우리는 에어컨이라는 고마운 기계 덕분에 여름 철 무더운 날씨에 쾌적한 환경에서 지낼 수 있습니다. 에어컨은 대표적인 냉동장치의 하나인데 어떻게 우리의 삶에 다가오게 된 것 일까요? 냉동 사이클의 유래와 원리에 대해 알아보겠습니다.

결론부터 이야기하자면 냉동장치는 증기기관으로부터 온 것입니다. 좀 생뚱맞나요? 전혀 다른 장치 같은 데 말이죠. 전혀 다른 장치인 것은 맞지만 냉동장치는 증기기관의 원리에서 시작되었습니다. 바로 증기기관 사이클을 반대로 돌린 것이 냉동사이클인 것 입니다.

증기 내연기관은 피스톤에 공기와 연료를 공급한 후 연료공급 – 압축 – 점화 – 팽창 – 배기 과정을 아주 빠른 시간에 반복함으로써 연료가 가진 열에너지를 기계적에너지로 바꾸어 동력을 얻는 장치입니다. 자동차 엔진으로 많이 사용하고 있습니다.

내연기관 사이클

(1) 압축 ( 1 → 2 )

연료가 실린더 내에 공급되고 압축하는 과정은 단열압축과정입니다. 단열은 이론적으로 열의 출입이 없다는 뜻입니다. 실린더 내부 공간이 줄어들고 압력은 높아지겠지요.

(2) 가열 ( 2 → 3 )

압축이 된 상태에서 점화가 되면 연료에 불이 붙고 공기와 함께 연소가 됩니다. 이 때 온도와 압력이 급격하게 올라갑니다. 이 과정을 이론적으로 시스템에 체적의 변화없이 열이 공급된 상태로써 등적가열과정이라고 합니다.

(3) 팽창 ( 3 → 4 )

피스톤은 급격하게 올라간 압력에 의해 원상태로 복귀하며 이 때 실린더 내부 부피는 커지고 압력은 내려갑니다. 이과정에 열출입은 없으며 단열팽창과정이라고 합니다.

(4) 방열 ( 4 → 1 )

연소가 끝나면 타고 남은 잔류 기체를 밖으로 버리는 데 자동차 배기가스 배출이 이 과정에서 발생합니다. 이 과정에서 열은 밖으로 배출되어 방열이라하고 실린더 내 부피의 변화는 없으며 압력은 조금 내려가고 온도가 많이 내려가는 상태로써 등적방열과정이라고 합니다.

여기서 냉동사이클과 비교하여 알아두어야 할 점은 증기열기관의 사이클은 고온고압에서 열을 얻고 저온저압에서 열을 방출한다는 것입니다.

그러면 이제 냉동 사이클인 역카르노사이클에 대해 알아보겠습니다.

역카르노사이클

(1) 압축 (1 → 4)

자동차가 엔진에 의해 작동된다고 한다면 냉동기는 압축기에 의해 작동한다고 볼 수 있습니다. 사람에게는 심장과 같은 역할로 심장이 전신에 피를 공급하고 순환하는 역할을 하는 것과 같이 냉동기의 압축기도 냉매를 순환하는 역할을 합니다. 압축기는 여러가지 형식이 개발되어 사용되고 있지만 여기서는 기본적으로 피스톤을 이용한 왕복동식 압축기를 예로 들겠습니다. 엔진과 비슷하게 피스톤 형태니까 이해하기 쉬울 것 같습니다. 압축과정은 압축기로 들어오는 냉매가스(기체상태)를 피스톤으로 압축하는 과정입니다. 이 과정은 열의 출입이 없고 부피가 줄고 압력과 온도는 올라가는 단열압축과정입니다.

(2) 방열 ( 4 → 3 )

압축기로부터 고온고압 상태의 냉매 가스는 응축기로 이동하여 외부공기와 열교환을 하면서 방열을 합니다. 방열을 하면서 기체상태의 냉매가스는 액체상태가 됩니다. 이론적으로 이 과정에서 열이 방출되고 부피가 줄어들면서 압력이 약간 상승하는 등온 압축 과정입니다.

(3) 팽창 ( 3 → 2 )

냉매액은 증발기를 향해 이동하는 데 중간에 팽창밸브를 거치면서 압력이 떨어지고 부피가 늘어나면서 온도가 내려갑니다. 이론적으로 상태변화 없이 온도와 압력이 내려가는 과정입니다. 이 과정은 단열팽창입니다.

(4) 증발 ( 2 → 1 )

저온저압의 냉매액은 증발기 안을 이동하면서 증발기를 통과하는 공기와 만나 열교환합니다. 열교환과정에서 냉매액은 공기로 부터 열을 흡수하여 기체상태로 바뀌고 공기는 열을 빼앗겨 온도가 내려가게 됩니다. 바로 이 과정이 냉방효과를 얻는 과정입니다. 이 때 냉매의 부피는 커지고 압력이 약간 올라가며 온도변화가 없으므로 등온팽창과정입니다.

냉동사이클은 증기기관사이클과는 반대로 고온고압에서 열을 방출하고 저온저압에서 열을 흡수합니다. 바로 저온저압부에서 열을 흡수하는 원리를 이용하여 냉방을 하는 것입니다.

이와 같이 기본 냉동사이클에 대해 알아보았습니다.