주요 냉매의 열 물성치, 증기압축식시스템기타 기술 자료, 냉동(냉수) 시스템 요소기술

 

4) 주요 냉매의 열 물성치

 

o 냉동/공조 시스템 내에서 냉매의 열역학적 상태는 액체상태, 기체상태 및 기/액 공존상 태가 있다. 냉매의 물성을 이해하려면 일반적인 유체의 물성을 다 고려하면 된다. 일반 적으로 유체의 물성에는 물리적, 화학적, 그리고 열역학적 성질이 있다.

 

 

 

가. 물리적 성질

 

o 중요한 물리적 성질에는 비등점, 동결점, 임계점, 용해도, 굴절율, 유전율 및 절연내력 등 이 있으며, 이 모든 성질은 온도 및 압력에 따라 변화한다.

 

 

 

나. 화학적 성질

 

o 냉매는 냉동/공조 시스템 내에서 장기간에 걸쳐서 안정된 상태로 작동해야 하기 때문에 여러 가지 화학적 특성이 요구된다.(냉매의 구비 조건 참조) 주요냉매 중에서 현재 주류 를 이루고 있는 할로카본 냉매에 대하여 화학적 특성을 설명하면 다음과 같다.

 

 

 

A. 색깔 및 냄새

 

o 냉매는 대부분 무색, 투명하다. 무기화합물인 암모니아와 SO2 등이 자극성 냄새를 강하 게 내지만 할로카본은 대개 미소한 에테르 냄새를 푸기며 대기 중에서 희석되면 냄새가 없어진다.

 

 

 

B. 화학적 안정성

 

o 화학적 안정성이란 냉동기 내부에서 분해되거나 다른 물질과 결합하여 이물질을 만들지 않는 성질을 말한다. 냉동장치내의 냉매는 냉동기유, 미량의 수분 및 금속과 접촉되기 때문에 냉매 단독의 경우보다 안정성이 나빠지게 되며 온도가 높으면 열분해가 일어나 기 때문에 특히 고온용 열펌프의 경우에는 주의를 요한다.

 

o 냉매 열분해에 의한 주요 생성물은 HCl, HF 및 Cl2이지만, 공기와 혼합된 할로카본 가스 는 고온의 철이나 화염에 접하게 될 때 격한 반응을 하여 독성이 강한 포스겐 가스를 발생한다. 또한 물과 공존하는 경우에는 가수분해에 의한 동도금 현상를 일으키며 특히 강철, 아연 및 알루미늄 등의 금속이 존재하는 곳에서는 할로카본 냉매의 안정성이 더욱 저하된다. 따라서 철, 동 및 기름이 존재하는 냉동장치 내에서 장기간 사용시 견딜 수 있는 최고온도는 다음과 같다. 

 

o R11, R113 : 105℃       R12 : 120℃  

   R22 : 130∼150℃        R13 : 150℃  

 

(*) 표준 대기압(101.325kPa)에서의 비등점임. 

 

 

 

C. 대기 중의 잔존 수명

 

o 근년에 스프레이 분사제 및 발포제로 대기중에 방출되는 할로카본 방출이 급증함에 따 라 CFC 및 HCFC는 지상 10km 이하의 대기권에서 분해되지 않고 성층권까지 확산되어 서 원자상태의 Cl 및 ClO로 되어 오존층을 파괴하는 연쇄반응을 일으킨다.

 

o 1974년 미국 캘리포니아 주립대학의 Rowland와 Molina가 CFC 및 할론 가스가 성층권 의 오존을 파괴한다는 논문을 발표한 후에(3) 미국과 영국 등 많은 선진국에서 실측을 통해 이를 확인하였다.

 

o 광분해의 반응 속도와 확산기구에 의해 계산한 대기권내 잔존수명은 CFC의 경우 100년 정도로 나타나 있다. 잔존수명이 10∼20년 이하인 HCFC는 대기권 상층부에서 OH기 등 과 반응하여 H2O, HCl, HF 및 CO2 의 형태가 되어 지상으로 되돌아오기 때문에 오존층 붕괴에 미치는 영향은 매우 적지만, 수소를 전혀 포함하지 않아 대기권내 잔존수명이 매 우 긴 CFC는 성층권으로 확산되어 오존층 붕괴를 일으킬 가능성이 매우 크다.

 

 

 

D. 연소성 및 폭발성

 

o 할로카본은 대개 불연성이다. 비교적 반응성을 가진 R22의 경우에도 인화점은 630℃ 부 근이다.

 

 

 

E. 독성

 

o 냉매의 독성 등급은 미국 보험업자 연구소(UL)(4)의 독성분류 등급을 이용하며 그 정의 는 다음과 같다.

