챕터 8: 냉동 사이클
냉동 사이클(Refrigeration Cycle)은 온도가 낮은 공간(저온 저장소)에서 열을 흡수하여 온도가 높은 외부(고온 저장소)로 열을 내보내는 과정을 반복하여, 원하는 대상의 온도를 낮게 유지하는 열역학 사이클을 의미합니다. 이 장에서는 냉동 시스템의 기본 개념과 성능계수부터 시작해, 대표적인 냉동 사이클인 역(逆) 카르노 사이클, 증기 압축 냉동 사이클, 그리고 열펌프 및 역브레이튼 사이클까지 살펴보겠습니다.
1. 냉동 시스템의 정의 및 성능계수
냉동 시스템은 저온 저장소(내부 혹은 냉동실 등)에서 열을 빼앗아 외부로 방출함으로써, 내부 온도를 낮게 유지하는 공학적 장치들의 모음입니다. 이때 **외부에서 추가로 투입되는 에너지(주로 일, W_in)**가 필요합니다. 왜냐하면 열역학 제2법칙에 따르면, 열은 스스로 저온에서 고온으로 이동하지 않기 때문입니다.
1.1 냉동 사이클의 목적
- 온도가 낮은 영역에서 열을 흡수하여 외부(고온 영역)로 열을 방출
- 열역학 제2법칙상, 저온→고온 열 이동을 위해 반드시 외부의 일이 투입되어야 함
- 제한된 에너지를 최대한 효율적으로 사용하여 냉동(냉장), 공조, 산업 냉각 등에 활용
1.2 성능계수(COP: Coefficient of Performance)
냉동 사이클에서는 효율(efficiency) 대신에 성능계수(COP)를 사용합니다. 냉동 사이클에서 중요한 것은 "얼마만큼의 저온 열량을 빼앗는가"이므로, 냉동기 성능계수는 다음과 같이 정의합니다:
- : 저온 저장소(증발기)에서 흡수하는 열량
- : 압축기 등에서 투입되는 일
값이 클수록 투입 일 대비 더 많은 냉동 효과를 얻는 시스템입니다.
2. 역(逆) 카르노 사이클
냉동 사이클의 이론적 한계점으로, 카르노 사이클을 단순 반대로 돌려서 냉동 목적으로 사용하는 사이클을 말합니다. 실제로는 마찰이나 비가역성으로 인해 구현이 불가능하지만, 가장 이상적인 냉동 사이클의 기준이 됩니다.
2.1 사이클 개요
- 등온 열흡수 (저온 T_L에서 열 흡수)
- 단열 압축 (압축기로 일 투입)
- 등온 열방출 (고온 T_H로 열 방출)
- 단열 팽창 (팽창하여 다시 저온 T_L)
2.2 P–V 선도와 T–s 선도
- P–V 선도에서 등온 + 단열의 4개 공정으로 구성
- T–s 선도에서도 온도가 일정한 구간(등온)과 엔트로피 일정 구간(단열)이 교차함
2.3 역카르노 사이클 COP
- : 저온 저장소 온도(절대온도)
- : 고온 저장소 온도(절대온도)
역카르노 사이클은 가장 이상적인 냉동 사이클의 COP 상한선을 정의하며, 실제 시스템은 이 값보다 항상 낮은 COP를 가집니다.
3. 증기 압축 냉동 사이클
실제 산업 및 생활 전반에서 가장 널리 쓰이는 냉동 사이클입니다. 냉매가 증발기에서 증발하며 열을 흡수(저온), 압축기를 거쳐 고온·고압 상태가 되고, 응축기에서 응축하며 열을 방출(고온), 이후 팽창밸브를 통해 저압·저온으로 팽창하여 다시 증발기로 들어가는 순환 과정입니다.
3.1 주요 구성 장치
- 증발기(Evaporator)
- 압축기(Compressor)
- 응축기(Condenser)
- 팽창밸브(Expansion Valve)
3.2 냉매(Refrigerant)의 중요성
냉매는 냉동 사이클의 효율과 환경적 영향을 좌우합니다.
