열기관, 냉동기 및 열펌프의 개념과 종류

열기관

높은 온도의 열원으로부터 열을 공급받아 일부의 열을 상대적으로 낮은 온도의 열원으로 전달하고 일을 발생시키는 장치를 열기관(heat engine)이라 한다.

열기관은 일반적으로 다음과 같은 특징을 가진다.

  1) 사이클로 작동한다.

  2) 높은 온도의 열원(heat source; 연소, 태양에너지, 핵반응 등)으로부터 열을 받는다.

  3) 받은 열의 일부를 일로 변환한다.

  4) 낮은 온도의 열 침전원(heat sink; 강, 대기 등)에 남은 열을 방출한다.

하나의 열원과의 열교환만으로 작동하는 열기관은 없으므로 열기관을 구성하기 위해서는 최소한 두 개의 열원이 필요하다. 열기관은 고온열원으로부터 열을 공급받아서 일을 하고 저온열원으로 나머지 열을 방출한다. 공급된 열량에 대하여 열기관이 하는 일의 비를 열기관의 열효율(thermal efficiency)이라 한다. 열기관의 열효율은 1보다 작다.

 

카르노 사이클, 카르노 열기관

두 열원으로 구성되는 사이클 중에서 열효율이 최대인 사이클을 카르노 사이클(Carnot cycle)이라 하고, 이 사이클에서 작동하는 열기관을 카르노 열기관이라 한다.

카르노 사이클은 다음 네 과정으로 구성된다.

  1) 가역 등온팽창 : 고온열원과 접촉하여 기체가 서서히 팽창하는 과정

  2) 가역 단열팽창 : 주위와 열교환이 없이 기체는 주위에 일을 하면서 팽창하는 과정

  3) 가역 등온압축 : 저온열원과 접촉하여 기체가 압축되면서 열을 방출하는 과정

  4) 가역 단열압축 : 기체는 가역적인 방법으로 압축되어 초기상태로 되돌아가는 과정

작업유체(working fluid)가 여러 가지 변화를 거쳐 다시 처음 상태로 되돌아가는 일련의 과정을 사이클(cycle)이라 하고, 사이클을 구성하는 모든 과정이 가역인 사이클을 가역 사이클(reversible cycle)이라 한다. 카르노 사이클(Carnot cycle)은 주어진 두 열원 사이에서 존재하는 열기관 사이클 중 가장 효율이 좋은 이상적인 가역 사이클이다. 카르노 기관은 1824년 프랑스의 물리학자 카르노(Sadi Carnot)가 제시하였는데 열기관의 작업유체로 이상기체를 사용한 이상적인 열기관이다.

카르노 기관의 열효율은 작업유체의 종류와는 무관하고 고온열원과 저온열원의 온도만으로 결정되면, 효율을 높이기 위해서는 두 열원의 온도 차이를 크게 해야 한다. 그러나 저온열원은 온도가 절대온도 0K는 될 수 없으므로 열효율 100%인 열기관은 존재하지 않는다. 실제 열기관의 효율은 마찰 등의 비가역적인 요인에 의한 손실 때문에 카르노 사이클의 효율보다 언제나 작다.

 

냉동기와 열펌프

냉동기

높은 온도의 물체로부터 낮은 온도의 물체로 흐르는 열전달 과정은 어떠한 장치도 없이 자연적으로 일어난다. 그러나 낮은 온도의 물체로부터 높은 온도의 물체로 열을 전달하기 위해서는 특별한 장치가 필요한데, 이와 같은 일을 하는 장치를 냉동기(refrigerator)라 한다. 냉동기도 열기관처럼 사이클 장치이며 냉동 사이클에 사용되는 작업유체를 냉매(refrigerant)라 한다.

냉동 사이클은 열기관 사이클을 역으로 작동시킨 것으로 생각할 수 있다. 냉동기에서 저온열원은 냉각실에 해당되고, 냉동기의 목적은 냉각실로부터 열을 제거하는 것이며 이를 위하여 일을 투입해야 한다. 열기관의 열효율과는 달리 냉동기의 성능계수는 1보다 큰 값이 될 수 있다.

 

열펌프

냉동 사이클의 방열부 열을 목적으로 사용할 때 이 장치를 열펌프(heat pump)라 한다. 열펌프는 일을 투입하여 외부로부터 열량을 흡수하고 나머지 열량을 방출하여 실내 등의 난방을 하는 장치이다. 이상적인 열펌프의 성능계수는 항상 1보다 크다.

 

카르노 냉동기, 카르노 열펌프

카르노 사이클은 가역 사이클이므로 사이클의 모든 과정을 역으로 되돌릴 수 있다. 역 카르노 사이클의 P - V 선도는 과정의 방향이 역이라는 점을 제외하고는 카르노 사이클의 P - V 선도와 같다. 이와 같이 역 카르노 사이클로 작동하는 냉동기와 열펌프를 각각 카르노 냉동기와 카르노 열펌프라 한다.