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최근 초저온 시장의 활성화에 단단 혼합 냉매 줄-톰슨 냉동기(SMR J-T)의 상당한 발전이 있었다. 줄-톰슨 냉동기에서 Brodyanskii et al.¹⁾은 혼합 냉매를 처음 사용하였으며, 냉각기에 사용되는 냉매는 주로 비등점이 매우 낮은 냉매이다. 고압 2.0 –3.0 MPa, 저압 0.1–0.4 MPa에서의 SMR J-T 시스템은 손쉬운 제조와 부품의 중요한 가공이 필요 없고 다른 냉동기와 비슷한 냉동 효과, 적당한 압축비, 최소 진동, 높은 신뢰성 및 적은 비용 등의 많은 장점을 가지고 있다.^2-6)

비가연성 SMR J-T 냉동기의 연구에는 Boiarski et al.⁷⁾은 비가연성 혼합 냉매와 가연성 혼합 냉매 간의 성능 비교를 보여 주었으며, Khatri와 Boiarski⁸⁾는 비가연성 혼합 냉매를 사용하여 80~150 K의 온도 범위에서 SMR J-T 냉각기와 관련된 실험 및 모델링 작업을 보고했다. Dobak et al.⁹⁾은 110～190 K의 온도 범위에서 소형 혼합 가스 냉동 시스템에 사용되는 일부 비가연성 혼합물에 대한 특허를 획득했다. 그러나 이는 많은 부분의 가연성 냉매를 포함하고 있어 안전성에 문제가 있을 수 있다. 게다가 현재 국내 S사에서 평택공장을 증설 중에 있는데, 여러 반도체 기업의 투자에 따라 수많은 냉동기의 수요가 생길 것이며, SMR의 경우, LNG 액화에서의 연구 외에는 많은 연구가 없으며, 특히 비가연성 혼합 냉매에 대한 연구가 부족한 현실이다.

본 연구에는 시뮬레이션을 통해 비가연성 혼합 냉매의 열역학적 분석을 통해 170~200 K의 온도 범위에서 5성분계 R-134a, R-404A, R-116, R-23, R-14의 혼합 냉매의 조성비를 최적화하였다. 이를 통해 각 냉매의 조성에 따른 냉동 성능 특성들에 대해 분석하였으며 각 냉매의 특성에 대해 분석하였다.

본 연구에서는 R-245fa, R-134a, R-404A, R-23, R-14를 이용하여 Fig. 6와 같이 일정한 엔탈피 차가 나도록 열역학적으로 분석하였다. 그 이유는 일정한 엔탈피 차는 온도 강하 시간 감소에 큰 영향을 주며 시스템의 정상화에 큰 변수가 될 수 있다. 이러한 분석과 HYSYS 시뮬레이션을 통해 중간 열교환기의 온도차를 일정하게 설정하였고, 이와 더불어 압축기의 토출 온도 및 압력을 분석하여 여러 가지의 조성 비율을 찾았다.¹²⁾

Fig. 6 
COP_Ⅱ variation with High Pressure

Fig. 6은 고압의 변화에 따른 제2법칙 효율을 나타낸 그린 그래프이다. 고압이 증가함에 따라 냉동 효과와 압축기 토출 온도가 증가한다. 이는 같은 압축기 성능에서 고압이 증가할수록 유량과 냉각 능력은 둘 다 증가하지만 저압 0.25 Mpa일 때 가장 많이 증가했으며, 이는 R-14의 엔탈피 차가 두 압력일 때 가장 크기 때문이며 저압 0.2MPa, 고압 2 MPa일 때와 비교하여 최대 40%가량 증가했다. 저압 0.21 MPa일 경우 2.5 MPa를 넘어갈 경우, 압축 일량의 변화량이 급격하게 늘어나 성능 계수 또한 감소하는 경향을 보였으나 나머지의 경우, 압력이 상승할수록 성능 계수가 올랐다.

Fig. 7은 고압의 변화에 따른 압축기 토출 온도의 그래프이다. 압축기 토출 온도는 압축비에 따라 급격하게 상승하며 저압 0.25 Mpa일 때, 고압은 2.5 MPa 이하로 운전해야 안전성을 유지할 수 있었으며 그 이상의 압력이 될 경우, 압축기 토출 온도가 120℃가 넘어 시스템의 불안정을 야기할 수 있다.

Fig. 7 
Compressor discharge temperature variation with High Pressure

본 연구에서는 SMR J-T 냉동기 성능 특성 분석을 하고자 시뮬레이션을 통해 특성을 분석하였으며 결론은 다음과 같다.

-100℃를 증발 온도로 하는 혼합 냉매를 사용할 경우 저압 0.25 MPa, 고압 2.5 MPa일 경우는 저압 0.2 MPa, 고압 2 MPa일 경우에 비해 최대 40% 가량 성능이 올라갈 수 있음을 확인하였다. 그러나 일정 압축기 토출 온도 이상일 때, 압축기 오일의 탄화나 실린더의 과열로 인한 압축기 효율 저하로 시스템 효율 감소를 초래할 수 있다. 이에 압축기 토출 온도와 성능 등의 고려했을 때 SMR 줄-톰슨 냉동기의 저압을 0.2 MPa 내외로 작동할 경우 2.4 MPa 이내로 운전해야 한다.