냉장고Refrigerator

개요

이 페이지는 가정용 냉장고의 대표적인 증기 압축 방식을 설명한다. 냉장고의 단열재는 방에서 들어오는 열을 줄인다. 냉각 장치는 그래도 들어온 열과 새로 넣은 음식의 열을 밖으로 옮긴다. 보관실 안에는 열을 받는 증발기, 바깥에는 열을 내보내는 응축기가 있다. 둘 사이를 냉매가 닫힌 배관 안에서 순환한다.^[1]

먼저 제품 Atlas에서 뒤쪽을 보면 따뜻한 열교환기와 압축기가 어디에 있는지 알 수 있다. 아래의 Anatomy에서는 피스톤과 밸브를 한 행정씩 멈춰 보고, 이어서 냉매가 각 부품을 지난 뒤의 상태를 비교할 수 있다. 두 그림과 제품 모형은 같은 운전 상태를 사용한다.

원리

1. 기체를 받아 압축한다

압축기로 돌아오는 냉매는 저압의 기체다. 전동기가 크랭크를 돌리면 연결봉이 피스톤을 왕복시킨다. 피스톤이 내려갈 때 내부 압력이 낮아져 흡입 밸브가 열린다. 올라갈 때는 기체를 가둔 공간이 줄어 압력이 높아진다. 고압 배관의 압력에 이르면 토출 밸브가 열리고 냉매가 나간다.^[2]

그림의 두 밸브는 압력 차에 따라 열린다. 밸브를 여는 별도의 캠은 없다. 피스톤 위에 남는 작은 공간 때문에, 다음 흡입이 시작되기 전에는 잔류 기체가 먼저 팽창한다. 원형 압력계는 저압·고압 배관의 압력을, 판독값은 순간 실린더 압력을 나타낸다. 압력은 모두 절대압이다.

2. 뜨거운 냉매가 방에 열을 내준다

압축한 냉매는 압력과 온도가 높아진 상태로 응축기에 들어간다. 응축기가 주변 공기보다 뜨거우므로 열이 방으로 흐른다. 열을 내준 냉매는 고압의 액체로 바뀐다.^[1] 실제 제품에서는 응축기를 뒤쪽, 바닥의 팬 옆, 외장 안쪽 등에 배치할 수 있다.

3. 가는 관에서 압력이 떨어진다

모세관은 가늘고 긴 배관이다. 냉매가 흐를 때 생기는 저항이 고압 쪽과 저압 쪽을 나눈다. 압력이 낮아지면서 일부 액체가 기체로 바뀌고, 차가운 액체·기체 혼합물이 증발기에 들어간다.^[1]

이 과정을 단순한 팽창 일로 계산하지 않는다. 이 그림의 감압 모형에서는 외부에 일을 하지 않고 주위와 열을 거의 주고받지 않는다고 두어, 단위 질량이 가진 에너지인 엔탈피가 유지된다. 기체로 바뀌는 비율은 낮아진 압력과 냉매의 물성으로 계산한다.^[3]

x는 기체의 질량 비율이다. 기체는 액체보다 밀도가 훨씬 낮으므로, 기체 질량이 33%라고 해서 관 부피의 33%만 차지한다는 뜻은 아니다. 상태 카드에서는 이 둘을 혼동하지 않도록 질량 비율을 표시한다.

4. 남은 액체가 내부의 열을 받으며 증발한다

증발기에서는 낮은 압력의 냉매가 내부보다 낮은 온도에서 끓는다. 액체가 기체로 바뀌는 데 필요한 열을 보관실에서 받아낸다. 기체로 돌아온 냉매는 압축기로 향하고, 같은 과정이 반복된다. 냉매를 사용할 때마다 버리거나 음식에 직접 뿌리는 구조가 아니다.^[1]

압축기 회전수를 높이는 실험에서는 냉매의 질량 유량이 늘어난다. 그러면 열교환기의 온도 차와 두 압력도 달라진다. 냉각량이 증가하더라도 소비전력이 같은 비율로 늘지는 않는다. 화면의 성능계수도 그 결과를 따라 변한다.

전기는 어디로 갈까?

한 주기를 돈 냉매의 상태가 되돌아오면, 방으로 내보낸 열은 내부에서 받아낸 열에 투입한 일을 더한 값이다. 단위 시간당 열량과 전력으로 쓰면 다음과 같다.^[4]

초기 조건의 모형은 내부에서 약 159 W를 받고 전력 약 68 W를 써서, 방에 약 227 W를 내보낸다. 성능계수는 약 2.32다. COP는 옮긴 열과 투입한 일의 비이므로 1보다 클 수 있다. 에너지 보존식은 그대로 성립한다.

열펌프와 같은 원리인가?

