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헬륨 액화 설비에 주로 사용되는 Claude 사이클
Claude 사이클은 헬륨과 같이 매우 낮은 온도에서 액화되는 기체를 효율적으로 액화시키기 위해 개발된 냉동 사이클입니다. Joule-Thomson 효과만으로는 극저온을 얻기 어렵기 때문에, Claude 사이클은 팽창기를 사용하여 냉각 효율을 높이는 특징을 가집니다.
1. Claude 사이클 구성도
주요 구성 요소:
- 압축기 (Compressor): 헬륨 기체를 고온 고압으로 압축합니다. 일반적으로 다단 압축 방식을 사용하여 효율을 높입니다.
- 열교환기 (Heat Exchanger): 고온 고압의 헬륨 기체와 저온 저압의 헬륨 기체 사이에서 열을 교환하여 고온 기체를 냉각시키고 저온 기체를 가열합니다. Claude 사이클에서는 여러 개의 열교환기가 사용됩니다.
- 팽창기 (Expander): 고압의 헬륨 기체를 단열 팽창시켜 온도를 크게 낮춥니다. 팽창기는 일을 수행하며, 이 일만큼 헬륨 기체의 내부 에너지가 감소하여 온도가 내려갑니다.
- Joule-Thomson 밸브 (Joule-Thomson Valve): 팽창기를 거치지 않은 일부 고압의 헬륨 기체를 단열 조절 팽창시켜 온도를 더 낮춥니다. 헬륨은 특정 온도 이하에서 Joule-Thomson 효과에 의해 팽창 시 온도가 내려갑니다.
2. Claude 사이클 T-s 선도
각 지점별 상태 변화:
- 1 -> 2 : 압축기에서 헬륨 기체가 등엔트로피적으로 압축되어 온도와 압력이 상승합니다. (실제 압축 과정은 약간의 엔트로피 증가를 동반합니다.)
- 3 -> 4 : 고온 고압의 헬륨 기체가 열교환기를 통과하면서 출구 기체와 열교환하여 온도가 내려갑니다.
- 14 -> 15(7 -> 8) : 일부 헬륨 기체는 팽창기에서 단열 팽창하며 일을 수행하여 온도와 압력이 크게 감소합니다. 나머지 헬륨 기체는 Joule-Thomson 밸브로 향합니다.
- 11 -> 12 : 팽창기를 거친 저온 저압의 헬륨 기체는 열교환기를 통과하면서 입구의 고온 고압 기체를 냉각시키고 스스로는 온도가 상승하여 압축기로 돌아갑니다.
- 8 -> 액화 : 팽창기를 거치지 않은 고압의 헬륨 기체는 Joule-Thomson 밸브를 통과하면서 단열 조절 팽창하여 온도가 더욱 낮아져 액화됩니다. 액화된 헬륨은 저장 용기로 옮겨지고, 남은 기체는 열교환기를 거쳐 압축기로 순환합니다.
3. Claude 사이클 설명
Claude 사이클은 단순히 Joule-Thomson 효과만을 이용하는 방식보다 훨씬 효율적으로 헬륨을 액화시킬 수 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
- 팽창기의 사용: 팽창기를 통해 고압의 헬륨 기체가 외부로 일을 하면서 단열 팽창하므로, Joule-Thomson 효과만으로는 얻을 수 없는 낮은 온도까지 냉각이 가능합니다.
- 열교환기의 효율적인 활용: 여러 단계의 열교환기를 사용하여 압축 과정에서 발생한 열을 효율적으로 제거하고, 팽창 과정에서 얻어진 냉각 효과를 최대한 활용하여 전체적인 냉동 효율을 높입니다.
이러한 특징 덕분에 Claude 사이클은 극저온 연구, 초전도체 냉각, MRI 등 다양한 분야에서 필수적인 헬륨 액화 설비에 널리 사용되고 있습니다.
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