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냉매가스

게시일 2011-07-20 08:40

1. 냉매의 정의

냉매란 넒은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 가르키며 특히 냉동장치 열펌프

공기조화장치 및 소온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서

저온부(증발부)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을

방출시키는 작동유체를 말합니다.


일반적으로 증발 또는 응축의 상변화 과정을통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를

1차냉매 (prmary refrigerant) 라 하고 단상 상태에서 감열 열전달을 통하여 열을 교환하는

냉매를 2차냉매(secondary refrigerant)라 한다.
그러나 기체 사이클에 적용하는 공기,헬륨,수소,등은 1차 냉매로 분류하며

주요 2차 냉매로는 브라인및 부동액 등이 있다.
그리고 2차 냉매는 항상 1차 냉매와 더불어 사용되며 공기 냉동기에서 냉매인 공기는

상변화를 하지는 않지만 1차 냉매이다.

2. 냉매의 일반적 구비조건

냉매는 일반적으로 종류에 따라서 고유의 특징이있으나 구비조건을 종합하여

기술하면 다음과 같은 구비조건을 만족해야한다.

1) 저온서 증발압력이 대기압보다 높고, 상온서 응축압력이 낮을것
2) 동일한 냉동능력을 내는 경우에는 소요동력이 적을것.
3) 증발잠열이크고 액체의 비열이 작을것.
4) 임계온도가높고 응고온도가 낮을것.
5) 동일한 냉동능력을내는 경우에 냉매 가스의 비체적이 작아야한다.
6) 화학적으로 안정하고 냉매증기가 압축열에 의해 분해되지 않아야.
7) 액상및 기상의 점도는 낮고,열전도도는 높아야 한다.
8) 불활성으로서 금속 등과 화합하여 반응을 일으키지 않고 윤활유를 열화시키지 말아야 한다.
9) 전기 저항이 크고 절연파괴를 일으키지 않을 것
10) 인화성 및 폭발성이 없고 인체에 무해하며 자극성이 없을 것
11) 가격이 저렴하고 운반과 구입이 용이해야한다
12) 오존층 붕괴와 지구 온난화에 영향을 주지 않아야한다.

상기와같은 구비조건을 만족하는 이상적인 냉매는 사실존재하지 않는다
따라서 냉동/공조 설계시 적용 냉매를 선정할때는 압축기의 종류,증발온도와
압력및 응축온도와 압력 등의 열역학적 모든조건에 따라 장치의 성능을 신중히 고려해야 하며

특히 열전달 성능 이외에도 사용 조건하에서의 화학적 안정성,인체에대한 독성,가연성 폭발성,

대기오염 문제,가격,및 사용재료와의 적합성 등을 고려하여 검토해야한다.

3. 냉매의 종류

냉매는 일반적으로 할로카본,탄화수소,유기화합물,무기화합물 등 네가지 종류
의 화합물 중 한가지 이며 냉매의 종류는 다음과같이 분류할 수 가있다.

1) 할론카아본 냉매(프레온(FREON 냉매)
2) 탄화수소냉매(Hydrocarbon)
3) 암모니아(Ammonia R-717) NH)
4) (HO)
5) 공기(Air)
6) 이산화탄소(CO)
7) 아황산가스(SO)
8) 혼합냉매 (공비혼합냉매, 비공비혼합냉매)
9) 간접냉매 (브라인 Brine)

4. 프레온 냉매의 분류

- CFC(Chlorofluorocarbon) 염화불화탄소
분자 중에 염소를 포함하고 있으며 안정된 물질로서 성층권까지 확산하여 오존층을

파괴하며 지구온난화 계수도 대단히 높다.


- HCFC( Hydrochlorofluorocarbon) 수소화 염불화탄소
분자 중에 염소를 포함하고있지만 수소를 포함하고있어 분해되기 쉬워 성층권까지

도달하기 어렵기 때문에 오존층 파괴 능력이 CFC 냉매에 비해서 낮다.