- 전통적으로 CFC, HCFC, HFC 등이 사용되었지만, 오존층 파괴(ODP)와 지구온난화(GWP) 문제로 대체 냉매(친환경 냉매) 연구가 활발
- 냉매 선정 시 끓는점, 임계압, 안정성, 환경 영향 등을 종합 고려
3.3 P–h 선도, T–s 선도에서의 이해
- P–h 선도(Pressure-Enthalpy): 냉매의 상태 변화를 직관적으로 파악 가능
- T–s 선도: 온도와 엔트로피의 변화를 시각적으로 나타냄
3.4 성능계수(COP)
증기 압축 냉동 사이클의 성능계수는 다음과 같이 표현됩니다:
(각 지점은 냉매 상태점; 구체적인 표기 방식은 문헌마다 다를 수 있음)
4. 열펌프(Heat Pump) 시스템
열펌프는 냉동사이클과 동일한 장치 구성을 역으로 활용하지만, **고온 측으로 전달되는 열()**을 유용하게 쓰는 시스템입니다.
- 겨울철 난방 시, 외기(저온)에서 열을 흡수하여 실내(고온)로 이동
- 열펌프 성능계수(COP_hp)는 다음과 같이 정의:
히트펌프는 저온에서 고온으로 열을 이동시키기 때문에, 제2법칙에 의해 일(에너지)이 투입되어야 합니다. 다만, 보일러 직화 가열보다 더 높은 에너지 효율을 기대할 수 있어 주택·빌딩 냉난방에 널리 사용됩니다.
5. 역브레이튼(Reversed Brayton) 사이클
브레이튼 사이클을 역으로 돌려 냉동이나 공기액화 목적에 사용하는 사이클입니다. 가스터빈 사이클을 반대로 돌리면, 압축 후 열을 방출하고, 이후 터빈에서 팽창하여 저온을 만들어내는 방식입니다.
5.1 사이클 과정
- 등압 냉각(열방출): 고온 공기를 냉각시키면서 열을 주변으로 방출
- 터빈 팽창: 단열 팽창을 통해 공기 온도를 크게 낮춤
- 등압 가열(열흡수): 저온 공기가 냉열을 전달받아 주변보다 낮은 온도를 유지
- 압축: 공기를 다시 고압으로 만들며, 외부에서 일(에너지) 투입
주로 공기액화 또는 고온·고압 가스를 냉각시키는 일부 특수 장치에서 활용되며, 효율은 전통적인 증기 압축 방식보다 낮은 편입니다.
6. 냉동 사이클 요약: 장치별 역할
- 증발기: 냉매가 증발하면서 열을 흡수 → 냉동 효과 발생
- 압축기: 냉매를 고압·고온 상태로 만들어 응축이 쉽게 일어나도록 함(필요한 일 투입)
- 응축기: 냉매가 응축하며 열 방출
- 팽창밸브: 냉매 압력을 강하시켜 저온·저압으로 만들고 증발기로 보냄
이러한 4대 기본 장치 조합은 냉동·에어컨·히트펌프 등 다양한 형태로 나타납니다.
7. 결론
이 장에서는 냉동 사이클의 정의와 성능계수(COP)를 시작으로, 대표적인 냉동 사이클인 역카르노 사이클과 증기 압축 냉동 사이클을 살펴보았습니다. 또, 열펌프 시스템과 역브레이튼 사이클까지 개괄하여, 저온 영역에서 열을 흡수하고 고온 영역으로 이동시키는 원리를 이해했습니다.
- 역카르노 사이클은 이론적 최대 성능계수를 결정하지만, 실제 시스템은 비가역성(마찰·열손실 등)으로 이보다 낮은 COP를 갖습니다.
- 증기 압축 냉동 사이클은 가정·산업 전반에서 가장 널리 사용되며, 압축기·응축기·팽창밸브·증발기의 조합으로 구성됩니다.
- 냉매 선택은 성능과 환경적 영향을 모두 고려해야 하며, 최근에는 친환경 냉매가 각광받고 있습니다.
- 히트펌프는 냉동 사이클을 반대로 사용하여 고온 측 열을 유용하게 활용하며, 역브레이튼 사이클은 특수 목적에서 공기액화나 공기 냉동 등에 쓰입니다.
냉동 사이클은 단순 가정용 에어컨부터 산업용 냉동·냉장, 그리고 저온 공정 설계까지 폭넓은 분야에서 응용됩니다. .