압축기·응축기·팽창밸브·증발기의 역할

개념과 원리

증기압축식 냉동장치의 기본 구성은 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기입니다. 네 기기는 각각 역할이 다르지만 하나의 폐회로를 이루며 냉매를 계속 순환시킵니다. 기기의 이름만 외우기보다 냉매의 압력·온도·상태가 어떻게 변하는지를 함께 이해하는 것이 중요합니다.

① 압축기: 증발기에서 나온 저압의 냉매증기를 흡입하여 고압·고온의 냉매증기로 압축합니다. 냉매를 순환시키고 저압측과 고압측의 압력차를 유지하는 핵심 장치입니다. 압축 과정에서는 외부에서 일이 공급되므로 냉매의 엔탈피가 증가합니다.

② 응축기: 압축기에서 나온 고온·고압 냉매증기가 외기나 냉각수에 열을 방출하여 액체로 응축되는 곳입니다. 응축기에서 방출하는 열은 증발기에서 흡수한 열에 압축기에서 공급된 일이 더해진 값입니다.

③ 팽창밸브: 응축기에서 나온 고압의 액냉매를 교축하여 저압으로 낮추고, 증발기에 필요한 냉매량을 공급합니다. 표준 냉동사이클에서는 팽창밸브 전후를 등엔탈피 과정(h₃=h₄)으로 봅니다. 압력이 낮아지면서 냉매의 일부가 순간적으로 증발하여 저온의 액·증기 혼합상태가 됩니다.

④ 증발기: 저온·저압의 냉매가 냉각 대상의 열을 흡수하면서 증발하는 열교환기입니다. 이때 냉매가 흡수한 열이 실제 냉각에 이용되는 냉동효과입니다.

정리하면 압축기는 압력을 높이고, 응축기는 열을 방출하며, 팽창밸브는 압력을 낮추고, 증발기는 열을 흡수합니다. 이 네 역할을 기준으로 생각하면 냉동사이클 문제의 상태점과 엔탈피 관계를 훨씬 쉽게 판단할 수 있습니다.

그림·공식 정리

냉동사이클의 네 가지 주요 기기는 냉매의 압력과 상태를 바꾸며, 냉각 대상에서 흡수한 열을 실외로 이동시킵니다.

냉동사이클 네 구성기기의 역할 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 순환하는 냉매의 상태 변화와 열의 이동 압축기저압 증기를 압축→ 고압·고온 증기 응축기열을 실외로 방출→ 고압 액체 팽창밸브냉매를 감압→ 저압·저온 냉매 증발기냉각 대상의 열을 흡수→ 저압 증기 저압 증기 고압·고온 증기 고압 액체 저압·저온 냉매 냉각 대상의 열 유입 실외로 열 방출 냉매가 순환하며냉각 대상의 열을 실외로 이동압축 → 응축 → 팽창 → 증발
한 줄 정리 압축기는 압력 상승, 응축기는 열 방출, 팽창밸브는 감압, 증발기는 열 흡수를 담당합니다.

풀이에 적용하기

상태 1을 압축기 입구, 상태 2를 압축기 출구, 상태 3을 응축기 출구, 상태 4를 팽창밸브 출구라고 하겠습니다. 엔탈피가 h₁=410, h₂=455, h₃=h₄=260 kJ/kg이라면 각 기기의 역할을 엔탈피 변화와 연결할 수 있습니다.

압축기: h₂-h₁=455-410=45 kJ/kg의 일이 냉매에 공급됩니다.

응축기: h₂-h₃=455-260=195 kJ/kg의 열을 외부로 방출합니다.

팽창밸브: 교축과정이므로 h₃=h₄=260 kJ/kg으로 계산합니다.

증발기: h₁-h₄=410-260=150 kJ/kg의 열을 냉각 대상에서 흡수합니다.

따라서 응축기 방열량 = 냉동효과 + 압축일량 = 150+45=195 kJ/kg이 되어 에너지수지가 일치합니다.

실기시험에서는 기기 명칭을 묻는 문제뿐 아니라 P-h 선도, 냉동능력, 압축동력, 응축기 방열량 계산에도 이 관계가 그대로 사용됩니다. 상태번호보다 각 기기의 입구와 출구가 어디인지를 먼저 확인하는 습관이 중요합니다.

헷갈리는 부분

① 압축기는 액냉매를 압축하는 장치가 아닙니다.
일반적인 증기압축식 냉동사이클에서 압축기는 냉매증기를 압축합니다. 액냉매가 압축기로 유입되는 액압축은 압축기 손상의 원인이 될 수 있습니다.

② 응축기에서는 단순히 냉매를 액체로만 만드는 것이 아닙니다.
냉매가 응축하면서 증발기에서 흡수한 열과 압축기에 의해 더해진 에너지를 외부로 방출합니다.

③ 팽창밸브는 냉매를 적극적으로 냉각시키는 열교환기가 아닙니다.
교축을 통해 압력을 낮추어 낮은 증발온도를 만들 수 있는 조건을 형성하는 장치입니다. 표준 문제에서는 전후 엔탈피가 같다고 봅니다.

④ 증발기와 응축기의 열 이동 방향을 반대로 외우지 마세요.
증발기는 냉각 대상에서 열을 흡수하고, 응축기는 외부로 열을 방출합니다.