증기압축식 냉동사이클

왜 배우는가: 증기압축식 냉동사이클은 건축설비의 냉방·히트펌프 성능을 결정하는 기본 원리다. 냉동기 COP, 압축비, 과냉각, 플래시 가스 문제가 모두 이 사이클의 상태점 변화로 설명되므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제127회 1교시 13번, 제126회 3교시 2번, 제95회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

증기압축식 냉동사이클은 냉매의 증발·압축·응축·팽창을 반복하여 저온부의 열을 고온부로 이동시키는 열역학 사이클이다.

핵심 키워드

• 증기압축식 냉동사이클(Vapor-compression Refrigeration Cycle)
• 압축기(Compressor)
• 응축기(Condenser)
• 팽창밸브(Expansion Valve)
• 증발기(Evaporator)
• 과냉각(Subcooling)
• 플래시 가스(Flash Gas)
• 성적계수(COP, Coefficient of Performance)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 냉매가 증발하면서 주변 열을 빼앗고, 그 열을 다른 곳에서 내보내는 장치다. 냉매는 압축기에서 압력과 온도가 올라가고, 응축기에서 열을 버리며 액체가 된다. 이후 팽창밸브에서 압력이 떨어지고, 증발기에서 다시 증발하며 냉방 효과를 낸다.

정식 정의는 다음과 같다. 증기압축식 냉동사이클은 증발기에서 냉매가 저온 저압으로 열을 흡수하고, 압축기에서 단열압축되어 고온 고압이 되며, 응축기에서 정압 방열하여 과냉각 액이 되고, 팽창밸브에서 등엔탈피 교축을 거쳐 다시 증발기 입구 상태로 돌아오는 폐사이클이다. 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기의 네 요소로 구성된다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 증발(Evaporation): 냉매가 일정 압력에서 증발기 안에서 액에서 기체로 바뀌는 과정이며, 이때 주변으로부터 잠열을 흡수한다.
• 단열압축(Isentropic Compression): 이상 사이클에서 압축기 내부를 가역 단열로 보는 과정으로, 엔트로피가 일정하다.
• 응축(Condensation): 고온 고압 증기가 정압에서 열을 방출하여 액으로 변하는 과정이다.
• 교축(Throttling): 팽창밸브에서 엔탈피가 일정하게 압력이 떨어지는 과정이며, 일부 냉매가 플래시 증발한다.

원리 면에서 열펌프와 같은 장치다. 저온부 열을 흡수해 고온부에 방출하는 것이 목적이고, 냉동기는 저온부 흡열을, 열펌프는 고온부 방열을 목적으로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

액체가 증발할 때 주변 열을 흡수하는 성질을 이용해 인공적으로 저온을 만들려는 요구에서 발전했다. 초기에는 공기 사이클과 흡수식 방식이 쓰였으나, 증기압축식은 높은 성적계수와 소형화가 가능해 주된 방식으로 자리 잡았다.

건축 분야에서는 대형 공조기, 빌딩용 냉동기, 가정용 냉장고, 히트펌프 난방까지 같은 원리로 운영된다. 따라서 냉매 선정, 압축비 관리, 과냉각 확보, 플래시 가스 방지가 설계와 운전의 핵심 항목이 된다. 사이클의 상태점을 정확히 읽는 능력이 COP 향상과 고장 진단의 출발점이다.

또한 환경 규제에 따라 냉매가 CFC에서 HFC 계열, 천연냉매로 바뀌어 왔고, 사이클 원리는 그대로 유지된다. 냉매 물성만 달라지므로 사이클 해석의 기본기가 계속 중요하다.

COP = 증발기 흡수열 / 압축기 소요일

4. 구성요소·원리·절차

증기압축식 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 네 요소가 냉매를 순환시켜 저온부의 열을 고온부로 옮기는 장치다. 각 요소는 냉매 상태를 한 단계씩 바꾸고, 네 과정이 연결되어 한 사이클이 완성된다. 시험에서는 요소의 역할과 상태 변화를 함께 쓰는 것이 핵심이다.

표 설명 1: 압축기는 사이클에 일을 넣는 유일한 요소이며, 응축기와 증발기는 정압 과정으로 열을 주고받는다. 팽창밸브는 엔탈피가 일정한 교축 과정이다.

표 설명 2: 응축기와 증발기의 압력 차이가 압축비와 압축일을 결정한다. 이 차이가 커질수록 성능계수는 낮아진다.

원리는 증발잠열이다. 저압 액냉매가 증발하며 주위에서 열을 흡수하고, 고압 냉매가 응축하며 열을 방출한다. 냉동기는 외부에서 공급한 일로 저온부 열을 고온부로 옮기는 열펌프로 볼 수 있다.

증발기에서 냉매가 증발하며 흡수한 열이 냉동효과가 된다.

이상 사이클은 가역 단열 압축, 정압 응축, 등엔탈피 교축, 정압 증발로 구성된다. 실제 사이클은 압축기의 마찰·누설, 배관 압력손실, 과열·과냉각 때문에 이상 사이클과 차이가 난다. 냉매 단위 질량당 냉동효과와 압축일은 다음과 같다.

$q_e = h_1 - h_4$ $w_c = h_2 - h_1$ $COP_R = \frac{q_e}{w_c} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}$

여기서 h_1은 증발기 출구(압축기 입구) 엔탈피[kJ/kg], h_2는 압축기 출구 엔탈피[kJ/kg], h_4는 팽창밸브 입구(응축기 출구) 엔탈피[kJ/kg]다. 교축 과정에서 h_3 = h_4이다.

절차는 다음과 같다.

• 증발기에서 저압 냉매가 피냉각 공간의 열을 흡수하여 건포화증기가 된다.
• 압축기가 증기를 가역 단열 압축하여 고압 과열증기로 만든다(엔트로피 일정).
• 응축기에서 과열 제거 후 정압 응축하여 포화액이 되고, 필요하면 과냉각된다.
• 팽창밸브에서 등엔탈피 교축되어 저압 기액 혼합물이 된다.
• 증발기로 되돌아가 1번으로 반복한다.

증발기 출구를 건포화증기로 두는 것은 액백(liquid back)을 막기 위함이다. 과열도는 압축기 보호와 증발기 제어 목적으로 일정 값 이상 확보한다.

압축비 = 응축압력 / 증발압력 은 실제 압축기 선정에서 확인하는 값이다. 압축비가 커지면 체적효율이 떨어지므로 응축·증발 압력 차를 적정하게 유지해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

증기압축식 냉동장치는 「산업안전보건법」상 고압가스 관련 규제와 「고압가스 안전관리법」의 적용을 받는다. 냉매 종류와 충전량에 따라 설치 신고와 안전 조치 기준이 달라진다. 설비 설계 기준은 공조·냉동 분야의 설계 기준서와 한국산업표준(KS)을 따른다.

표 설명 1: 냉동톤은 설비 용량을 나타내는 단위이며, 입력 자료의 환산치와 표준 환산치가 다르므로 계산에는 표준 값을 쓴다.

표 설명 2: 과냉각도와 과열도는 설계 기준으로 관리하며, 특정 값을 외우기보다 증감이 성능에 미치는 방향을 설명하는 것이 중요하다.

개정 연혁으로는 냉매 규제가 오존층 보호 관점에서 CFC 전면 폐지 이후 HFC의 온실가스 감축 관리로 확대되었다. 이 흐름에 따라 저GWP 냉매 사용이 늘고 있다.