공조냉동기계기사 증기압축 냉동사이클 — 네 과정의 상태 변화·성적계수와 동력

이상적인 증기압축 냉동사이클의 네 과정은 열역학적으로 이름이 붙어 있다. 압축과정은 등엔트로피 과정이라 엔트로피가 변하지 않고, 팽창과정은 등엔탈피 과정이며, 증발과정과 응축과정은 압력이 일정하게 유지되는 등압 과정이다. 응축과정을 등적 과정이라 적으면 압력이 변하지 않는다는 사실과 어긋난다.

엔트로피가 줄어드는 구간도 정해져 있다. 냉매가 열을 흡수하는 증발과정에서는 엔트로피가 늘고, 압축과 팽창은 단열 과정에 가까워 변화가 거의 없다. 냉매가 외부로 열을 방출하며 기체에서 액체로 바뀌는 응축과정에서만 엔트로피가 줄어든다 — 계가 열을 내보내면 엔트로피가 감소한다는 원리가 그대로 적용되는 자리다.

성적계수는 얻은 냉동효과를 넣은 일로 나눠 구한다. 흡수열 104.08 kJ/kg, 방출열 136.85 kJ/kg이 주어지면 일은 136.85 − 104.08 = 32.77 kJ/kg이므로 성적계수는 104.08 ÷ 32.77 ≈ 3.18이 된다. 열량으로 바로 구하는 문제도 같은 구조다. 소비전력 2 kW인 냉장고의 응축기 방열량이 5 kW라면 방열량은 흡열량에 입력 일을 더한 값이므로 흡열량은 5 − 2 = 3 kW이고, 성적계수는 3 ÷ 2 = 1.5가 된다. 방열량을 그대로 냉방능력으로 착각하면 값이 어긋난다.

온도로 구하는 경우도 있다. 역 카르노 사이클로 작동하는 냉동사이클에서는 성적계수가 저열원 절대온도를 고열원과 저열원의 온도차로 나눈 값이 된다. 고열원과 저열원의 절대온도 비가 1.6이라면 성적계수는 1 ÷ (1.6 − 1) = 5/3이고, 저열원에서 2.0 kW를 흡수한다면 소요 동력은 흡수열을 성적계수로 나눈 2.0 ÷ (5/3) = 1.2 kW가 된다. 절대온도의 비만 주어져도 성적계수를 분수로 먼저 정리하면 계산이 흔들리지 않는다.

압력과 온도를 바꿀 때의 변화도 방향이 정해져 있다. 응축압력과 증발압력의 차이가 작을수록 압축기가 압축해야 할 압력비가 줄어 소비동력이 작아진다. 증발온도가 높아지면 증발 압력이 올라 압축비가 줄고 성적계수는 커진다. 응축온도가 일정한 상태에서 증발온도가 높아지는 쪽은 성능이 좋아지는 방향이다. 반대로 응축온도가 내려가면 응축 압력이 낮아져 압축비와 일이 줄어드므로 성적계수는 증가한다. 압축과정에서 과열도가 클수록 압축 일량이 커지고, 증발압력이 낮아지면 증기의 비체적이 커진다는 관계도 함께 기억해 둘 만하다.