- HFC( Hydrofiuorocarbon) 수소화불화탄소
분자 중에 염소를 포함하고있지를 않아서 오존층을 파괴하지 않는다 그러나
지구 온난화 계수는 높다.


- 자연냉매 ( Natural Working Fluid)
오존층을 파괴하지 않으며 지구 온난화계수도 작다.

5. 프레온(Freon) 냉매의 종류

5-1. R-11(CCLF)
1) 비등점이 높고 (대기압하에서23.7) 저압이 낮은 냉매로 비중이크다.
2) 터보 냉동기용으로 사용되며 대용량 에어컨에 사용된다
3) 오일을 잘 용해하므로 냉동장치내의 오일 세척용으로 사용한다.

5-2. R-12( CCLF )
1) 대기압에서 비등점-29.8℃ 응고점 -158.2℃ 임계온도 111.5
2) 소형에서 대형까지 고온에서 저온까지 광범위하게 사용이 된다.
3) 냉동능력은 NH₃에 비해 60%정도이다

5-3. R-13(CCLF)
1)대기압에서 비등점 -81.5℃ 임계온도 +28.8
2)비등점이 대단히 낮아 2원 냉동 장치 저온측 냉매로 사용되며 -100 ℃ 정도
의 초저온 장치에 이용이 된다.

5-4. R-21(CHCLF)
1) 대기압에서 비등점 8.9
2) 압력은 R-11 R-22의 중간이며 R-12 보다 압력이 높은 곳에 사용.
3) 고열이 노출되는 그레인 조정실과 같은 냉방장치에 R-114와 같이 사용.

5-5. R-22( CHCLF)
1) 대기압에서 비등점-40.8 응고점 -160℃ 임계온도 96
2) 냉동능력은 프레온 냉매 중 가장 좋으며 소형에서 대형까지 폭넓게 사용.
3) 왕복동식 에어컨에 사용되며 저온용 냉동장치에도 사용.
4) 1단 압축으로 암모니아보다 낮은 온도를 얻을 수 있고 2단 압축에 의해서
   극저온을 얻을수 있다.

5-6. R-113( CCLF)
1) 대기압에서 비등점 47.6℃ 임계온도 214.1℃ 응고점 -35℃ 포화 압력이 대단히 낮다.
2) 소용량 밀폐형에서부터 대용량 터보 냉동기까지 폭넓게 사용이 된다.

5-7. R-114(CCLF)
1) 대기압에서 비등점 3.6
2) 회전 압축기 소형냉장고 크레인 조정실 에어컨용으로 사용된다.

6. 프레온(Freon) 냉매의 장점

1) 열에 대해서 안정적이다.
2) 무색,무미,무취, 무독성이다
3) 비등점의 범위가 넓고, 오일과 용해를 잘한다.
4) 취급과 구입이 비교적 용이하다.
5) 전기절연 내력이 크고 절연물을 침식시키지 않는다.

7.프레온(Feon) 냉매의 단점

1) 800℃ 이상화염에 접촉되면 포스겐 가스가 발생하여 위험하다
2) 오존층을 파괴하고 지구온난화에 영향을 미친다.
3) 수분이 침투하면 금속에 대한 부식성이 있다.(장치의 동결폐쇄)
4) 천연고무나 수지를 부식시킨다.

8. 탄화수소냉매( Hydrocarbon)

탄화수소는 탄소와 수소만으로 구성된 냉매이며 R50(메탄) R170(에탄)
R290 ( 프로판) R600(부탄) R600a (이소부탄) R1270(프로필렌) 등이있다.

8-1. 탄화수소냉매의 장점

1) 탄화수소 냉매는 독성이 없고 안정하다.
2) 광유에 대해서 적당한 용해도를 나타낸다
3) 오존층 붕괴지수가 없으며 지구 온난화 지수도 매우낮다
4) 비체적이 다른 냉매보다 크기때문에 냉매 주입량이 감소한다.

8-2. 탄화수소 냉매의 단점

1) 가연성이있어 사용중 발화나 폭발의 유의해야한다.
2) 취급에 특별한 주의와 열이나 화기의 취급을 피해야 한다.