냉장고는 차가운 쪽에서 열을 빼내는 것을 이용한다. 열펌프 난방은 같은 순환에서 따뜻한 쪽으로 전달하는 열을 이용한다. 그러므로 같은 모형에서도 난방 성능계수는 냉각 성능계수보다 1만큼 크다.^[4]

자주 궁금해지는 것

역사

• 1834년제이컵 퍼킨스가 기계식 냉동 장치의 특허를 받았다.
• 1914년프레드 울프 주니어가 가정용 전기 냉장 장치 DOMELRE를 판매했다.
• 1925년일렉트로룩스가 Arctic을 인수하고 흡수식 냉장고 Model D를 출시했다.
• 1927년GE가 압축기를 상단에 둔 Monitor Top 냉장고를 내놓았다.

초기 냉장 장치는 자연 얼음을 넣어 둔 보관함을 대신했고, 냉동 기술의 발전으로 가정과 산업에서 저온을 유지하는 장치가 널리 쓰이게 되었다.^[7][8][9]

종류

순환 방식과 보관실의 공기 순환 방식은 서로 다른 분류다. 왕복 피스톤 외에도 압축기는 여러 구조를 쓸 수 있으므로, 모든 냉장고의 압축기가 이 그림처럼 생긴 것은 아니다.^{[2][8][10][11]}

응용

식품 보관용 냉장고와 냉동고, 냉장 진열장, 저온 물류에 냉동 기술을 사용한다. 에어컨도 냉매 순환으로 실내의 열을 외부에 옮긴다. 열펌프는 같은 원리를 난방과 냉각에 이용한다.^[4]

이 그림에 대하여

제품 Atlas는 폭 595 mm, 높이 1,853 mm, 깊이 644 mm급 단문 냉장고의 비율을 참고한 교육용 조립체다. 특정 제품의 내부 배관과 부품을 복제한 모형은 아니다.^[5] 압축기 Anatomy는 메커니즘이 보이도록 축과 실린더의 방향을 바꾼 작동 시험대다. 냉동 사이클 그림은 뒤쪽 장치를 옆으로 펼쳐 놓았다.

냉매는 R600a(이소부탄)다. CoolProp 8.0의 HEOS 물성에서 포화 압력, 밀도와 엔탈피를 표로 만들고, 표 사이의 값은 보간한다. 압축기에는 5.7 cm³의 행정 체적을 두었다. 체적 효율과 전체 압축 효율은 Secop TLX5.7KK.3 데이터시트의 −10°C 증발·55°C 응축 조건을 기준으로 맞췄다.^[3][6]

기본 실험은 실내 25°C, 초기 내부 4.5°C이며, 과열 최대 5 K와 과냉각 최대 3 K를 두되, 보관실·실내와의 온도 차가 작으면 이 값도 줄인다. 증발기와 응축기의 열전달도는 각각 10.5 W/K와 13 W/K, 내부 유효 열용량은 36 kJ/K로 둔 예시다. 제상, 습도, 실제 음식의 열 분포와 냉매 충전량은 계산하지 않는다. 압력 손실은 모세관 외에는 생략한다.

각 운전 시점에는 정상 상태의 냉동 사이클을 계산하고, 그 냉각량으로 내부 온도를 변화시킨다. 피스톤의 순간 압력은 간극 체적 4%와 지수 1.12의 폴리트로프 모형으로 계산한다. 정지 후 배관 압력이 평형에 이르는 과정과 실제 압축기의 시동 지연은 생략한다. 설명용 보호 동작으로 응축 온도가 70°C를 넘으면 모형을 정지시킨다. 실제 제품의 보호 제어를 재현한 것은 아니다. 인용한 압축기의 실제 속도 제어를 재현하지 않으며, 회전수 변화는 원리를 비교하기 위한 가정이다.

기계 동작은 1/100 속도, 내부 온도 변화는 45배 속도로 보여준다. 화면의 회전수·압력·열량은 표시 속도로 나눈 값이 아니다. 흐르는 점은 상태와 방향을 구분하는 표식이며, 실제 분자 수나 유속을 뜻하지 않는다. 일시정지는 그림의 시간을 멈추고, 회전수 0은 압축기를 정지시킨다. 동작 줄이기 설정에서는 한 행정씩 조작할 수 있다.

출처

• Danfoss — How a refrigerator works (냉매 순환과 온도 조절)
• Secop — Hermetic Compressors Basics (피스톤·밸브·모터와 압축기 구조)
• CoolProp — IsoButane / High-Level API (R600a 물성과 계산)
• OpenStax — Refrigerators and Heat Pumps (열량·일·성능계수)
• Samsung — RR39M71357F (제품 외형 치수 참고)
• Secop — TLX5.7KK.3 datasheet (5.7 cm³, 효율 기준점, 2011년)
• ASHRAE — Refrigeration Timeline (1834·1914년)
• Electrolux — History 1919–1929 (흡수식 냉장고)
• GE Appliances — History of Innovation (1927년)
• 미국 에너지부 — Thermoelectric Refrigerator 연구 (열전 냉각)
• Samsung — Direct Cool (자연 대류 냉각)