2단압축 2단팽창 냉동사이클

왜 배우는가: 저온을 얻으려면 증발온도가 낮아지고 압축비가 커진다. 단단 압축으로는 토출 온도와 체적효율 문제를 감당하기 어려워 2단 압축 2단 팽창 사이클이 필요하다. 시험에서는 사이클 해석과 냉매순환량·성적계수 유도 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제133회 1교시 2번, 제121회 2교시 3번, 제92회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 2단 압축 2단 팽창 냉동사이클은 고압과 저압 사이에 중간압력을 두고 압축과 팽창을 두 단계로 나누어 저온을 얻는 증기압축 냉동사이클이다.

핵심 키워드

• 2단 압축: 저단 압축기와 고단 압축기로 나누어 압축하는 방식
• 2단 팽창: 고압 액을 중간압력과 증발압력으로 두 번 감압하는 방식
• 중간냉각기: 저단 토출 가스를 식히고 액을 과냉각시키는 장치
• 중간압력: 저단 토출과 고단 흡입 사이에 놓이는 압력
• 완전 중간냉각: 저단 토출 가스를 중간압력의 포화 증기까지 냉각하는 방식
• 불완전 중간냉각: 저단 토출 가스를 과열 상태로 남겨 고단 압축기에 보내는 방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 한 번에 높은 압력까지 올리지 않고, 중간에 한 번 식혀서 나눠 올리는 냉동 방식이다. 압축비가 작아지면 토출 온도가 낮아지고 압축기 효율이 좋아진다.

정식 정의는 다음과 같다. 2단 압축 2단 팽창 냉동사이클은 저단 압축기와 고단 압축기 사이에 중간냉각기를 두고, 응축기 출구 액을 중간압력과 증발압력의 두 단계로 팽창시켜 증발기에 공급하는 증기압축 사이클이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 중간냉각기: 중간압력에서 냉매가 증발하며 저단 토출 가스를 냉각한다. 동시에 응축기에서 나온 액을 과냉각시켜 증발기 입구의 엔탈피를 낮춘다.
• 플래시 가스(Flash Gas): 고압 액이 중간압력까지 감압될 때 일부가 기화하여 생기는 증기다. 이 증기는 저단 압축기를 거치지 않고 고단 압축기 흡입측으로 직접 들어간다.
• 완전 중간냉각: 저단 토출 가스를 중간압력 포화 증기 상태까지 식힌다. 이때 고단 압축기 흡입은 포화 증기에 가깝다.
• 불완전 중간냉각: 저단 토출 가스를 과열 상태로 두고 고단 압축기에 보낸다. 중간냉각기의 냉각 능력이 제한될 때 생기는 조건이다.

냉매의 흐름은 다음과 같다. 응축기에서 나온 고압 액은 1차 팽창으로 중간압력까지 떨어진다. 이때 생긴 플래시 가스와 액의 일부가 중간냉각기로 들어간다. 중간냉각기에서 액은 증발하며 과냉각을 만든다. 과냉각된 나머지 액은 2차 팽창으로 증발압력까지 떨어져 증발기로 들어간다.

3. 등장 배경과 필요성

단단 압축 사이클은 증발압력이 낮아질수록 압축비가 커진다. 압축비가 커지면 토출 온도가 높아지고, 압축기의 체적효율이 떨어지며, 윤활유가 열화되기 쉽다. 극저온 냉동에서는 단단 압축만으로 운전이 어렵다.

이 문제를 줄이기 위해 압축을 두 단계로 나눈다. 각 단의 압축비가 작아지므로 토출 온도가 낮아지고 압축기 부하가 나뉜다. 그 결과 같은 저온을 얻을 때 단단 사이클보다 성적계수를 높일 수 있다.

중간압력은 이론적으로 고압과 저압의 기하평균으로 잡는다. 저단과 고단의 압축비를 같게 두면 두 압축기 일의 합이 최소가 되기 때문이다. 실제 설계에서는 이 값을 기준으로 중간압력을 정한다.

2단 압축 방식은 두 가지로 나뉜다. 하나는 한 개의 냉매 루프로 연결된 복합(compound) 방식이고, 다른 하나는 두 개의 독립 냉동 사이클을 열교환기로 연결한 캐스케이드(cascade) 방식이다. 이 절에서 다루는 것은 한 루프에서 중간냉각기로 두 단을 잇는 복합 방식이다.