9. 암모니아(Ammonia R-717)NH

암모니아는 우수한 열역학적 특성 및 높은 효율을 지닌 냉매이다 제빙 냉동,
냉장 등 산업용의 증기압축식 및 흡수식 냉동기 작동유체로 널리 사용되어왔다.

작동 압력이 다소 높고 인체에 해로운 특성을 지니고 있어 관리 인력이 상주하는

산업용 대용량 시스템에서 주로 사용되어왔으며 소형에는 특수한 목적에만 이용이 되어왔다.
NH₃의 일반적인성질은 냉매번호R-717 대기압에서 증발온도 -33.3℃ 응고점 -77.7

임계온도 133℃ 임계압력112.3/㎠ 이다.

9-1. 암모니아 냉매의 장점

1) 냉동효과가 크다( 동일 냉동능력당 냉매 순환량이 적어도 된다)
2) 설비 유지비와 보수비용이 적어진다.
3) 전열이 양호하다( 전열효과는 냉매중 가장크다)
4) 가격이 저렴하다.

9-2. 암모니아 냉매의 단점

1) 독성이며 가연성이기때문에 취급에 주의해야한다
2) 구리 합금 및 금속 재료에 대하여 부식성을 갖는다.
(철에는 부식성이 없음)
3) 윤활유와 용해하지 않기 때문에 유회수가 힘들고, 수분에 의해서 에 말존 현상을 일으킨다.
4) 비열비가 높아 토출 가스의 온도상승으로 실린더를 냉각시키는 장치가 필요하다.

10. (H²O)

물은 자연에서 가장 널리 구할 수가 있고 무엇보다도 환경에 대한 피해가 없다는 것이 가장

큰 장점으로 그동안 일부분야에서는 공기조화용 냉매로 널리 사용이 된다.
물은 투명하며 무해하고, 무취, 무미한 냉매로 동결점이 매우 높고 비체적이 커서

압축기가 소화 해야할 체적유량 및 압축비가 너무 크기 때문에 증기압축식 냉동기에는

사용이 제한 되어왔다. 그러나 흡수식 냉동기의 작동유체로 널리 사용되어 오고있다.
물은 냉매번호 R-718 이며 대기압에서 증발온도 100℃ 이며 응고온도는 0도이다.

10-1. 물 냉매의 장점

1) 자연상에서 쉽게구하고 환경파괴 요소가없다.
2) 무색,무미,무해하다
3) 가격이 저럼하고 취급에 별다른 주의를 요하지 않는다.

10-2. 물 냉매의 단점

1) 비체적이 크다( 체적유량과 압축비가 크게된다)
2) 동결점이 매우높다.

11. 공기(Air)

공기는 물과 같이 투명하고 무해, 무취, 무미한 냉매로서 소요 동력이 크고 성적계수가

낮으므로 주로 항공기내부의 공기조화나 공기 액화 등에 널리 사용이 된다.

냉매 번호는 R-729 이다.

11-1. 공기냉매의 장점
1) 물과 함께 구입이 용이하다
2) 무색,무미,무취,이며 자연 친화적이다

11-2. 공기냉매의 단점
1) 소요 동력이 크고, 성적계수가 낮다
2) 사용범위가 극히 제한적이다( 항공기 내부의 공기조화용)
3) 저장 취급에 별도의 압축시키는 장치가 있어야한다.

12. 이산화탄소(CO)

이산화탄소(CO)는 할로카본 냉매가 사용되기 전 암모니아와 더불어 선박용 냉동 사무실이나 극장 등의 냉방을 위한 냉매로 가장 널리 사용되어 왔다.
그러나 할로카본 냉매가 등장하면서 점차 사용되는 범위가 줄어들고 최근에는 특수한 용도 외에는 거의 사용되지 않으며 무취, 무독, 부식성이 없으며, 연소, 폭발성이 없는 물질로 냉매의

회수가 필요 없으며 일반 윤활유와 양호한 상용성을 가지고있다.

