사이클은 순환과정이다. 음악적 용어로 도돌이표에 해당한다. 돌고 도는 인생, 2호선 순환열차다. 열차가 서울역을 출발해 부산에 도착한 후 다시 서울에 도착할 때까지, 사람이 집을 출발해 출근한 후 일하고 퇴근해서 집에 오기까지, 비행기가 김포공항을 출발해 프랑스에 도착한 후 다시 김포공항에 오기까지, 모두 사이클이다. 냉동기는 냉매가 압응팽증의 과정을 반복하면서 열량을 운반하는 순환과정이 사이클이다. 열기관, 냉동기 등 어떤 물질이 한 지점을 출발해 몇번의 상태변화를 거치면서 다시 원점으로 오는 과정, 동작의 변화를 반복하는 것이 사이클이라고 한다. 즉, 변화의 수레바퀴다.
카르노 사이클은 카르노가 고안했다. 청년 시절에 만들어낸 사이클인데, 천재의 발명품을 통해 인류는 지혜의 빚을 지고, 그 빛으로 살아간다. 모든 열펌프와 냉동기의 기초원리다. 2개의 등온선, 2개의 단열선 즉 4개의 선분으로 구성된 사이클이며, 반복되는 순환으로 열이 이동하고, 가역과정으로 가정한 것이므로 효율은 최고다. 카르노 사이클보다 더 좋은 효율은 불가능하다.
1 => 2 등온팽창
2 => 3 단열팽창
3 => 4 등온압축
4 => 1 단열압축
등온은 상태변화를 뜻한다. 액체에서 기체로, 기체에서 액체로 변화다. 단열은 등엔트로피선이다. TS선도와 PV선도를 각각 이해하는 것이 좋다.
냉동사이클은 역카르노사이클이다. 카르노 사이클은 시계방향으로 돌고, 냉동사이클은 반시계 방향으로 돈다. 2개 단열선, 2개 등온선으로 구성된다. 팽창은 체적이 늘어나는 과정이며, 압축은 체적이 줄어드는 과정이다. 쉽게 말해서 몸무게가 늘어나서 비만인 상태가 팽창, 몸무게가 홀쭉해서 다이어트를 한 상태가 압축이다.
1 => 2 단열팽창
2 => 3 등온팽창
3 => 4 단열압축
4 => 1 등온압축
세로는 ‘단열’에 해당하고, 가로는 ‘등온’에 해당한다. 우측으로 가면 팽창, 좌측으로 가면 압축이다. 부피의 증가는 팽창, 부피의 감소는 압축이어서 그렇다.
냉동사이클의 목적은 냉동효과다. 즉 방안을 시원하게 하는 것이다. 방안을 시원하게 하려면, 방안의 열량을 빼내야 한다. 압축된 냉매가 쓰로틀 밸브를 통해 갑자기 팽창하고, 액체가 기체가 되면서 증발기를 통해 열량을 흡수하면서 냉동효과를 실현한다. 냉매가 압축기-응축기-팽창밸브-증발기 4개의 과정을 거치면서 형성되는 사이클이며, 이 사이클을 통해 냉동효과를 실현한다.
단열압축과정이 압축기로 일하는 과정이며, 가장 중요한 곳이다. 실외기에 있는데, 가장 무거운 곳이며 핵심부품이어서 제일 비싸다. 단열압축은 온도를 상승시킨다. 고온으로 압축된 증기가 응축기에서 액체로 변환되고, 이때 열량이 발생한다. 액체가 된 고온이 저온으로 하강한다. 이게 팽창밸브다. 압응팽증은 미끄럼틀과 같다. 미끄러틀을 타려고 올라가서 내려오는 과정이다. 압축은 저온에서 고온으로, 팽창밸브는 고온에서 저온으로 뚝 떨어진다. 등온과정은 상태변화이며, 액체가 기체로, 기체가 액체로 각각 변환된다. 액체가 기체가 되는 증발기는 열량을 배달하는 기능이며, QL을 태워서 간다. 그래서 방안이 시원해진다. 성적계수는 성적표와 같다. 냉동기가 저열원(방안)에서 열을 흡수해서 고열원(베란다밖)으로 열을 버리는데 일이 필요하다. 이 일을 직접 수행하는 곳이 압축기다. 작은 일을 투입해서 많은 열을 이동시켰다면 냉동기 성적계수는 좋다고 평가한다.
응축기 발열량=압축기 일+증발기 흡수열량
성적계수=흡수열량÷압축기 일
냉동기와 열펌프는 성적계수를 구하는 공식이 동일하다. 단, 분자가 달라진다. 냉동기는 분자에 저열원 열량을, 열펌프는 고열원 열량을 대입하고, 분모는 고열원-저열온이다. 열펌프 성적계수는 냉동기보다 항상 1이 크다.
열펌프 성적계수=냉동기 성적계수+1
