카르노냉동사이클

냉동사이클의 효율을 연구하는 데 있어서 열역학적인 가역 사이클의 원리가 매우 중요합니다. 열역학적 가역 사이클은 다음과 같은 두 개의 중요한 특징을 가지고 있습니다.

 

1. 저열원과 고열원의 온도가 각각 동일하게 운전되는 경우 가역 사이클보다 높은 효율을 갖는 냉동사이클은 존재하지 않는다.

2. 저열원과 고열원이 각각 동일한 온도에서 운전되는 모든 가역 냉동사이클의 효율은 동일하다.

 

카르노사이클은 두 개의 정해진 온도 사이에서 작동할 때 최대의 효율을 얻을 수 있는 이상적인 가역 사이클입니다. 열기관에서의 카르노 사이클은 고온의 열원에서 에너지를 곧 급 받아 일부는 일로 변환하고 나머지는 저온의 열원으로 방출하는 동력 사이클입니다. 하지만 냉동기와 열펌프는 저온의 열원에서 열을 흡수한 후 고온으로 열을 이동시켜야 하므로 일이 요구되는 사이클입니다. 그러므로 냉동기나 열펌프의 이상적인 가역 냉동사이클은 역 카르노 사이클이 됩니다. 그래서 일반적으로 역카르노사이클을 카르노냉동사이클이라 부르기도 합니다.

카르노 냉동사이클은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 이루어져 있습니다. 카르노 냉동사이클에서는 등온 과정을 통하여 저온의 증발 온도에서 열을 흡수하고, 등온 과정을 통하여 고온의 응축 온도에서 열을 방출합니다. 두 개의 단열 과정은 압축기에서의 단열 압축, 그리고 터빈에서의 단열 팽창으로 구성되며, 이들은 모두 가역 과정이므로 단열 과정은 등 엔트로피 과정이 됩니다. 카르노냉동사이클은 모두 가역 과정으로 구성되어 있어 실제 냉동 시스템의 사이클보다 높으며 이상적인 사이클입니다.

냉방이 목적인 경우에는 카르노냉동사이클의 COP(c)는 등 엔트로피 팽창 및 압축으로 이루어져 있으므로 증발기와 응축기의 온도만의 함수로 나타낼 수 있습니다.

 

카르노 냉동사이클의 성능 계수를 향상하기 위해서는 응축 온도를 낮추어야 하며 증발 온도는 높여야 합니다. 이론적으로는 응축 온도와 증발 온도의 차이를 감소시키면 성능 계수를 무한대로 증가시켜갈 수 있습니다. 그러나 냉동장치의 작동 온도 범위가 존재하므로 성능 계수를 향상하는 데는 온도의 한계성이 존재합니다. 예를 들어 냉장고의 경우 냉동실을 -20도, 외기온도를 30도로 유지한다면 운전조건의 범위에 의하여 카르노사이클의 최소 응축 온도 및 최대 증발 온도의 한계성이 발생하게 됩니다. 주위로 방열하는 과정에서 냉매의 온도는 최소한 주위 온도보다 높아야 하므로 응축 온다가 30도보다 낮아질 수는 없는 것 이죠.