본질적으로, 초저온(ULT) 냉동고에 사용되는 냉매 유체는 특정 조건에서 쉽게 액화될 수 있는 능력 때문에 선택된 특수 기체 화합물입니다. 이들은 높은 임계 온도와 낮은 임계 압력과 같은 특성으로 정의되며, 이를 통해 열을 효율적으로 흡수하고 방출할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에 가장 일반적으로 사용되는 현대 냉매에는 R170(에탄) 및 R290(프로판)과 같은 천연 탄화수소와 R23(트리플루오로메탄)과 같은 불소화 탄화수소가 포함됩니다.
초저온에 도달하는 핵심 과제는 단일 "슈퍼" 냉매로 해결되지 않습니다. 대신, ULT 냉동고는 두 개 이상의 독립적인 냉매 회로가 함께 작동하여 각 회로가 특정 온도 범위에 최적화된 다단계 "캐스케이드" 시스템을 사용합니다.
냉매의 기본 특성
특정 유체가 선택되는 이유를 이해하려면 먼저 모든 냉동 사이클에 요구되는 이상적인 특성을 살펴봐야 합니다. 이러한 특성은 전체 시스템의 효율성, 안전성 및 효과를 결정합니다.
높은 임계 온도
임계 온도는 압력을 가하는 것만으로 기체를 다시 액체로 변환할 수 있는 가장 높은 온도입니다. 높은 임계 온도는 냉매가 응축기에서 주변 공기나 물을 사용하여 쉽게 액화될 수 있도록 보장하며, 이는 흡수한 열을 방출하는 데 중요한 단계입니다.
낮은 임계 압력
이는 임계 온도에서 기체를 액화시키는 데 필요한 최소 압력입니다. 임계 압력이 낮을수록 시스템의 압축기가 덜 힘들게 작동하여 에너지 효율성이 높아지고 구성 요소에 가해지는 기계적 스트레스가 줄어듭니다.
안전성 및 낮은 독성
이러한 시스템은 실험실 및 의료 시설에서 작동하므로 냉매는 위험 및 독성 프로필이 제한적이어야 합니다. 이는 누출 발생 시 인력과 주변 환경에 대한 위험을 최소화합니다.
캐스케이드 시스템이 초저온을 달성하는 방법
단일 냉매는 따뜻한 실내와 -86°C 사이의 거대한 온도 차이를 효율적으로 연결할 수 없습니다. ULT 냉동고는 두 개의 독립적이지만 열적으로 연결된 냉동 시스템을 사용하여 이 문제를 해결합니다.
1단계(고온 회로)
이 초기 회로는 표준 냉동고처럼 작동합니다. R290(프로판)과 같은 냉매를 사용하여 두 번째 회로의 열을 흡수하여 효과적으로 예냉합니다. 그 임무는 챔버 자체를 냉각하는 것이 아니라 다음 단계를 위한 더 차가운 환경을 조성하는 것입니다.
2단계(저온 회로)
이 회로는 냉동고 내부에서 최종 초저온을 생성합니다. R170(에탄) 또는 R23(트리플루오로메탄)과 같이 훨씬 더 낮은 끓는점을 가진 냉매를 사용합니다. 이 회로는 냉동고 내부에서 열을 흡수하여 이를 1단계로 전달하고, 1단계는 다시 실내로 방출합니다.
상충 관계 이해
냉매의 선택은 성능과 환경적 및 운영상의 고려 사항 사이의 균형을 맞추는 것을 포함합니다. 현대의 발전은 이러한 균형을 최적화하는 데 중점을 두고 있습니다.
환경 영향
이전 냉매(CFC 및 HCFC)는 오존층에 파괴적인 영향을 미쳤고 지구 온난화 지수(GWP)가 높았습니다. 현대의 ULT 냉동고는 R170 및 R290과 같은 천연 냉매로 전환되었는데, 이는 오존층에 미치는 영향이 미미하고 지구 온난화 지수가 매우 낮기 때문입니다.
에너지 효율성
냉매의 선택은 에너지 소비와 직접적으로 관련이 있습니다. 압축기 기술과 이러한 유체의 열역학적 특성 모두에 대한 지속적인 개선으로 ULT 냉동고는 에너지 효율성이 크게 향상되어 운영 비용과 탄소 발자국을 모두 줄이고 있습니다.
시스템 메커니즘
냉매 유체의 성능은 물리적 시스템에 따라 달라집니다. 열은 일반적으로 팬으로 구동되는 공기 흐름을 통해 구리 또는 구리-알루미늄 튜브 코일인 공랭식 응축기를 통해 제거됩니다. 중요한 냉각 효과는 고압 액체 냉매가 모세관을 통해 팽창될 때 발생하며, 이는 온도와 압력의 급격한 하락을 유발합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
이러한 원리를 이해하면 주요 목표에 따라 장치를 선택할 수 있습니다.
- 환경 지속 가능성에 중점을 둔 경우: R170 및 R290과 같은 천연, 저GWP 냉매를 사용하는 냉동고를 우선적으로 고려하십시오.
- 운영 비용 절감에 중점을 둔 경우: 에너지 효율적인 최신 냉매와 고급 압축기 기술이 결합된 모델을 찾으십시오.
- 성능과 안정성에 중점을 둔 경우: 지정된 냉매의 특정 압력을 처리하도록 설계된 견고한 캐스케이드 설계 및 구성 요소를 갖춘 시스템을 선택하십시오.
궁극적으로 효과적인 ULT 냉동고는 냉매의 화학적 특성이 하드웨어의 기계 공학적 설계와 완벽하게 일치하는 균형 잡힌 시스템입니다.
요약표:
| 특성 | ULT 냉동고에서 중요한 이유 | 일반적인 냉매 |
|---|---|---|
| 높은 임계 온도 | 응축기에서 효율적인 열 방출 및 액화를 허용합니다. | R290(프로판), R23 |
| 낮은 임계 압력 | 압축기 부하를 줄여 에너지 효율성과 수명을 향상시킵니다. | R170(에탄), R290 |
| 낮은 끓는점 | 시스템이 초저온(예: -86°C)에 도달할 수 있도록 합니다. | R170(에탄), R23 |
| 낮은 환경 영향 | 최신 장치는 낮은 지구 온난화 지수(GWP)를 가진 천연 냉매를 사용합니다. | R170, R290 |
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