냉동공학에서 사이클에 대한 개론

본 포스팅에서는 에어컨에서 사이클에 대한 최대한 간단한 설명을 하고자한다.
설명난이도는 전공자한테는 쉬운 수준이며 비전공자들한테는 평이할 수 있는 ..? 수준으로 리마인드겸 짧게 진행하겠다. 조금 더 디테일한건 이후에.

일단 냉열(냉열이라는 표현이 맞진 않겠지만 cooling energy라는 의미에서 냉열)을 얻기 위해서는 heat pump라는 개념을 알아야한다. heat pump란 열을 퍼내는 장치를 의미한다. 쉽게 말해서 여름철 집에있는 28도의 뜨거운 열을 32도의 외부로 실어 나르는 상황을 생각해보자. 물을 높은곳(롯데월드 타워 꼭대기)에서 낮은곳(1층)으로 쏟아버린다고 하면 굉장히 쉽겠지만 그 반대의 상황은 굉장히 힘들 수 있다. heat pump도 마찬가지이다. 문을 열어두면 32도의 외부에서 28도의 내부로 열이 유입되는것이 당연할 것 이며(열역학 0법칙 : 관찰하고자 하는 계(system)에서 에너지와 물질교환은 평형을 이룬다, 쉽게 얘기해서 에너지와 물질 그 밀도가 높은곳에서 낮은곳으로 흐른다) 이를 거스르는 상황(28도에서 32도로 에너지가 흐르는)에서는 거저 이뤄지지 않을 것 이다. 그래서 우리가 필요로 하는 것이 바로 heat pump이다.

heat pump내에 들어가는 냉매의 주기적인 순환을 통하여 열을 나르는데, 때로는 ① 압축되고 팽창하며 그 물리량이 변하고, ② 증발하거나 응축하는등의 상변화가 일어나기도 하는데 그 이유는 아주 간단하다. 상변화나 압축, 팽창없이 단순히 온도가 오르고 내려가는 냉매로서 에너지를 수송하는 열기관이 있다고 가정할 경우 그 열기관의 효율은 급감하게 된다. 물의 비열(물을 1g을 상온에서 1도올리는데 필요한 에너지는) 1kcal지만, 같은 량의 물 1g을 기체로 변화시켰을 때 그 변화된 에너지의 양은(증발잠열) 430kcal에 달하기 때문이다. 따라서 냉매가 증발하고 응축하는 과정에서 더 많은 열을 수송할 수 있게 되며 냉동기 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있다. 따라서 우리가 냉매가 유동적으로 증발하거나 응축하는 상변화가 일어나는 열기관을 써야하는 이유는 이제 확실해졌지만 두번째 문제는 어떻게 냉매를 증발시키고 응축시킬 것 이냐 하는 문제가 남아있다. 그 해답은 '압력'을 조절하는 것 이다. 아래의 물의 삼중점 그래프를 보게되면 물은 '온도' 뿐만이 아니라 '압력'에 의해서도 상이 변하는 것을 알 수 있다. 우리는 여태껏 표준대기압에서 생활하며 온도에 의하여 물이 끓고 어는 형태만을 보아왔기에 이는 생소할 수 있지만 압력에 의해서도 얼마든 상변화가 일어난다 (대표적으로 얼음을 밟을때 미끄러운건 얼음이 미끄러운것이 아니라 밟으면서 압력이 얼음에 가해져 물이되기 때문이다)

따라서 앞서 설명한것과 같이 heat pump는 압력을 올리고 압력을 내리며 상변화를 일으켜 증발시키거나 응축시키는 4가지 과정으로 이루어진다. 따라서 heat pump는 앞서 설명한 4가지 일을 행하는 컴포넌트로 크게 이루어져 있으며 이에 대해 설명한다. 

들어가기 이전에 정말 중요한 엔탈피(h)에 대해서 짚고 넘어가자면.. 비전공자들은 여기서 머리를 싸맬필요는 없다. 간단하게 절대적인 에너지(E)와는 다르게 엔탈피는 부피의 변화등 여러가지 요소를 조금 더 고려한 상위개념의 에너지(h)라고 생각하자.

엔탈피의 도입필요성은 다음과 같다. 압력이 유지되는 상태에서 여러가지 화학반응을 시켜보니 거의 대부분이 압력을 일정하게 했을때 부피가 변하는 상황이 생겼고 그런 경우에 실제 반응에서 필요한 열(내부에너지 변화)보다 그 부피 변화로 인해 계가 일을 할 수밖에 없는 상황이 되어 그로인한 추가 열출입이 필연적으로 수반되는데 항상 그 둘을 따로 고려하기가 번거로우니 그 둘을 합친 함수 엔탈피라는 것을 만들어 그 둘의 출입을 함께 생각하도록 하기 위해 만든 개념이다. 즉, 짧게 정리하자면 정압상태에서 줄[J]과 칼로리[Kcal]로 대표되는 절대적인 에너지의 량 E는 중요한것이 아니라 다양한 이유로 쉴새없이 변화되는 부피까지 고려한 새로운개념인 엔탈피가 중요한 것 이다. 계 (system) 자체의 부피가 변하면 일(W)을 할수밖에 없기 때문에..

