Non-flammable mixed refrigerant (MR) Joule-Thomson (JT) refrigerator is developed for the cooling temperature of 100 K. The working fluid for non-flammable MR JT refrigerator is a mixture of Nitrogen, Argon, Tetrafluoromethane (R14, $CF_4$ ) and Octafluoropropane (R218, $C_3F_8$ ). Unfortunately, non-flammable refrigerant has considerably higher freezing temperature compared to target cooling temperature of 100 K. Freezing temperatures of the working fluid are investigated before constructing the non-flammable MR JT refrigerator. Certain mixture of Argon, R14 and R218 shows remarkably low freezing temperature.
Entire compositions of non-flammable MR, which obtains extremely low freezing temperature, are analyzed to achieve high COP (coefficient of performance). Simple configuration (Single MR JT refrigerator) and complex configuration (cascade MR JT refrigerator) are considered in the simulation to figure out the efficiency according to the complexity of the refrigerator. The simulation results show that the cascade MR JT refrigerator by using MR 4-9 ($N_2$ /Ar/R14/R218 = 0.2/0.3/0.3/0.2) has the maximum COP as 0.216 among the entire configurations. Tiny precooling in cascade MR JT refrigerator could dramatically enhance the COP by temperature match inside the heat exchanger.
Experimental work is performed to confirm the design result of the cascade MR JT refrigerator. The lowest temperature is approximately 98.5 K and the maximum cooling capacity records 15 J/g at the 103 K, which is the normalized value with respect to the mass flow rate of the working fluid. Furthermore, concentrated pressure drop expansion (JT valve) and gradual pressure drop expansion (capillary tube) are utilized in the MR JT refrigerator. Due to the absence of controllability in the capillary tube, MR JT refrigerator cannot develop the sufficient operating condition. Thus, if the MR JT refrigerator requires sufficient degree of subcooling in front of the expansion device, then adjustable expansion device should utilize as the JT expansion part.
극저온 혼합냉매 (Mixed Refrigerant, 이하 혼합냉매) 줄-톰슨 (Joule-Thomson, 이하 줄톰슨) 냉동기는 다른 극저온 냉동기와 비교하여 효율이 다소 낮으나, 높은 신뢰성을 바탕으로 많은 분야에서 이용되고 있다. 일반적으로 혼합냉매 줄톰슨 냉동기는 효율을 높이기 위해 줄톰슨 계수 (Joule-Thomson Coefficient) 가 높고, 동결 한계 온도 (Triple point) 가 낮아 저온에 도달하기에 문제가 없는 가연성 냉매들을 혼합하여 구성한다. 하지만 이는 냉매 자체의 가연성 및 폭발의 위험성으로 인해 세심한 주의가 요구된다. 그러므로 본 연구에서는, 가연성 냉매보다 냉동 효율은 다소 낮아지더라도, 안전성을 위하여 비가연성 (Non-flammable) 냉매를 사용하는 혼합냉매 줄톰슨 냉동기를 구성하고자 한다.
본 연구에서 목표로 한 온도는 100 K 으로, 이 온도는 액화 천연가스(liquified natural gas) 산업이나 고온 초전도 케이블 예냉 사이클에서 요구하는 냉각 온도이다. 비가연성 냉매로 100 K을 달성하기 위해서는, 가연성 냉매와 달리 동결 한계 온도가 높아 혼합냉매로 구성할 시 작동유체 자체가 얼어서 냉동기가 제대로 작동하지 못할 가능성이 있다. 즉, 비가연성 혼합냉매로 줄톰슨 냉동기를 구성하기 위해서는 동결 한계온도를 파악하는 것이 필수적이다.
그러므로, 본 연구에서는 100 K의 냉각온도를 가지는 고효율 비가연성 혼합냉매 줄톰슨 냉동기를 구성하기 위하여, 첫째로, 냉매의 동결 한계 온도를 분석하고, 둘째로, 냉동 사이클 구성에 따른 정량적인 효율을 확인하였다. 마지막으로, 설계 결과를 이용해 실험적 검증을 수행하였다. 사용된 비가연성 냉매는 질소 ($N_2$), 아르곤 (Ar), R14 (tetrafluoromethane, $CF_4$), R218 (Octafluoropropane, $C_3F_8$ ) 이다.
동결 한계 온도를 분석하기 위하여, 어는점 분석을 위한 가시화 장치를 구축하였고, 100 K에서 얼지 않을 질소를 제외한 아르곤, R14, R218의 조성별 어는점 분석을 수행하였다. 다양한 조성에 대해서 어는점 분석을 수행하였고, 액체질소 온도 (77 K) 에서도 얼지 않는 조성을 확인하였다. 어는점 분석을 통해 확인된 조성을 기반으로 냉각 사이클 해석을 수행하였다.
냉동기 구성에 따른 효율 확인은 상용 해석 프로그램 (Aspen HYSYS Ver. 8.0) 을 이용해 수행하였다. 냉동 사이클 해석에서는, 동결한계가 확인된 냉매 조성에 한하여, 1단 혼합냉매 줄톰슨 냉동기 (Single Mixed refrigerant JT refrigerator, 이하 단일 혼합냉매 줄톰슨 냉동기), 주 냉매의 순환과 예냉 냉매의 순환으로 구성하는 2단 혼합냉매 줄톰슨 냉동기 (Dual or Cascade Mixed refrigerant cycle, 이하 다단 혼합냉매 줄톰슨 냉동기) 을 구성하여 정량적인 효율 (Coefficient of Performance, COP) 분석을 수행하였다. 단일 혼합냉매 줄톰슨 냉동기의 경우, 가장 높은 효율은 질소, 아르곤, R14, R218 사용하는 사이클로 107 K 기준 0.106이 얻어졌으며, 2단 혼합냉매 줄톰슨 냉동기의 경우 0.216 수준까지 향상시킬 수 있었다. 이를 각 부분별로 엑서지 (Exergy) 분석 및 열교환기 내의 온도 분포, 압축기 분석 등을 통해 정량적으로 향상 원인을 분석하였다.
마지막으로 설계를 검증하기 위해, 2단 혼합냉매 줄톰슨 냉동기를 연구실 수준으로 구현하였다. 예냉사이클은 상용 냉동기 (Cryotel GT cryocooler)로 대체하였고, 목표하는 혼합냉매 사이클은 압축기, 2개의 열교환기 및 팽창부를 이용하여 해석한 동작 조건을 구축 및 실증하였다. 최저 온도는 98.5 K을 도달하였으며, 103 K에서 15 J/g의 냉각용량을 달성하였다. 온도에 따른 냉각용량에 대하여 해석과 실험결과를 비교하였다.
추가적으로 팽창부에 따른 냉동기의 특성을 확인하고자, 2가지 종류의 팽창부를 적용하였다. 동일한 혼합냉매 JT 냉동기의 구성에서, 팽창부만 밸브(JT Valve)와 모세관(Capillary tube)을 적용 후 사이클의 거동을 확인하였다. 밸브를 이용하였을 시에는 팽창부를 조절하여 냉동기가 요구하는 양호한 동작조건을 구현할 수 있었다. 반면 모세관을 적용하였을 때는 획일화된 팽창 조건으로 인해 본 연구에서 제안한 설계조건과 매우 상이한 동작조건을 나타내며, 냉동 사이클로서의 역할을 충분히 수행하지 못하는 결과를 확인하였다.
