HVAC 101-2 [냉매작동 원리, Refrigeration How it works]

Willis Carrier가 발명한 현대식 냉방장치는 어떻게 작동할까?

 

아래 다이어그램을 보자. (많은 자료를 보았지만 아래 그림이 가장 직관적으로 설명이 잘 되있는 것 같다)

 

Engineering Mindset 'How Refrigernats Works in HVAC system'

냉방장치의 목적은 실의 온도를 낮추는 것이다. Evaporator가 그 역할을 한다. 저온저압의 액체가 기화되면서 주변의 열을 흡수할때 실의 온도가 낮아진다. (위의 다이어그램에서 State4 -> State1 로 가는 구간)

 

한 마디로, 우리가 원하는건 'Evaporator' 다. 어떻게 하면 4 -> 1 사이클을 계속해서 돌릴 수 있을까? 라는 물음에서 Compressor(압축기)와 Condenser(응축기) 그리고 Exapnsion Valve(팽창밸브)의 개념이 나왔다고 해도 무방하다.

 

냉방 사이클을 보고 직관적으로 처음 든 생각은 'State1 -> State4로 한번에 갈 수 있지 않을까?' 였다. 

온도-엔트로피, 압력-엔탈피 그래프

내가 내린 결론은 '기술적으로 불가능하다' 다. 그런 기술이 있었으면 진작에 썼겠지. 이상적으로 한번에 가면 좋겠지만 현실적인 기술이 부재해 압축기, 응축기, 팽창밸브를 단계단계 거친다고 판단했다.

 

다시 한번 언급하지만 우리가 원하는 것은 Evaporator이다. 우리는 State4의 냉매가 필요하다. 직관적으로 말하면, 사이클을 돌리기 위해 우리는 저온저압의 기체(State1)를 저온저압의 액체(State4)로 만들어야 한다. 이 여행은 3가지 단계로 이루어진다. 1. 압축기, 2. 응축기, 3. 팽창밸프. 각각의 단계를 살펴보자. 

 

1. Compressor (압축기)

 

Compressor

저온저압의 기체냉매는 압축기 실린더의 압력에 의해 압축된다. 기체분자 사이의 거리가 좁아지며 압력이 높아지고 분자사이의 충돌로 인해 온도가 높아진다. 압축기를 통해 냉매는 저온저압의 상태에서 고온고압의 상태가 된다.

 

2. Condenser (응축기)

 

Condenser

응축기는 한마디로 차가운 맥주병이다. 바에서 차가운 맥주병을 주문하면 맥주병 표면의 공기가 응축되어 물방울이 되는 것처럼 응축기는 고온고압의 기체 냉매를 Fan으로 식혀 액체상태로 만든다. 기체가 액체가 되면 열을 방출한다. 옥상에 실외기 주변에 가면 뜨거운 바람이 부는데 이게 응축기 때문이다. 고온고압의 기체 냉매는 응축기를 통해 중온고압의 액체 냉매가 된다. 

 

3. Expansion Valve (팽창밸브)

 

Expansion valve & Evaporator

팽창밸브는 분무기라고 생각하면 편하다. 아래의 그림처럼 중온고압의 액체 냉매는 팽창밸브를 통해 저온저압의 액체 냉매가 된다. 직관적으로 생각해보면 압력이 낮아지는 것은 알겠는데 왜 온도도 낮아지냐는 생각이 들 것이다. 결론부터 말하면 나도 모르겠다. 다만, 분무기를 통해 분무된 물이 항상 차가웠던 기억으로 비춰봤을 때 그냥 그렇구나 하고 넘어갔다. 

 

Water Spray

이렇게 3단계를 거치면 냉매는 우리가 원하는 State4, 저온저압의 액체 냉매가 된다.

 

4. Evaporator (기화기)

냉매는 물과 달리 그 끓는점이 매우 낮다. (1820년에 패러데이가 왜 냉매로 물 대신 암모니아를 고려한 이유가 있다)

 

Refrigerant boiling point

 

그래서 실온(섭씨 20도)에서 매우 쉽게 끓어 기화된다. 기화기는 별게 없다. 저온저압의 액체냉매를 단순히 실온에 노출시키는 것이다. (실온에 노출시킨다는 것이지 실에 분사하는게 아니다. Closed loop이다) 추가로 Fan을 돌려 기화를 가속화 한다. 기화기를 통과한 냉매는 다시 저온저압의 기체가 되고 이를 다시 압축기, 응축기, 팽창밸브에 돌려 저온저압의 액체로 만드는 사이클을 반복하는 것이 냉방 사이클이다. 

 

항상 어렵다고 생각됬었는데, 다시 정리해보니 별게 없다. 

 

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P.S. 물의 T-s 그래프 참고

위의 온도-엔트로피 그래프에서 각 State에서 냉매가 어떤 상태로 존재하는지 이해하는데 좋다. 열역학에서 나오는 개념인데 기계공학 전공이 아니면 배울 기회가 없었을 것이다. (필자도 열역학 수업을 청강해서 알게 됬다) 그래프를 보면 산모양의 그래프 왼쪽에서는 액체, Liquid 상태, 그래프 아래부분은 액체-기체 공존 상태, Liquid-Vapor 상태 그리고 오른쪽에서는 기체 상태, Superheated vapor 상태이다. 

 

기계전공이 아닌 분들은 '엔트로피는 또 뭐야?' 하실 수도 있는데 이는 나중에 다뤄보기로 하자.

한마디로 하면, '무질서도'이고 열역학에서 표현하는 식은 아래와 같다. 온도와 열의 함수라고 생각하면 편하다.

 

 

 

추가적으로 Evaporator가 왜 중요한지에 대해 궁금하신 분은 이전 포스팅

'HVAC 101-1 [냉방기술의 역사, All about air-conditioning history] 글을 참고 바란다.

link: https://sbjjsurfing.tistory.com/18

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Reference
- Refrigeration Cycle Tutorial: Step by Step, Detailed and Concise! https://www.youtube.com/watch?v=XscHn6GPWO0

- Refrigerants How they work in HVAC systems https://www.youtube.com/watch?v=lMqoKLli0Y4&t=3s