최초의 에어컨
여담이지만, kbs 건물은 4층이 가장 시원하다고 합니다. 여기에 라디오 기계 장치들이 많아서 이를 위해서 에어컨이 24시간 돌아간다는 거죠. 그런데 실제로 최초의 에어컨도 사람이 아닌 기계를 위해 만들어졌다고 합니다. 1902년 미국의 윌리스 캐리어에 의해 처음 등장했습니다. 사실 에어컨이 처음 개발된 건, 사람을 위해서가 아니었다고 합니다. 정확히 말하자면, 인쇄물과 옷감을 위해서였지요. 1902년, 미국 뉴욕에 위치한 한 인쇄소에서는 캐리어가 일하던 회사에 ‘습도를 조절할 수 있는 장치’를 의뢰합니다. 뉴욕은 허드슨강과 바다를 끼고 있어 습기가 많은 지역인데, 여름만 되면 엄청난 습기 덕에 잉크가 번져 인쇄물이 엉망이 되는 일이 자주 일어났습니다. 이로 인해 손해가 막심했던 인쇄소는 공기 중의 습기를 조절할 수 있는 기계 제작을 의뢰했고, 캐리어는 무덥고 습한 공기를 끌어들여 습기를 제거한 뒤 다시 내보내는 장치를 고안해 냅니다. 세계 최초로 공기를 인위적으로 변화시키는 장치를 만들어낸 셈이죠. 그러던 그에게 1906년에 사우스 캐롤나이나의 한 방적 공장에서 다시 의뢰가 들어옵니다. 당시 방적 공작에서는 천을 짜는데 쓰는 방추(紡錘)가 움직이면서 생기는 마찰열이 자꾸 쌓이다가, 결국 열이 너무 높아 기계가 고장나는 일이 자주 일어났습니다. 것이었다. 그래서 방적공장에서는 마찰열을 제거할 냉각 기계를 필요로 했고, 캐리어는 기화열을 이용해 공기 의 온도를 낮출 수 있는 기계, 즉 공기냉각기계를 만드는데 성공합니다. 이에 자신감을 얻은 캐리어는 독립하여 회사를 차리고, 1915년부터 자체적으로 에어컨을 생산하게 됩니다. 이 것이 바로 ‘캐리어 에어컨’의 시작이지요.
찬 공기 만들기
이 얘기를 하려면 얼음 이야기부터 해야 합니다. 예전부터 사람들은 추울 때 얼음을 얼렸다가 겨울에 사용햿습니다. 우리나라에서도 서빙고 동빙고 같은 얼음 저장 창고들이 있었지요. 미국에서도 19세기 초반에 미국 뉴잉글랜드 지방의 언 호수에서 얼음 덩어리들을 잘라내어 인도나 오스트레일리아로 수출까지 하였다고 한다. 그러다가 눈이나 얼음 조각에 소금을 넣으면 온도가 더욱 내려간다는 사실을 찾아내어 식품을 냉동시키는데 이용하기도 했습니다. 이처럼 얼음에 섞어서 온도를 더욱 낮추는 물질을 기한제(freezin mixture)라고 합니다. 그러다가 1830년대 얼음을 만드는 '기계'가 나오게 됨으로써 천연 얼음을 사용하는 시대는 끝을 맺습니다. 이 때의 얼음 기계는 증기로 구동되는 아주 큰 공장으로 암모니아를 냉매로 이용해 얼음을 만들었습니다.
암모니아의 정체
암모니아는 질소 1개와 수소 3개가 결합된 강알칼리성 화합물로, 매우 독한 냄새에 단백질을 녹이는 작용 때문에 인체에는 치명적인 물질입니다. 암모니아는 녹는점이 영하 77도, 끓는점이 영하 34도 정도로 다른 기체에 비해서는 높은 편이긴 합니다. 암모니아는 일반적으로 실온에서 기체 상태로 존재합니다만 약간만 압축해도 바로 액체로 변하고, 물에도 대단히 잘 녹아 액체로 만들기가 쉽습니다. 일반적으로 물체의 상체를 고체-액체-기체로 나누는 기준은 분자들 사이의 거리에 있습니다. 분자들 사이의 거리가 좁아서 움직이는 게 어려울 정도면 고체, 거리가 적당해서 형태는 이루지만 흐를 정도로 변형이 쉬우면 액체, 거리가 너무 많이 떨어져서 자유롭게 돌아다니면 기체입니다. 그런데, 이 때 분자들의 사이를 떨어뜨리는데 필요한 에너지가 바로 열에너지입니다. 그래서 열 에너지가 부족해 얼어 있던 얼음을 가열하면 물이 되고, 다시 가열하면 수증기가 됩니다. 반대로 수증기가 식어서 열에너지를 발산하면 물이 됩니다. 그러니까 액체가 기체가 되려면 주변의 열을 흡수해야 하지만, 기체가 액체가 될 때는 반대로 열을 방출합니다. 암모니아의 경우, 압력을 가해 응축시키면 분자간의 거리가 줄어들면서 기체가 액체로 변합니다. 이런 암모니아 액체를 다시 보통 기압 하에 내보내면 암모니아 액체는 실온에서 자연스러운 형태인 기체 상태로 바뀌게 되고 이 과정에서 주변의 열을 흡수해 기온이 낮아집니다.
