항공기에 에어컨 바람이 나오는 원리

안녕하세요 Eric입니다. 우리가 비행기를 타면 시원한 에어컨 바람이 나옵니다. 이번에는 항공기에서 에어컨 바람은 어떻게 생성되는지 알아보도록 하겠습니다.

1. 열역학 제 1법칙

먼저 단열 압축 와 단열 팽창에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 단열이란 말은 열의 이동을 막는다는 뜻으로 열의 출입이 없는 상태에서 순수하게 공기를 압축시키면 단열압축, 반대로 공기를 팽창시키면 단열 팽창이라고 합니다. 단열 압축을 하면 공기 온도가 올라가고 단열팽창을 하면 공기 온도가 낮아집니다.

P-V 선도

이런 현상이 일어나는 이유는 열역학 제 1법칙 때문입니다. 간단하게 정리하면 공기의 열에너지는 부피 더하기 온도입니다. 만약 단열이 된 상태라면 외부에서 열이 들어오거나 혹은 내부의 열이 바깥으로 빠져나갈 수 없는 상태이기 때문에 공기의 열에너지는 항상 일정하게 유지되어야 합니다. 때문에 부피가 커지게 되면 온도가 떨어져야 되고 반대로 부피가 작아지면 온도가 올라가야 합니다. 한가지 예로 뜨거운 음식을 먹을 때 '호호' 불면서 먹는데 여기서 이용되는 것이 바로 단열팽창입니다.

입김 속 열역학

입으로 내뱉는 공기 온도는 체온과 같습니다. 하지만 '호'하고 불게 되면 공기가 좁은 입을 빠져나오면서 단열 팽창이 일어나게 되고 이로 인해 공기 온도가 떨어져 찬 바람이 나오는 것입니다. 실제로 손바닥에 '호'하고 바람을 불면 꽤 차갑다는 것을 느끼실 수 있습니다. '호' 불면서 입을 점점 크게 만들어 보면 바람 속도가 작아지면서 온도가 점점 따뜻해짐을 알 수 있습니다. 우리가 추운 겨울에 손을 녹이기 위해 '호'하고 불지 않고 '하'면서 공기를 내뿜는 이유는 단열팽창을 최소화하기 때문입니다.

2. 엔진 압축기의 고온고압 공기 활용

블리드 에어는 엔진 압축기 혹은 APU 압축기에서 뽑아낸 고압의 공기를 의미합니다. 단열압축을 위에서 보았듯이 블리드 에어는 압축된 공기이기 때문에 매우 뜨겁습니다. 그렇다면 온도를 낮출 수 있는 가장 쉬운 방법은 무엇일까요? 팽창으로 블리드에어의 온도를 낮춘다고 해서도 원래 공기의 온도 이하로 내려가지 않습니다. 바로 블리드 에어를 외부 공기로 식혀서 팽창시키는 것입니다. 한여름에 아무리 더워도 외부 공기는 블리드 에어보다는 상대적으로 차갑습니다. 따라서 외부 공기를 이용해 블리드에어를 식힐 수 있습니다. 이렇게 식힌 공기를 팽창시키면 압축되기 전의 공기 온도보다 더 떨어지게 됩니다. 이러한 원리를 이용한다면 에어컨 바람을 만들 수 있는 있습니다.

Air system

또한 지상보다는 공중에서 에어컨이 더 잘 작동합니다. 고도가 올라갈수록 외부 공기 온도가 더욱더 차가워지기 때문입니다. 외부 공기를 밖에서 가져올 수 있도록 통로를 만들고 열교환기를 설치해 뜨거운 공기를 효율적으로 식힐 수 있도록 합니다. 여기서 블리드에어를 바로 식힐 수도 있겠지만 압축기를 통해 공기를 더 높은 온도로 만들어서 식히는 효과가 극대화가 됩니다. 그리고 이렇게 식힌 공기는 터빈을 통해 팽창시켜 줍니다. 참고로 이렇게 압축과 팽창시키는 부분을 ACM: Air Cycle Machine이라고 합니다.

3. 온도 조절 방법

그런데 블리드 에어가 뜨거워서 압축시키기란 쉽지 않습니다. 공기는 뜨거울수록 밀도가 떨어지기 때문입니다. 공기를 차갑게 식혀주면 밀도가 증가하고 이로 인해 더 많은 공기를 압축기 넣을 수 있어 결론적으로 압축효율을 증가시킬 수 있습니다. 외부 공기와 열교환기를 이용해 블리드 에어를 식혀 줍니다. 이것이 바로 Pressurized Air Conditioning Kit 통칭 팩(PACK)입니다. 하지만 문제는 이 팩에서 나온 공기 온도는 영하 혹은 0에 가까울 정도로 매우 차갑습니다. 이것을 그대로 기내 공급하면 너무 춥습니다. 블리드 에어의 일부를 때어내어 적절히 섞어서 기내 공급합니다. 에어의 비율에 따라 공기온도가 조절되어 기내에 공급되는 것입니다. 보통 비행기에는 이러한 팩이 두 개씩 설치되어 있어 하나가 고장 나도 다른 하나가 그 역할을 수행할 수 있도록 합니다.

PACK

4. 엔진출력에 영향을 끼치는 PACK

하지만 이 팩(PACK)은 엔진 연소에 사용할 공기의 일부를 빼내서 사용하기 때문에 추력에 영향을 줍니다. 그래서 이륙 시에 팩을 끄고 이륙합니다. 이것을 PACK OFF라 합니다. 동남아를 예로 들어보겠습니다. 동남아에 날씨는 덥고 날씨가 더우면 온도가 높고 온도가 높으면 공기의 밀도가 떨어져 엔진출력이 감소합니다. 보잉 737, 에어버스 380 같은 소형여객기의 경우 동남아는 비교적 원거리 속하기 때문에 연료도 많이 싣고 인기있는 노선이라 대부분 만석입니다. 그러면 비행기는 무거운 상태입니다. 그리고 활주로 마저 짧은 공항이러면 어떨까요? 조종사는 이륙하기 전에 기상과 비행기에 무게 그리고 활주로를 고려한 이륙 성능을 계산합니다.

이륙경로

만약에 계산 값이 충분치 못하면 이륙을 할 수 없습니다. 그런데 PACK OFF로 계산하면 이륙 성능이 증가해 이륙이 가능할 수 있습니다. 팩은 블리드에어를 사용하기 위해 엔진의 압축기에서 공기를 빼냅니다. 만약 팩을 끄게 되면 팩에 쓰려했던 블리드 에어만큼 압축기의 공기가 남아 있게 됩니다. 그래서 압축기의 모든 공기가 그대로 엔진으로 들어가 연소되어 엔진의 출력이 향상되는 것입니다. 영혼까지 끌어모은 최대 이륙 성능이라고도 할 수 있습니다. 그런데 이렇게 팩을 끄면서 이륙을 하면 잠깐이라도 기내가 더워 불쾌해 질 수 있습니다. 팩을 끄지 않고도 이륙 성능을 낼 수 있는 다른 방법이 있는데 바로 엔진의 블리드 대신 APU 블리드를 이륙할 때까지 사용하는 방법입니다. 물론 APU가 고장났다면 할 수 없이 PACK OFF 해야 합니다. 이륙 시 엔진의 최대출력을 사용하지만 상승 중에는 보다 적은 적정수준의 출력을 사용합니다. 팩을 끄거나 APU 블리드를 이용해 이륙했다면 상승 중에 이륙 출력에서 상승 출력으로 줄여주고 나서 팩을 다시 켜주거나 혹은 APU를 꺼주게 됩니다.