냉매 Refrigerant

--

냉매 Refrigerant

열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 응축기에서 열을 방출하고 증발기에서 열을 흡수하는 물질. 

• 1차 냉매(primary refrigerant) – 상변화 과정을 통하여 열(현열+잠열)을 흡수 또는 방출하는 냉매. 공기, 헬륨, 수소 등
• 2차 냉매(secondary refrigerant) – 단상 상태에서 열(현열)을 교환하는 냉매. 브라인, 부동액 등

1. 냉매 명명법

냉매를 표기할 때 화학명을 그대로 쓰면 너무 복잡하고 불편하기 때문에 ANSI/ASHRAE Standard 34-2016에서 정하는 방법에 따라 

ASHRAE에서 번호를 부여하고 번호를 부여하고 냉매(Refrigerants)의 머리글자를 따서 'R+number'의 형태로 표기한다.

1.1. 접두어(接頭語)의 의미

• R : 냉매(Refrigerant) ex. R-22
• C : 탄소(Carbon)  ex. R-C318 

종종 HCFC22, HFC134a라고도 하는데 여기서 각 접두어 냉매를 이루고 있는 원자를 뜻한다.   

• B : 브로민(bromine)
• C : 염소(chlorine)
• E : 에테르 (ether)
• H : 수소(hydrogen)
• O : 올레핀 (olefins)

• CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) : 염화불탄소, 염소(Cl)원소가 함유되어 있어 오존층 파괴 주요인.    
• HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon) : 수소(H)가 함유된 CFC. 오존층 파괴지수(ODP) 0.001~0.52 . 
• HFC (Hydro-Fluoro-Carbon) : 수소화불화탄소(불화탄화수소). 오존층 파괴지수 0. 지구온난화지수(GWP)가 높음 
• FC (Fluoro-Carbon) : 불소와 탄소로만 구성된 불화탄소. PFC(Perfluorocarbon)라고도 부름.
• HFE (Hydro-fluoro-Ether)
• HFO (Hydro-fluoro-Olefin) 

1.2. 숫자 부여방법

• 10- 50번대 : 메탄계 할로겐화 탄소화합물
• 110-170번대 : 에탄계 할로겐화 탄소화합물
• 200-290번대 : 프로판계 할로겐화 탄소화합물
• C300번대 : 환상 부탄계 할로겐화 탄소화합물 (방향족 유기화합물 냉매는 C를 번호 앞에 붙임. ex. C4F8 = R-C318 
• 400번대 : 비공비(nonazeotropic) 혼합냉매
• 500번대 : 공비(azeotropic) 혼합냉매
• 600번대 : 유기화합물, 탄화수소(부탄계열 600번대), 산소화합물(610번대), 유황화합물(620번대), 질소화합물(630번대), 개발 순서로 명명
• 700번대 : 무기화합물, 7 e다음의 2자리 숫자는 분자량을 나타낸다. ex. R702(수소), R704(헬륨), R717(암모니아), R718(물), R729(공기), R744(CO2)
• 1,000번대 : 불포화 유기화합물 

- 영문 접두어 뒤의 숫자는 분자식을 나타낸다. 세자리 숫자의 첫째(100단위) 숫자가 탄소(C)수 - 1, 둘째(10단위) 숫자가 수소(H)수 + 1, 그리고 셋째 숫자가 불소(F)의수를 나타낸다. 따라서 탄소, 수소, 불소 및 염소의 네 가지 원자로 구성된 냉매의 경우, 염소 원자의 수는 (2x-y-z+5)가 된다.

- CFC계통의 냉매 이름에 표시된 숫자에서 분자식을 쉽게 알아보려면, 표시된 숫자에 90을 더하면 된다. 

90을 더하여 얻어진 세자리 숫자의 첫번째(100단위) 숫자가 탄소(C)의 수, 두 번째(10단위) 숫자가 수소(H)의 수, 그리고 세번째 숫자가 불소(F)의 수를 나타낸다. 염소(Cl)의 수는 포화화합물을 만드는데 필요한 개수이다.

1.3.  중간 알파벳 의미

- 화학식에 브롬원자(Br, Bromide)가 있는 경우는 냉매번호 우측에 영문자 “B”를 붙이고 그 다음에 취소(브롬)의 개수 ex) CBrF3 = R-13B1

1.4. 접미어의 의미

- 숫자 뒤의 영문자는 탄소가 2개 이상인 이성체(isomer)를 구분하기 위한 표시. ex) a,b,c 를 뒤에 붙임 ex) CH2FCF3 =  R-134a

2. 혼합냉매

2.1. 비공비 혼합냉매

 비공비 혼합냉매는 2개 이상의 냉매가 혼합되어 각각 개별적인 성격을 띠며, 등압의 증발 및 응축과정을 겪을 때 조성비가 변하고 온도가 증가 또는 감소되는 온도구배(temperature gliding)를 나타내는 냉매를 말한다.

