친환경 혼합 냉매 기반 초저온 2원 냉동시스템의 4E 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a sustainable mixed refrigerant （MR） composed of CO2/R32/R1234yf/R170 for ultra-low temperature cascade refrigeration systems （CRS） used in semiconductor etching processes. A comprehensive evaluation was conducted through 4E analysis—encompassing Energy, Exergy, Environment, and Economic factors—alongside rigorous physical and chemical stability assessments. Initially, the study verified the solubility and freezing stability of the proposed mixture. The optimized composition （Case 9） achieved a freezing point of -127℃ providing a substantial freezing margin of 62℃ against the target evaporation temperature of -65℃. Flammability analysis using the Linteris model confirmed that the mixture maintains an ASHRAE A2L （mildly flammable） classification with significant safety margins from high- flammability boundaries. Thermodynamic performance analysis revealed that the Sustainable MR achieved its optimal performance at a high-temperature cycle （HTC） evaporation temperature of -25℃. The system recorded a Coefficient of Performance （COP） of 0.859, representing a 19.1% improvement over conventional R23-based systems. This efficiency gain is primarily attributed to a 45.2% reduction in the low-temperature cycle （LTC） compressor discharge amount, owing to the high volumetric cooling capacity （VCC） of the CO2-based mixture. Exergy analysis further demonstrated a 3.8% improvement in overall exergy efficiency by minimizing irreversible losses in the compression process. Environmental assessment through Life Cycle Climate Performance （LCCP） analysis showed a 39.9% reduction in total carbon emissions, effectively lowering direct emissions to near-zero levels. Finally, exergoeconomic analysis proved the economic viability of the system, showing an 11.7% reduction in total annual costs, driven by an 8.9% decrease in equipment investment and a 16.1% reduction in operating costs. In conclusion, the proposed CO2-based sustainable MR is a highly competitive alternative for ultra-low temperature applications, offering superior thermodynamic efficiency, environmental sustainability, and economic feasibility while satisfying stringent industrial safety standards.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 관련 연구 동향 및 한계점 3
• 1.3 연구의 목적 및 내용 6
• 제 2 장 이원 냉동 시스템 및 혼합 냉매 설계 8
• 2.1 이원 냉동 시스템의 작동 원리 및 구성 8
• 2.1.1 대상 시스템 개요 8
• 2.1.2 이원 냉동 사이클 작동 과정 10
• 2.2 작동 유체 선정 및 열물성 특성 11
• 2.2.1 냉매 선정 기준 및 설계 제약 조건 11
• 2.2.2 LTC 용 MR 구성 13
• 2.2.3 후보 냉매의 비교 분석 및 제외 사유 14
• 2.2.4 HTC 작동 유체 선정 15
• 2.2.5 최종 작동 유체 조합 및 시뮬레이션 적용 16
• 제 3 장 시스템 해석 모델링 및 방법론 19
• 3.1 열역학적 모델링 기본 가정 및 운전 조건. 19
• 3.1.1 열역학적 모델링 기본 가정 19
• 3.1.2 주요 운전 조건 및 시뮬레이션 변수 21
• 3.2 열역학적 성능 해석 모델 23
• 3.2.2 엑서지 해석 모델 25
• 3.2.3 환경성 평가 해석 모델 28
• 3.2.4 엑서지 경제성 해석 모델 31
• 3.3 동결 안정성 제약 조건 및 예측 모델 검증 36
• 3.3.1 초저온 혼합 냉매의 동결 안정성 한계 및 상평형 거동 36
• 3.3.2 SRK 상태 방정식을 이용한 동결점 예측 38
• 3.3.3 실험 데이터 비교를 통한 안전 마진 검증 39
• 3.4 혼합냉매의 가연성 평가 및 안전 등급 분류 모델 41
• 3.4.1 가연성 평가 지표 및 Linteris 예측 모델 41
• 3.4.2 가연성 지수 산출 및 정규화 42
• 3.4.3 ASHRAE Standard 34 기준 안전 등급 분류 43
• 3.5 시뮬레이션 모델의 실험적 검증 45
• 3.5.1 등엔트로피 효율 예측 검증 45
• 3.5.2 체적 효율예측 검증 47
• 3.5.3 시스템 전체 성능 계수 예측 검증 48
• 제 4 장 혼합냉매 최적화 시뮬레이션 50
• 4.1 혼합냉매 구성 및 비점에 따른 열역학적 역할 50
• 4.2 시뮬레이션 케이스 구성 및 전역 탐색 기법 51
• 4.3 환경 제약 조건 및 최적화 데이터 필터링 53
• 제 5 장 결과 및 고찰 55
• 5.1 개요 55
• 5.2 혼합냉매의 용해도 및 동결 안정성 분석 56
• 5.2.1 성분별 CO2 용해도 특성 분석 56
• 5.2.2 시스템 운전 조건 별 동결 안정성 검증 59
• 5.3 가연성 지수 및 안전 등급 평가 61
• 5.4 에너지 해석 64
• 5.4.1 혼합냉매의 등온 엔탈피 차이 및 체적 냉각 용량 특성 64
• 5.4.2 성능 계수 및 소비동력 분석 67
• 5.4.3 압축기 토출량 및 장치 소형화 특성 71
• 5.5 엑서지 해석 74
• 5.5.1 전체 엑서지 파괴량 분석 74
• 5.5.2 엑서지 효율 비교 76
• 5.5.3 구성 기기별 엑서지 파괴율 분석 77
• 5.6 LCCP 분석을 통한 환경성 평가 80
• 5.6.1 총 탄소 배출량 비교 및 저감 효과 80
• 5.6.2 직접 배출 및 간접 배출 기여도 분석 81
• 5.6.3 종합 평가 및 시사점 82
• 5.7 엑서지 경제성 분석 84
• 5.7.1 총 탄소 배출량 비교 및 저감 효과 84
• 5.7.2 총 연간 비용 산출 및 경제성 비교 87
• 5.7.3 종합 고찰 88
• 제 6 장 결 론 90
• 참고문헌 94
• 감사의 글 101