| 5: 냉매와 Mollier 선도 |
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에어컨의 원리를 논하자면 냉매(冷媒, refrigerant)라는 괴물을 피할 수 없게 되는 데 이는 사람에 비유하면 피와 같은 물질로 마치 혈액이 순환해서 사람이 활동하는 것과 같이 에어컨 속을 끊임없이 순환하여 에어컨이 제 구실을 할 수 있도록 해 주는 것이다. 기체와 액체를 통칭하는 개념의 이 유체 이론은 냉매에도 적용되는 데, 작동 유체(working fluid)가 에어컨에 흔히 사용되는 HCFC(Hydro Chloro Fluoro Carbon) 계열의 R-22(CHClF2, Monochlorodifluoromethane)인 경우는 다행스럽게도 에어컨의 사용 조건에서 고상의 상태가 존재하지 않는다. 즉 물과 달라서 영하에서도 고상이 아니라는 것이다(실제로 응고점은 영하 160도임). 이 냉매는 온도와 압력의 변화에 따라 액상과 기상의 상태로 변화하는 데, 정적 과정에서의 게이 뤼삭-마리오테의 법칙을 원용할 수 있다. 즉 P/T = C, 온도가 올라가면(내려가면) 압력도 올라가고(내려가고), 압력이 올라가면(내려가면) 온도도 올라가며(내려가며), 온도 압력 중 어느 하나가 일정하면 다른 하나도 일정한 상태를 유지하여 우리의 머리를 덜 복잡하게 만들어 준다. 그런데 온도가 변한다는 것은 앞장에서 고찰한 바와 같이 현열이 작용하는 상태로 상태 변화가 없는 것이고(단상 상태), 온도가 일정하다는 것은 잠열이 작용하는 것으로 상태가 변하는 것이다(2상 상태). 상태 변화는 전술한 바와 같이 기상, 액상을 반복하는 데 그래서 액냉매, 냉매 가스 등의 말이 나타나게 되는 것이다. 냉매가 실제 사용 조건에서 고상이 없다는 것은 적용에 있어 당연한 사실이다. 냉매가 얼어 버린다면 혈관과 같은 동관을 막아 터져 버릴 것이 뻔하기 때문이다. 에어컨의 원리에 있어 또 한 가지 이해해야 할 물리량은 엔탈피(enthalpy, 기호는 h 또는 I)이다. 이름부터 만만치 않은 이 물리량은 흔히 내부 에너지(internal energy)와 유동 에너지(flow energy)의 합으로 정의되는 데, 본디 일과 열은 동일 단위로 서로 전환 가능하고 따라서, 일, 열, 에너지, 엔탈피는 모두 비슷한 개념으로 이해해도 아직까지는 큰 무리가 없으리라 본다. 에어컨이 작동을 시작하면 봉입된 냉매는 압축기가 압축을 할 때, 실내외 열교환기를 통과할 때, 팽창 장치를 통과할 때 물리량의 상태가 변화하게 된다. 이를 이해하기 쉽도록 종축에 압력, 횡축에 엔탈피로 표현한 것이 바로 유명한 압력-엔탈피 선도(pressure-enthalpy diagram, P-h diagram)인데 Mollier가 처음 도시하였다. 여담이지만 Mollier는 엔탈피와 엔트로피(entropy, s, 이에 대한 개념 설명은 복잡하므로 생략)에 대한 선도(h-s diagram)도 주창하였기에 P-h 선도, h-s 선도를 모두 Mollier 선도(Mollier chart)라고 부른다. 그러나 특별히 구별할 필요가 있을 때에는 h-s 선도를 수증기에 대한 Mollier 선도, P-h 선도를 냉매에 대한 Mollier 선도라고 부른다.  그림 3에 P-h 선도를 나타내었다. 구역 I은 냉매가 액상인 상태(액냉매)이고, II는 2상(액상 + 기상), 즉 증기인 상태이며, III은 기상인 상태(냉매 가스, 과열 증기)이다. 특별히 2상인 상태는 포화 상태라고 표현하는 데 이에 대한 설명은 후술하겠다. 라인 AK를 따라서 액상과 2상이 경계되므로 이 라인을 포화액선이라 부른다. 동일한 이유로 라인 BK를 포화 증기선이라고 한다. 라인 AK와 BK가 만나는 K점은 포화액선과 포화 증기선이 만나는 점으로 이 때의 냉매 상태는 이론적으로는 액상, 액상 + 기상, 기상의 3가지가 교차되는 점이 된다. 이 점을 특별히 임계점(臨界点, critical point)이라고 하는 데 실제적으로는 존재할 수 없는 상태이다. 이는 마치 물이 고상, 액상, 기상을 공유하게 되는 이론적인 삼중점(三重点, triple point)과 같이 설명되기도 한다. 마지막 이론으로 건도(乾度, dryness fraction, degree of dryness) 또는 질(質, quality)의 개념을 살펴 보겠다. 건도는 작동 유체의 상태를 수치로 표현한 것으로 액상일 때는 0 이하, 증기(2상)일 때는 0에서 1, 기상(과열 증기)일 때는 1 이상으로 정의된다. 이와 유사한 개념으로 증기 상태에서 적용되는 습도(濕度, wetness fraction)라는 것이 있는 데, 일반적으로 x로 표시되는 건도에 대해 1 - x의 수치가 그 값이 된다. 즉 건도 0.3인 작동 유체의 습도는 1 - 0.3 = 0.7이 된다. 요약하면 그림 3에서 다음과 같은 표를 도출할 수 있다.
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