공조냉동기계기술사 134회, 1교시, 9번, 이원냉동사이클(Two-stage Cascade Refrigeration Cycle)에 대하여 설명하시오.

 

 

1. 문제

 

 

2. 이원냉동사이클

이원 냉동 사이클(Two-stage Cascade Refrigeration Cycle)은 서로 다른 두 개의 냉매를 사용하는 이단 계단식 냉동 사이클입니다. 주로 극저온이 필요한 환경에서 사용되며, 하나의 단일 냉매로 달성하기 어려운 낮은 온도를 효과적으로 얻을 수 있습니다.

 

주요 특징

 

• 두 개의 독립적인 냉동 사이클이 서로 연결되어 있음
• 고온 사이클(상부 사이클)과 저온 사이클(하부 사이클)로 구성됨
• 열교환기(중간 열교환기, Cascade Heat Exchanger)를 통해 두 사이클이 연결됨
• 서로 다른 두 개의 냉매를 사용하여 성능을 최적화

 

동작 원리

고온 사이클(상부 사이클)

 

• 일반적인 냉동 사이클과 유사하며, 냉매가 압축기에서 고온·고압의 상태가 됨
• 응축기를 통해 열을 방출하여 액체 냉매로 변환됨
• 팽창밸브를 지나면서 저온·저압 상태로 변화
• 이 냉매가 중간 열교환기에서 저온 사이클의 응축기를 냉각함

 

저온 사이클(하부 사이클)

 

• 중간 열교환기를 통해 고온 사이클에서 방출한 냉기로 응축됨
• 팽창밸브를 지나면서 더욱 낮은 온도로 변화
• 증발기를 통해 극저온 환경을 유지하고, 기체 냉매가 다시 압축기로 이동하여 반복

 

장점

 

• 극저온 실현 가능 (예: -80℃ 이하)
• 단일 냉매 사용 시보다 에너지 효율 증가
• 서로 다른 냉매를 사용하여 최적의 냉동 성능 제공
• 고온·저온 사이클을 분리하여 압축기의 부하 감소

 

단점

 

• 복잡한 시스템 구성으로 인해 초기 설치 비용 증가
• 두 개의 압축기 및 냉매 관리 필요 → 운영 및 유지보수 비용 상승
• 적절한 냉매 선택이 필요함

 

주요 적용 분야

 

• 극저온 냉동 시스템 (예: 실험실, 초저온 보관시설)
• 화학 및 가스 산업 (예: 액화천연가스(LNG) 처리)
• 초전도체 냉각
• 항공우주 및 전자 부품 냉각

 

 

이상으로 풀이를 마치도록 하겠습니다. 

힘내세요!