1. 증발기 (저압 액체 냉매 → 저압 기체 냉매)

증발기는 앞서 설명한 압력증가 / 압력감소 / 상변화-증발 / 상변화-응축의 4가지 일중 이름에서 알 수 있는 상변화-증발을 담당하는 컴포넌트가 증발기이다. 말 그대로 증발을 수행하여 열을 빼앗고 냉수를 얻을 수 있는 구간이다. heat pump가 냉방목적으로 사용된다면 그 목적을 달성할 수 있는 단계가 바로 증발단계이다.(반면 히터 목적으로 사용된다면 증발구간이 냉매를 재생하는 구간이다) 증발의 목적을 달성하기 위하여 냉매는 상대적으로 증발하기 쉬운 저압의 액체 냉매 상태에서 과정을 수행하게 된다. 예를들어서 15도의물은 1633pa에서 끓게되며 증발온도를 15도로 설정하기 위해서는 해당 압력 조건이 필요로한다. (쉽게 설명하면 압력이 낮아지면 비등점이 낮아진다) 등압조건에서 증발기의 냉매는 상이 변하고 엔탈피가 증가하게 된다. 냉매와 열교환하는 액체는 반대로 엔탈피가 크게 감소하여 냉방기로 사용할 경우에는 목적을 달성하고, 이렇게 사용이 완료된 냉매는 후술할 3가지 과정을 거쳐 다시 재생(regeneration)과정을 겪게 된다. 이렇게 냉매의 희생(?)으로 차가워진 열교환기에 fan을 통해 공기가 통과하여(공냉식) 차가운 공기 또는 pump를 통해 물이 통과하여(수냉식) 차가운 물을 얻을 수 있다.

사족을 달면 여기서 열교환기의 물성을 알게되면 냉매와 열교환되어 얻어진 chilled water(또는 air)의 outlet temperature를 얻을 수 있게되는데 이러한 열교환기의 특성을 NTU라고 한다. NTU의 변수는 세가지로서 열교환기의 전열면적, 열교환기 비열, 교환대상액체의 속도나 레이놀즈 수에 근거한 대류계수(convection coefficient)이다. LMTD(log mean temperature difference) 방법으로 어렵지 않게 air 또는 water의 출구온도를 구할 수 있으므로 수치해석을 통한 냉방기 해석에 사용된다.

2. 압축기 (저압 기체 냉매 → 고압 기체 냉매)

 

증발기를 거친 냉매는 엔탈피가 높고, 상이 변한상태이기 때문에(liquid->gas) 재생시키는 과정이 필요하다. 다시 액상상태로 응축시키는 과정이 필요한데 응축 과정 또한 정압과정을 동반해야하기 때문에 해당하는 압력을 맞춰주어야한다. 예를들어서 응축온도가 30도 라고 가정했을 때 냉매는 4200pa즈음에서 응축하게 되므로 냉매를 고압으로 만들어 줄 필요가 있다.(상변화 그래프에서도 확인 할 수 있듯, 고압에서는 액체로 저압에서는 기체로 변한다.) 이러한 압력의 상승 과정에서 기계식 압축기가 필요하며 압축기에서 냉방기의 대부분의 전력을 소모시킨다고 봐도 과언이 아닐 듯 하다. 기계식으로 공기를 압축시키므로 또한 소음이 발생하며 잘 망가지기도 하는 파츠이기도 하다. (후술하겠지만 압축기에서 냉매의 압력을 높히는 과정은 매우 비용 소모적이고 어렵지만 냉매의 압력을 낮추는 과정은 매우 단순하다) 이를 극복하기 위해 흡착식 냉동기등 여러 대안이 고안되지만 가정용/산업용으로는 아직 가장 성능계수가 높은(따라서 냉동기의 부피가 작은) 기계식 압축기가 선호된다. 원심압축기, 스크류식 압축기등 상황에 따라 다양한 압축기를 사용할 수 있다.

3. 응축기 (고압 기체 냉매 → 고압 액체 냉매)

 

앞서 고압으로 압축된 냉매는 이제 상변화를 진행할 준비를 마쳤다. 상대적 고압의 응축기를 지나면서 냉매는 엔탈피가 낮아지며(열을 잃으며) 응축된다. 이는 에어컨 실외기에서 뜨거운 바람이 나오는 이유이다. 상대적으로 열교환되는 air의 경우에는 열을 얻으며 엔탈피(온도)가 상승하게 된다. 이러한 열교환 과정에 방해를 받을 경우 열교환에 악영향을 미리는 '단락' 상태가 되고 결국에 효율의 악화를 초래하게 된다.

 

4. 팽창밸브 (고압 액체 냉매 → 저압 액체 냉매)

 

팽창밸브는 압축기와는 반대의 작용한다. 쓰로틀작용(교축작용)이라고 하며 관내부를 유동하는 유체가 급격하게 좁아지는 단면을 만나므로서 Joule-Tomepson effect 작용을 통해 온도와 압력이 낮아지게 되는데 중요한건 등 엔탈피 과정이라는 것 이다. 열역학 1법칙에 의해 개방계에서 에너지 방정식은 아래와 같기 때문인데,

 

Q(열출입) = W(유동일) + 엔탈피 변화 + 운동에너지 +위치에너지

 

단열과정이며(열 출입 없다고 가정), 유동일 또한 없으며 운동에너지 및 위치에너지도 모두 0 이라고 가정했기 때문에 결국에는 엔탈피의 변화 = 0 라는 결론이 도출된다.

 

결론적으로 압력이 급격하게 낮아지면서 비등점(끓는점)이 낮아지고 증발하기에 쉬운 상태가 만들어지게 된다. 이렇게 재생된 냉매는 다시 증발기로 유입되어 냉열을 만드는데 기여한다.