▲ 비공비 혼합냉매 R134a/R123의 특성

일반적으로 두 성분으로 이루어진 비공비 혼합냉매는 초기상태가 A인 과냉액체의 온도를 상승시키면 상태 B에 이를 때까지 액상은 일정한 조성비를 나타낸다. 상태 B에 이르면 처음으로 기포가 발생하기 시작하며 이를 기포점(Bubble point)이라고 한다. 온도를 기포점 이상으로 증가시키면 증발성이 강한 성분, 즉 증발온도가 상대적으로 낮은 성분이 더 많이 증발하여 기상에 더 많이 존재하며, 액상에는 증발성이 약한 성분이 상대적으로 더 많이 남아 있게 된다. 예를 들어, 상태 C에 도달한 경우 기상은 점 2가 되며 이 점에서는 상대적으로 R134a가 많고 액상은 점 1이 되어 R123의 성분이 더 많다. 상태 D에 도달하면 기체의 성분은 상태 A에서와 같아지며 그 이상 온도를 증가시키면 성분이 일정한 기체상태가 된다. 상태 D는 과열기체상태인 점 E에서 냉각시킬 경우 처음 응축되기 시작하는 점으로서 이슬점(dew point)이라고 한다.

▲ 이상적인 Carnot Cycle과 Lorenz Cycle

비공비 혼합냉매를 사용하면 등압에서 증발이 일어날 때 온도가 상승하고 반대로 등압응축과정에서는 온도가 감소한다. 즉, 포화액체에서 포화기체상태로 변할 때 냉매의 온도상승효과(온도구배)가 발생한다. 이와 같은 현상을 이용하면 열교환기의 열효율을 개선시킬 수 있다. 그림 2.10에 있는 것처럼, 순수냉매의 경우에는 증발 또는 응축과정은 등온과정으로서 열원 또는 수열체와 감열 열교환을 할 때 한쪽 끝에 냉매와 열원의 온도가 거의 같은 점이 생기고(pinch point), 반대쪽에는 온도차가 크므로 열교환시 비가역성이 커지며 손실되는 일이 많아진다. 그러나 비공비 혼합냉매는 냉매와 열원 사이의 온도가 평형이 되게 하여 Lorenz사이클을 구성할 수 있고 평균온도차를 줄일 수 있어 비가역성이 감소되며 효율을 향상시킬 수 있다. 다만 평균유효온도차가 감소하므로 필요 열전달면적을 증가시켜야 하며, 유체의 흐름을 서로 평행이 되게 하려면 반드시 대향류 열교환기를 사용해야 한다.

 

 비공비 혼합냉매의 가장 큰 문제점은 2상 상태에서 냉매가 누설되는 경우 시스템에 남아 있는 혼합냉매의 조성비가 변한다는 것이다. 냉매가 2상 상태에서 누설되었을 때 증기압이 높은 성분이 먼저 누설되므로 새로운 조성비를 갖는 냉매가 시스템에 존재하게 된다. 따라서 냉매의 누설이 생겨 재충진을 하는 경우 시스템에 남아있는 냉매를 전량 회수한 후 새로이 냉매를 주입하여야 한다.

 현재 R22, R502 등의 대체냉매로 고려하고 있는 주요 비공비 혼합냉매에는 R404A, R407C, R410A 등이 있다.

2.2. 공비 혼합냉매

 서로 다른 두 개의 순수물질을 혼합하였는데도 등압의 증발 또는 응축 과정중에 기체와 액체의 성분비가 변하지 않으며, 온도가 변하지 않는 혼합냉매를 공비 혼합냉매라 한다. 즉, 공비 혼합냉매는 혼합냉매임에도 불구하고 순수냉매와 유사한 특성을 지니고 있으며 등압의 증발 및 응축 과정 후에는 75ppm이하가 바람직하다. 

▲ 공비 혼합냉매 R134a/Propane의 특성

수분량의 측정은 공비 혼합냉매는 그림 2.11의 Propane/R134a와  같이 특정한 조성비에서 이슬점과 기포선이 서로 만나게 되어 기상과 액상에서의 성분이 서로 같아 순수냉매와 같이 행동하는 냉매이다. 공비 혼합냉매의 증발 또는 응축온도는 그림 2.7에 나타낸 바와 같이 이 혼합냉매를 구성하는 두 개의 순수냉매보다 낮은 경우가 대부분이다.

현재까지 ASHRAE에서 냉매번호를 부여받아 사용되고 있는 주요 공비 혼합냉매로는 R500, R501, R502, R503, R505, R506, R507 등이 있다.

--

__

2015. 12. 15 작성

2015. 12. 30 수정

2016. 04. 10 ODP 오자 수정

2019. 11. 01 마이너 수정

2021. 01. 03 마이너 수정