12-1. 이산화탄소 냉매의 장점

1) 무취, 무독, 부식성이 없다.
2) 연소 폭발성이 없다.
3) 냉매의 회수가 필요없다.
4) 비체적이 작아 장치의 소형화가 가능하다.

12-2. 이산화탄소 냉매의 단점

1) 포화압력이 높아 내압성 재료로 장치를 설계 해야된다.
2) 다량의 누설시, 독성에 주의해야한다.(허용농도 5000ppm)
3) 임계온도가 낮아서 응축하기가 어렵다.(31)
4) 윤활유와 잘 용해하지 않는다.

13. 아황산가스(SO)

냉매 번호는 R-764 사용하는 냉매 중에 독성이 제일 크다( 허용농도5PPM) -15℃ 에서

증발압력은 150hg이므로 외기 누입의 우려가 있다. 증발 잠열은 93.1/㎏이므로

비교적 크다. 26% 암모니아수를 적신 탈지면을 누설 장소에 대면 백색연기(백연반응)

발생한다. 윤활유와는 용해하지 않고 비중은 윤활유가 적다.

14. 혼합냉매

14-1. 비공비 혼합냉매
비공비 혼합 냉매는 2개 이상의 냉매가 혼합이 되어 각각 개별적인 성격을 띠며 등압의

증발 및 응축과정을 겪을 때 조성비가 변하고 온도가 증가 또는 감소되는 온도 구배를

나타내는 냉매를 말한다.

비공비 혼합냉매를 사용하면 등압에서 증발이 일어날 때 온도가 상승하고 반대로 등압

응축 과정에서는 온도가 감소한다. 즉 포화 액체에서는 포화기체 상태로 변할 때 냉매의

온도상승효과(온도구배)가 발생한다.

이와 같은 현상을 이용하면 열교환기의 열효율을 개선할 수가 있다. 비공비 혼합냉매의

가장 큰 문제점은 2상 상태에서 냉매가 누설이 되는 경우 시스템에 남아 있는 혼합냉매의

조성비가 변한다는 것이다, 냉매가 2상 상태에서 누설되었을 때 증기압이 높은 성분이

먼저 누설이 되므로 새로운 조성비를 갖는 냉매가 시스템에 존재하게된다.

따라서 냉매의 누설이 생겨 재충전을 하는 경우 시스템에 남아있는 냉매를 전량 회수한 후

새로이 냉매를 주입해야하는 단점이 생긴다.

주요 비공비 혼합냉매에는 R404A, R407C, R410A 등이 있다.

14-2. 공비혼합냉매( azeotropic compound)

공비 혼합냉매는 서로 다른 두 개의 순수물질을 혼합하였는데도 등압의 증발 또는 응축

과정 중에 기체와 액체의 성분비가 변하지 않으며 온도가 변하지 않으며 온도가 변하지

않는 혼합 냉매를 공비혼합냉매라고 한다 즉 공비혼합냉매는 혼합냉매임에도 불구하고

순수냉매와 유사한 특성 을 지니고 있으며 등압의 증발 및 응축 과정 후에는 75PPM 이하가

바람직하다. 수분량의 측정은 공비혼합냉매는 이슬점과 기포선이 서로 만나게되어 기상과

액상에서의 성분이 서로 같아 순수냉매 와 같이 행동하는 냉매이다.

공비혼합냉매의 증발 또는 응측온도는 이 냉매를 구성하는 두개의 순수 냉매보다 낮은 경우가

대부분이다,

현재 사용하는 혼합 냉매는 R500, R501, R502,R506 ,R507 등이 사용되고있다

< 혼합냉매의 종류

* R-500
1) 대기압에서 증발온도 -33.3
2) 카렌 이라는 상품명을 가지고있다.
3) 윤활유에 잘용해가되며 절연 내력이크다.
4) 혼합비 R-152 :25% R-12:73.8%

