냉동기의 구조와 원리

[풍경소리]

냉동기의 구조와 원리

 ■ 에어컨의 기본 원리: 기화열에 의한 냉각

에어컨의 기본적인 원리는 한마디로 기화열에 의한 냉각 1) 이다. 

액체가 기체로 기화할 때는 열을 흡수하고 기체가 액체로 응축할 때는 열을 방출한다. 

기화할 때 흡수하는 열이 기화열이다. 

에어컨은 압축기로 압력을 크게 변화시켜 기체 상태였던 냉각제를 액체로 응축한 후 압력을 낮춰서 증발기 안에서 액체 상태의 냉각제가 다시 증기로 기화할 때 열을 빼앗아 주위의 온도를 낮춘다. 

에어컨과 냉장고에 의한 냉각은 많은 기화열을 효율적으로 얻을 수 있는 간단한 냉각 사이클을 통해 이루어진다. 

열은 원래 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지만 에어컨의 냉각 사이클을 통해서 반대 방향인 낮은 온도의 실내에서 높은 온도의 실외로 옮겨간다. 

실내기에서는 찬 바람이 나오고 실외기에서는 더운 바람이 나온다. 냉장고도 마찬가지로 열이 낮은 온도의 기기 안에서 높은 온도의 기기 밖으로 옮겨간다.[네이버 지식백과] 에어컨의 원리 - 후덥지근한 공기를 차가운 공기로 (원리사전)

냉각과정: 냉각제가 압축기, 응축기, 팽창벨브, 증발기을 거치며 냉각이 이루어짐

구체적인 냉각 과정은 냉각제가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 거치며 이루어진다.

1. 압축기

실외기 속에 있다. 기체 상태의 냉각제는 먼저 압축기에서 고온, 고압의 상태가 된다. 대부분의 냉각 시스템은 압축기를 작동하기 위해 전기 모터를 사용한다.

2. 응축기

실외기 속에 있다. 압축기를 나온 고온, 고압의 기체는 외부에서 흡입된 공기와 만나 식으면서 액체가 된다. 이 때 열을 방출하므로 실외기에서는 더운 공기가 토출된다.

3. 팽창밸브 

실내기나 실외기 어느 한 곳에 있다. 좁은 곳을 통과할 때 유체의 속도가 커지고 압력이 낮아지는 현상을 이용해 모세관을 통과시켜 고압 상태인 액체의 압력을 낮춘다. 압력을 낮추어야 액체가 증발기에서 잘 증발될 수 있기 때문이다.

4. 증발기

실내기에 있다. 팽창밸브를 나온 액체 상태의 냉각제는 온도와 압력이 낮다. 이러한 액체는 주위의 더운 공기에서 열을 흡수해 기체 상태로 증발한다. 주위의 공기는 차가워 지고 팬이 돌면서 이 공기를 실내로 내보낸다. 완전히 증발된 기체는 다시 압축기로 들어가 냉각 시스템의 순환이 계속된다.

■ 시원한 공기에는 전기에너지라는 대가가 필요하다

이렇듯 에어컨은 저온에서 고온으로 열에너지를 전달한다. 

여기에 이상한 점이 있다. 뜨거운 국에 담긴 숟가락이 뜨거워지듯이 열에너지는 고온에서 저온으로 이동하는 것이 아닌가? 

증기 엔진을 살펴보자. 이 열기관은 뜨거운 열원에서 열에너지를 얻어 바퀴를 돌리는 등의 일을 하는데 이 때 일부의 열은 저절로 낮은 온도로 흘러가 손실된다. 엔진을 아무리 잘 설계해도 주어진 열을 100% 일로 바꾸는 열기관을 만드는 것은 불가능하다. 이것이 열역학 제2법칙 2) 이다. 

이것은 자연계에 비가역적인 과정이 있음을 의미한다. 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하는 대표적인 열 펌프인 에어컨은 열역학 제2법칙에 어긋나는 것처럼 보인다. 그러나 에어컨은 전기 에너지를 소비해야만 작동한다. 

즉 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하기 위해 그보다 더 많은 에너지를 소모하므로 계 전체의 엔트로피는 증가하게 되고 결국 열역학 제2법칙을 만족시킨다. 

에어컨이 없는 여름을 생각할 수 없는 세상이 되었지만 시원한 공기가 저절로 주어지는 게 아니라는 것을 고려한다면 지나친 냉방을 삼가게 될 것이다.

주석

1기화열에 의한 냉각

일정한 온도와 압력에서 액체를 기체로 바꾸는 데 필요한 에너지이다. 액체 상태의 분자간 인력을 이겨야 기체가 될 수 있기 때문에 에너지가 필요하다. 그러므로 액체가 기화할 때 주위에서 기화열을 흡수하므로 주위의 온도가 내려간다. 뜨거운 여름날 거리에 물을 뿌리면 물이 증발하면서 시원하게 느껴지는 것이 그 예이다. 기체가 다시 액체로 될 때 방출되는 에너지는 액화열이라고 한다. 기화열과 액화열의 크기는 같다.

