2단 압축 1단 팽창 냉동사이클

왜 배우는가: 2단 압축 1단 팽창 사이클은 저온 냉동에서 압축비와 토출온도를 낮추고 압축일을 줄이는 대표적인 방식이라 실무 설계와 장치 선정에서 자주 쓰인다. 시험에서는 p-h 선도 작도, 중간압력 산정, 중간냉각 열량과 COP 계산이 함께 묻기 때문에 반복 출제된다.

출제 이력: 제139회 4교시 3번, 제132회 3교시 6번, 제120회 4교시 1번, 제98회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

2단 압축 1단 팽창 사이클은 증발압력의 냉매를 중간압력까지 저단 압축하고 중간냉각한 뒤 응축압력까지 고단 압축하며, 팽창밸브는 한 번만 두는 냉동사이클이다.

핵심 키워드

• 2단 압축(Two-stage Compression): 압축을 저단과 고단으로 나누어 수행하는 방식
• 중간냉각기(Intercooler): 저단 토출가스를 식히고 고압액을 과냉각하는 장치
• 중간압력(Intermediate Pressure, Pm): 저단 토출과 고단 흡입 사이의 압력
• 1단 팽창(Single-stage Expansion): 응축기 출구 액을 한 번에 증발압력까지 교축하는 과정
• 플래시 가스(Flash Gas): 교축 시 발생하는 증기 성분
• 등엔탈피 교축(Isenthalpic Throttling): 팽창밸브에서 엔탈피가 일정하게 유지되는 과정
• 성적계수(COP): 냉동능력을 압축일로 나눈 값
• 중간압력 기하평균식: Pm=√(Pe·Pc)로 얻는 개략 중간압력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 증발기에서 나온 냉매를 한 번에 응축압력까지 올리면 압축비가 커서 토출온도가 높아지고 압축기 효율이 떨어진다. 그래서 중간에서 한 번 식혀 가며 두 단계로 나눠 올린다.

정식 정의는 다음과 같다. 증발압력(Pe)에서 나온 냉매를 저단 압축기가 중간압력(Pm)까지 압축하고, 중간냉각기에서 열을 제거한 후 고단 압축기가 응축압력(Pc)까지 압축하는 냉동사이클이다. 응축기에서 액화한 냉매는 팽창밸브 하나를 거쳐 증발기로 들어간다.

중간냉각기는 두 가지 역할을 한다. 첫째는 저단 토출가스의 과열을 제거하는 것이고, 둘째는 응축기에서 나온 고압액을 중간압력 포화온도 가까이 과냉각하여 증발기 쪽 냉동효과를 키우는 것이다. 이때 중간압력에서 발생한 플래시 가스는 고단 압축기가 함께 흡입한다.

등엔탈피 교축은 팽창밸브에서 외부일이나 열 출입이 없어 엔탈피가 일정한 과정이다. 교축 후 건도가 증가하므로 증발기에 들어가는 냉매 중 기체 비율이 커진다. 이 기체 비율을 줄이려면 중간 단계에서 플래시 가스를 분리하는 방법을 쓸 수 있다.

압축일은 저단과 고단 압축일의 합이다. 단열 압축을 가정하면 각 압축기의 일은 엔탈피 차로 구한다. 따라서 중간압력 선정이 전체 일량에 직접 영향을 준다.

3. 등장 배경과 필요성

단일 압축 사이클은 압축비가 커지면 토출온도가 과도하게 높아지고 체적효율이 떨어진다. 암모니아 냉매처럼 토출온도가 높은 냉매는 특히 문제가 되므로, 저온 냉동에서는 압축을 나누는 것이 필요하다.

압축비를 두 단계로 나누면 각 단의 압축비가 작아져 압축기 효율을 높일 수 있다. 중간냉각으로 토출온도를 낮추면 윤활유 열화와 밸브 손상 위험도 줄어든다. 또한 1단 팽창은 팽창밸브 수가 적어 장치가 단순하다는 장점이 있다.