 

1 : 공기중 농도가 0.5∼1%일 때 5분 이내 사망하거나 치명적인 상해를 주는 것 예) SO2

2 : 공기중 농도가 0.5∼1%일 때 30분 이내 사망하거나 중대한 상해를 주는 것 예) NH3

3 : 공기중 농도가 2∼2.5%일 때 1시간 이내 사망하거나 중대한 상해를 주는 것 예) CCl4, CHCl3

4 : 공기중 농도가 2∼2.5%일 때 2시간 이내 사망하거나 중대한 상해를 주는 것 예) CHCl3

4∼5 : 분류 4와 5의 중간 예) 에탄, 프로판, 부탄

5a : 독성이 4보다 작고 6보다 큰 것 예) CO2, R11, R22, R502

5b `: 5a보다 독성이 약간 적은 것 예) 에탄, 프로판, 부탄

6 : 농도가 20%인 공기 중에 2시간 있어도 아무런 피해가 없는 것 예) R12, R114, R115

 

o 할로카본 중에서 염소나 브롬 혹은 수소를 포함한 것은 독성이 강하지만, 불소를 포함한 것은 독성이 약하다. 또 독성이 없는 것도 공기 중의 농도가 높아지면 산소 결핍에 의 한 질식을 일으키므로 통풍이 잘 안 되는 장소에서 사용할 때에 주의해야 한다.

 

 

 

다. 열역학적 성질

 

o 순수물질의 열역학적 성질 중 가장 중요하며 기본적인 성질은 압력-체적-온도 관계이다. 냉동/공조에는 증기압에 따라 저압, 중압, 고압 냉매가 쓰이며, ­

 

- 저압 냉매로는 R11(할로겐) -> 대체냉매로는 R123이 쓰이고 있으며,

- 중압 냉매로는 R12(할로겐) -> 대체냉매로는 R134a가 쓰이고 있으며, ­

- 고압 냉매로는 R22(할로겐) -> 대체냉매로는 R407C, R410A가 쓰이고 있으며,

- 수송냉동 냉매로는 R502 -> 대체냉매로는 R404A가 가장 많이 쓰이고 있다.

 

 

A 온도와 압력, 비등점 및 임계온도

 

o 냉매에 따라서 같은 온도에서도 그 포화압력은 매우 다르며, 포화압력에 로그를 취한 값 과 온도의 역수는 근사적으로 직선 관계 즉 lnP = 1/T를 가진다. 압력이 표준대기압 (101.325kPa)일 때의 포화온도를 비등점이라고 하며, 이 비등점은 냉매의 특성을 나타내 는 대표적인 수치로 다음과 같은 특성을 가진다. ­

 

① 비등점이 낮은 냉매는 압력이 높다. ­

② 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 압축기의 행정체적이 적다. 즉, 동일한 행정 체적 의 압축기에 대하여 냉동능력이 크다.

③ 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 저온용으로 적당하다. ­

④ 비등점이 낮은 냉매는 저압 및 고압 사이의 압축비가 적다.

 

o 임계온도란 포화액체와 포화기체가 공존하는 점에서의 온도로, 이 온도 이상에서는 압축 을 해도 응축이 일어나지 않으며, 냉매의 경우 임계온도가 높을수록 좋은데, 그 이유는 대개 임계온도가 높은 냉매일수록 성능계수가 좋기 때문이다.

 

 

B 증발 잠열

 

o 어떤 일정한 온도 하에서 냉매 1kg이 포화액체에서 포화증기로 변할 때에 흡입하는 열 량을 그 온도에서의 증발잠열이라고 하며 단위는 kJ/kg이다. 증발온도(증발압력)가 높아지면 증발잠열은 감소하며 임계온도에서는 0이 된다. 

 

 

C. 비열비

 

o 일반적으로, 정압비열 Cp와 정적비열 Cv의 비인 비열비“k"가 큰 냉매는 압축기 토출가 스 온도가 높다. 따라서 비열비가 상대적으로 작아야한다.

 

 

D. 압축기 체적 용량

 

o 이 값은 압축기 흡입단위체적당 냉동능력으로 단위는 kJ/m³이며 기본적으로 이 값은 냉 매의 비등점에 의하여 결정된다. 이 값이 큰 냉매는 소형압축기를 사용할 수 있다. 예를 들어 R22와 R410A를 비교하면, R410A용 압축기의 행정체적은 같은 온도조건에서 R22 용 압축기 행정체적의 60% 정도만 되면 동일한 냉동능력을 낼 수 있다.

 

 

 

라. 성능계수

 

o 성능계수는 사용하는 냉매에 따라 조금씩 다르지만, 동일한 온도 조건하에서는 냉매에 따라 큰 차이를 보이지 않는다. 아래 표는 동일한 증발 및 응축 온도에서 주요 냉매의 이론적 성능을 비교하여 보여주고 있다.

 

 

 

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