 수 있습니다. 말씀하신 것처럼 He는 대부분의 온도대역에서 교축과정 중 온도가 상승하게 됩니다. 따라서 헬륨을 액화시키기 위해서는 교축이 아닌 다른 방법을 사용한다고 알고있습니다.

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