공기를 차갑게 만들어주는 ‘에어컨의 원리’

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■공기를 차갑게 만들어주는 ‘에어컨의 원리’

• 2015.09.14.
       

어느덧 가을이 시작되었는데요. 여러분은 올여름은 시원하게 보내셨나요?

매년 여름 우리를 찾아오는 무더위를 물리치기 위해서 사용하는 기계가 있습니다. 바로 에어컨입니다.

지구의 고온현상으로 점차 기온이 뜨거워지면서 매년 작년보다 덥다는 소리가 절로 나오게 됩니다.
이처럼 에어컨은 여름 나기에 필수적인 요소가 되어버렸습니다.

이런 무더운 여름을 시원하게 해주는 에어컨은 어떤 원리로 움직이는 것일까요?
오늘은 공기를 차갑게 만들어주는 에어컨의 원리에 대해서 알아보겠습니다.

◆ 최초의 에어컨을 만들다.

고대 로마인은 집 안을 시원하게 하기 위해 찬 물이 순환되도록 벽 뒤에 수도관을 설치했고, 2세기 중국인인 딩 환은 직경이 3m에 달하는 회전하는 바퀴가 달린 팬을 개발해서 연못 주위의 찬 공기를 집 안으로 끌어들였습니다. 이와 같이 공기를 순환·냉각시키려는 시도는 오래 전부터 이어져 왔는데요.

마이클 패러데이는 1820년에 압축-액화된 암모니아가 다시 기화할 때 공기가 차갑게 변하는 것을 발견했습니다.
암모니아의 독성이 문제였으나 아무튼 모든 현대의 냉각 기술은 마이클 패러데이의 발견에 바탕하고 있다고 볼 수 있습니다.

1842년에는 존 고리에가 패러데이의 압축 기술을 얼음을 만드는 데 이용했고 1902년에 미국의 윌리스 하빌랜드 캐리어가 최초의 상업적인 에어컨을 만들어 인쇄 공장에 이용했습니다. 캐리어의 설계 역시 패러데이의 암모니아에 의한 냉각 시스템에 기초한 것입니다.

초기 에어컨과 냉장고의 냉각제로 암모니아, 염화메틸, 프로판 등의 기체가 쓰였는데 독성과 가연성 때문에 이러한 기체들이 누출될 경우 위험했고 사고도 잦았습니다. 1920년대 인체에 안전한 프레온을 개발했으나 이후 프레온이 대기의 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀지게 되었죠.

현재 에어컨에 가장 많이 사용되는 냉매는 R-22로 알려진 HCFC인데 역시 오존층을 파괴하는 물질로 확인되었습니다.
이 때문에 R-22 역시 2013년까지 생산·수입을 제한하고 국내에서는 2030년에 완전히 금지될 전망입니다.

◆ 에어컨의 기본적인 원리

먼저 에어컨은 무엇일까요? 사전적 의미를 찾아보면 에어컨은 실내온도를 낮춰 쾌적한 상태로 유지하게 하는 기계적 장치로 구분되어 있습니다.

에어컨의 기본적인 원리는 한마디로 기화열에 의한 냉각인데요. 그 원리를 살펴보면 액체가 기체로 기화할 때는 열을 흡수하고 기체가 액체로 응축할 때는 열을 방출하게 되죠. 기화할 때 흡수하는 열이 기화열입니다.

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 낮추게 됩니다.

에어컨과 냉장고에 의한 냉각은 많은 기화열을 효율적으로 얻을 수 있는 간단한 냉각 사이클을 통해 이루어지게 됩니다. 열은 원래 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지만 에어컨의 냉각 사이클을 통해서 반대 방향인 낮은 온도의 실내에서 높은 온도의 실외로 옮겨가는 특징이 있습니다.

실내기에서는 찬 바람이 나오고 실외기에서는 더운 바람이 나오게 되죠. 에어컨과 마찬가지로 냉장고 역시 열이 낮은 온도의 기기 안에서 높은 온도의 기기 밖으로 옮겨가게 됩니다.

◆ 에어컨의 구조

압축기
기체 상태의 냉각제는 먼저 압축기에서 고온, 고압의 상태가 되며 응축기로 흘러가게 됩니다.
또한 대부분의 냉각 시스템은 압축기를 작동하기 위해 전기 모터를 사용하게 됩니다.

응축기
압축기를 나온 고온, 고압의 기체는 외부에서 흡입된 공기와 만나 식으면서 액체가 됩니다.
이 때 열을 방출하므로 실외기에서는 더운 공기가 토출되게 됩니다.

팽창밸브
좁은 곳을 통과할 때 유체의 속도가 커지고 압력이 낮아지는 현상을 이용해 모세관을 통과시켜 고압 상태인 액체의 압력을 낮추게 됩니다. 왜냐하면 압력을 낮추어야 액체가 증발기에서 잘 증발될 수 있기 때문입니다.

증발기
팽창밸브를 나온 액체 상태의 냉각제는 온도와 압력이 낮습니다. 이러한 액체는 주위의 더운 공기에서 열을 흡수해 기체 상태로 증발하게 됩니다.

주위의 공기는 차가워 지고 팬이 돌면서 이 공기를 실내로 내보내게 되며, 완전히 증발된 기체는 다시 압축기로 들어가 냉각 시스템의 순환이 계속되게 됩니다.

오늘은 에어컨의 원리에 대해서 알아보았습니다.

에어컨이 없는 여름을 생각할 수 없는 세상이 되었지만 시원한 공기가 저절로 주어지는 게 아니라는 것을 고려한다면 지나치게 오래 켜놓는 건 좋은 방법이 아니겠죠?

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