에어컨의 원리
에어컨의 원리도 기본적으로 기화열을 이용하는 것입니다. 젖은 옷을 입고 있으면 몸이 서늘해지는 느낌이 듭니다. 젖은 옷의 물기가 마르면서 피부로부터 기화열을 빼앗아 가기 때문입니다. 에어컨도 기본적으로 이 원리를 이용합니다. 기체 상태의 냉매 가스를 인위적으로 강한 압력을 주어 응축시켜 액체로 만든 뒤, 다시 냉매가 기화되면서 주변의 열을 흡수하면 그 때 차갑게 식은 공기를 밖으로 내뿜어 주는 것이죠. 그리고 이렇게 기화된 냉매 가스는 다시 압축기를 이용해 응축시켜 액체로 만드는 과정을 반복합니다. 냉매가 액체에서 기체로 될 때 열을 흡수해야 하듯, 기체가 액체로 변할 때는 열을 방출해야 합니다. 그래서 이 과정을 수행하는 에어컨 실외기에서는 열기가 뿜어져 나오지요. 에어컨 실외기를 반드시 외부에 설치해야 하는 이유도 이 때문입니다. 초반에는 냉매가 모두 암모니아였지만, 암모니아는 앞서 말했듯이 유독성 물질인데다가 암모니아 자체가 화약의 원료가 되는 물질이기 때문에 종종 가스가 새어서 폭발 사고나 중독 사고가 나는 경우가 종종 있었습니다. 그래서 좀더 안전하고 다루기 쉬운 냉매를 찾다가 나온 것이 바로 프레온 가스였습니다만, 프레온가스는 오존층 파괴 문제를 일으켰지요.
일반적인 냉매의 조건
1) 저온서 증발압력이 대기압보다 높고, 상온서 응축압력이 낮을 것
2) 동일한 냉동능력을 내는 경우에는 소요동력이 적을 것.
3) 증발잠열이 크고 액체의 비열이 작을 것.
4) 임계온도가 높고 응고온도가 낮을 것.
※ 임계온도 : 액화가 가능한 최고의 온도를 말한다.
5) 동일한 냉동능력을 내는 경우에 냉매 가스의 비체적이 작아야한다.
6) 화학적으로 안정하고 냉매증기가 압축열에 의해 분해되지 않아야 할 것
7) 액상 및 기체상의 점도는 낮고, 열전도도는 높아야 한다.
8) 불활성으로서 금속 등과 화합하여 반응을 일으키지 않고 윤활유를 열화시키지 말아야 한다.
9) 전기 저항이 크고 절연파괴를 일으키지 않을 것
10) 인화성 및 폭발성이 없고 인체에 무해하며 자극성이 없을 것
11) 가격이 저렴하고 운반과 구입이 용이해야한다
12) 오존층 붕괴와 지구 온난화에 영향을 주지 않아야한다.
상기와 같은 구비조건을 만족하는 이상적인 냉매는 사실 존재하지 않는다는게 문제입니다. 따라서 냉동/공조 설계시 적용 냉매를 선정할 때는 압축기의 종류, 증발온도와 압력 및 응축온도와 압력 등의 열역학적 모든 조건에 따라 장치의 성능을 신중히 고려해 탄화수소냉매(Hydrocarbon), 암모니아, 물, 공기, 이산화탄소, 아황산가스 등 다양한 냉매를 사용하고 있습니다. 이를 충족시키는 냉매가 개발된다면 더욱 시원한 여름을 맞이할 수 있지 않을까요?