* R-501
1) 대기압 증발온도-41
2) 혼합비 : R-12 :25% R-22: 75%

* R-502
1) 대기압에서 증발온도 -46
2) R-22 보다 저온을 얻기위할때 사용된다.
3) 토출가스온도가낮고 냉동능력이크다.
4) 혼합비: R-22:48.8% R-115 :51.2%

* R-503
1) 대기압에서 증발온도 -89.1
2) 2원 냉동장치의 저온용 냉매로 사용된다.
3) R-13 보다 낮은 온도를 얻을때 사용된다.
4) 혼합비: R-23:40.1% R-13: 59.9%

 

15. 간접냉매 ( 브라인(Brine) )

브라인은 냉동장치 외를 순환하면서 피 냉각 물질로부터 감열에 의하여 열을 운반하는

매개체를 2차 냉매 또는 간접 냉매라고 한다. 브라인의 구비 조건은 열용량이 크고 전열이

양호하며 점성이 적어야한다. 응고점이 낮고 금속에 대한 부식성이 없어야 하고

누설시 냉장품에 손상을 주지 않아야 한다.

무기질 브라인 >

 탄소(C)를 포함하지 않는 브라인으로 가격은 싸지만 금속의 부식력이 크다.

1) 염화칼슘(CaCL) 브라인
흡수성이 강하고 누설되어 식품에 접촉이 되면 떫은 맛이 나기 때문에 식품 저장용으로 사용하지 않고 제빙 냉장 등 공업용으로 널리 사용.

공정점 -55  비중 1.2~1.24 be' : 24~28

2) 염화나트륨(NaCL) 브라인
주로 식품 냉동에 사용. 공정점 -21℃ 비중 1.15~1.18 be': 19~22 이며 금속의 부식력이

모든 브라인 중에 가장 크기 때문에 방청제를 사용해야하며 가격은 상대적으로 싸다.

3) 염화마그네슘(MgCl)브라인
염화칼슘 대용으로 일부 사용되는 정도이다, 공정점은 -33.6℃ 이며 금속에 대한 부식성은

염화칼슘 브라인보다 많다

<
유기질 브라인
>
탄소(C)를 포함한 브라인으로 금속의 부식력은 적으나 가격이 비싸다.

1) 에틸렌 그리콜(CH6O)브라인
금속에 대한 부식성이 적어서 모든 금속재료에 적용 할 수 있다.

2) 프로필렌 글리콜

3) R-11 메틸렌 크로라이드 ( 초저온용에 사용된다)
브라인은 부식에 대한 방지대책이 있어야 하며 PH 값은 7.5~8.2 를 유지함이 이상적이다
.
CaCl
₂수용액은 브라인 1 리터에 대하여 중크롬산소다(NaOH) 1.6 g 씩 첨가하고

중크롬산소다 100g마다 가성소다 (NaOH) 27g 씩 첨가를 한다.
NaCl
수용액은 브라인 1리터에 대하여 중크롬산소오다 3.2g 씩 첨가하고 중

크롬산소오다 100g 마다 가성소다 (NaOH) 27g 씩 첨가한다.

15-1.
브라인의 장단점


1)
열용량이 클것( 비열이클것
)
2)
전열이 양호할것

3)
점성이적을것, 응고점이 낮을것

4)
금속에대한 부식성이 없을것

5)
누설하여도 냉장품에 손상을 주지 않을것

6)
가격이싸고 구입과 취급이 용이할것


16.
프레온 냉매의 오존층파괴 현상


성층권에 도달한 프레온은 연쇄적으로 오존을 파괴하는데 CFC-11 CFC-12를 예를 들면

다음과 같다.
CFC-11 : CFCL
₃→ CFCL2
CL
CFC-12 : CF
CL₂→ CFCL
CL
이와 같은 모양으로 프롬 중의 염소원자가 유출되어 오존을 파괴하여 산소로 변화시킨다
.
CL
O₃→ CLO O CL O CL O

즉 프레온 중에 포함된 염소가 오존을 파괴하는 원소이며, 1개의 염소원자는 연쇄반응에

의해 다량의 오존 분자를 파괴한다.
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