2열역학 제2법칙

에너지의 흐름에 방향성이 있음을 말하는 법칙. 낮은 온도의 물체와 높은 온도의 물체가 접촉하면 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동한다. 그러나 그 반대의 변화는 자발적으로 일어나지 않는다. 클라우지우스는 열역학 제2법칙을 다음과 같이 표현했다. “일을 하지 않고 찬 열원에서 더운 열원으로 열을 이동시킬 수 있는 장치는 없다.” 다음은 캘빈의 표현이다. “열원에서 꺼낸 열을 완전히 일로 바꿀 수 있는 장치는 없다.” 이러한 장치는 2종 영구기관이다. 이렇듯 자발적이며 비가역적으로 일어나는 반응에는 회수 불가능한 에너지의 손실이 따르게 되므로 고립계의 전체 엔트로피는 증가함을 알 수 있는데 이 때문에 열역학 제2법칙을 엔트로피의 법칙이라고도 한다.

[네이버 지식백과] 에어컨의 원리 - 후덥지근한 공기를 차가운 공기로 (원리사전)

1. 냉동기의 원리

     냉동을 하는데는 여러 방법이 있으나 냉동장치에는 증발하기 쉬운액체를 증발시켜 그 잠열을 이용하는 방법이 이용된다. 주요 부분으로는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 냉동장치 안에는 증발하기 쉬운 냉매가 봉입되어 있다.

(1) 압축기 : 증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 보낸다.

(2) 응축기 : 압축기로부터 나온 고온고압의 가스냉매를 물 또는 공기로 냉각시켜 응축시킨다.

(3) 팽창밸브 : 적정량의 액체 냉매를 저압의 증발기 측으로 보내고 고압냉매는 여기를 통과하는 사이에 급격히 저온저압의 습증기가 된다.

(4) 증발기 : 냉동목적을 달성할 수 있는 곳으로서 냉매가 여기서 열을 얻어 증발하며 주위를 저온으로 만든다.

2. 냉동기의 작용 

압축기는 저온저압의 냉매가스를 증발기로부터 흡입하고 이것을 압축시켜 고온고압의 과열증기로 만들어 응축기로 보낸다. 다음에 증기는 응축기로 돌아가 냉각된다.

냉각은 대형·중형 냉동기에서는 물로, 소형 냉동기에서는 공기에 의해 냉각된다. 수액기를 나온 액체냉매는 다음의 팽창밸브를 통과하여 증발기로 들어간다.

증발기로 들어온 냉매는 저온저압의 습증기가 되어 있고, 그 온도는 주위보다도 낮다. 

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▣ 흡수식냉온수기 냉방운전

- 흡수식 냉온수기 냉방운전 사이클 - 

냉매는 냉매펌프에 의해 증발기 외표면에 증발 노즐을 통하여 분사되고, 이때 증발한 냉매는 흡수기 내에서 분사되는 진한용액(LiBr)에 흡수됩니다.

이 과정에서 증발기에서는 냉수가 냉매의 증발장열에 의해 냉각되고, 훕수기에서는 진한 용액과 냉매가 혼합하여 묽은 용액으로 됩니다.

이 묽은 용액은 용액 펌프에 의해 열교환기를 거쳐 고온재생기와 저온재생기로 보내집니다. 고온재생기로 보내어진 묽은 용액은 Gas나 Oil등의 열원에 의해 가열되어 냉매를 증발시키므로 농축되어 진한 용액이 됩니다.

냉매증기는 저온재생기로 보내저 흡수기에서 전달된 묽은 용액에 의해 응축되어 응축기로 보내집니다.

고온재생기와 저온재생기에서 농축된 진한 용액은 혼한하여 열교환기(저온열교환기)를 거쳐 흡수기로 돌아옵니다. 이 진한 용액은 흡수 노즐을 통하여 분사되면서 증발기에서 발생한 냉매증기를 흡수합니다.

이때 발생하는 흡수열은 냉각수에 의하여 냉각됩니다. 또한 응축기로 보내진 냉매액은 응축기에서 냉각수에 의하여 냉각되어 증발기로 돌아옵니다.

▣ 흡수식냉온수기 난방운전

 

 - 흡수식 냉온수기 난방운전 사이클 -

고온재생기에서 발생한 냉매증기는 증발기로 돌아옵니다. 이때 증발기 튜브를 통하여 흐르는 온수에 의해 냉매증기는 응축되어 흡수기로 보내지고, 이 냉매액은 흡수기에서 고온 재생기와 저온재생기에서 돌아온 진한 용액과 혼합하여 묽은 용액으로 됩니다.

묽은 용액은 용액펌프에 의해 열교환기를 거쳐 고온재생기와 저온재생기로 보내져 열원에 의해 가열되어 냉매증기를 발생시키고 진한용액으로 되어 흡수기로 돌아옵니다.