냉매(Refrigerant)
출처 : 냉동공조산업저널 랙즈2008.12
(주)풀솜기술연구소 이해열 연구소장
3. 열역학적 성질
순수물질의 열역학적 성질 중 가장 중요하며 기본적인 성질은 압력/체적/온도 관계이다. 냉동/공조기에는 증기압에 따라 저압, 중압, 고압 냉매가 쓰이며, 저압 냉매의 경우 기존 냉매로는 R11, 대체 냉매로는 R123이 쓰이고 있으며, 중압 냉매의 경우 기존 냉매로는 R12, 대체 냉매로는 R134a가 쓰이고 있으며, 고압 냉매의 경우 기존 냉매로는 R22, 대체 냉매로는 R407C, R410A가 쓰이고 있으며, 차량 냉동의 경우 기존 냉매로는 R502, 대체 냉매로는 R404A가 가장 많이 쓰이고 있다.
(3-1) 온도와 압력, 비등점 및 임계온도
냉매에 따라서 같은 온도에서도 그 포화 압력은 매우 다르며, 포화 압력에 로그를 취한 값과 온도의 역수는 근사적으로 직선 관계를 가진다. 압력이 표준 대기압(101.325kpa)일 때의 포화 온도를 비등점이라 하며, 이 비등점은 냉매의 특성을 나타내는 대표적인 수치로 다음과 같은 특성을 가진다.
① 비등점이 낮은 냉매는 압력이 높다.
② 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 압축기의 행정체적이 적다.
(즉) 동일한 행정체적의 압축기에 대하여 냉동능력이 크다.
③ 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 저온용으로 적당하다.
④ 비등점이 낮은 냉매는 저압 및 고압 사이의 압축비가 적다.
임계온도란 포화 액체와 포화 기체가 공존하는 점에서의 온도로, 이 온도 이상에서는 압축을 해도 응축이 일어나지 않으며, 냉매의 경우 임계온도가 높을수록 좋은데, 그 이유는 대게 임계온도가 높은 냉매일수록 성능계수가 좋기 때문이다.
(3-2)증발 잠열
어떤 일정한 온도 하에서 냉매1kg이 포화액체에서 포화증기로 변할 때에 흡입하는 열량을 그 온도에서의 증발잠열이라고 하며 단위는 kJ/kg이다. 증발온도(증발압력)가 높아지면 증발잠열은 감소하며 임계온도에서는 0이 된다.
(3-3) 비열 비(K:ratio of specific heat) R=CV/체
비열 : 어떤 물질1kg의 온도를 1℃ 상승시키는데 필요한 열량으로 물질의 종류에 따라 다르며 온도의 함수이다. 또한 열역학적 조건에 따라 정압비열(Cp)와 정적비열(Cv)로 구분한다. 비열비가 큰 냉매는 압축기 토출가스 온도가 높다.
정압비열 : 일정 압력하에서 1kg의 완전 가스 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량
정적비열 : 일정한 체적하에서 1kg의 완전 가스를 1℃ 높이는데 필요한 열량
(3-4) 압축기 체적 용량
이 값은 압축기 흡입 단위 체적당 냉동능력으로 단위는 kJ/m3이며, 냉동 사이클에서 매우 중요한 값이다. 기본적으로 이 값은 냉매의 비등점에 의하여 결정된다. 이 값이 큰 냉매는 소형의 압축기를 사용할 수 있다. 예) R22와 R410A를 비교하면, R410A용 압축기의 행정체적은 같은 온도조건에서 R22용 압축기 행정체적의 60% 정도만 되면 동일한 냉동능력을 낼 수 있다.
(3-5) 성능계수(Coefficient of Performance)
성능 계수는 사용하는 냉매에 따라 조금씩 다르지만, 동일한 온도 조건하에서는 냉매에 따라 큰 차이를 보이지 않는다.
4. 혼합냉매 및 자연냉매
(4-1) 혼합냉매
단일냉매로 원하는 특성을 얻을 수 없는 경우 2개 이상의 순수냉매를 혼합한 혼합냉매를 이용한다. 특히 최근 heat pump에 관한 혼합냉매의 응용연구가 가열능력 및 성능계수의 향상을 위해 개발되고 있다. 또한 비공비 혼합냉매는 오존층 파괴에 대한 억제효과도 있어서 대체냉매로서 상업화되고 있다.
(1) 비공비 혼합냉매(ZEOTROPE)
비공비 혼합냉매는 2개의 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.
일반적으로 두 성분으로 이루어진 비공비 혼합냉매는 (그림3)의 R134a/R123의 특성을 나타낸다. (그림3)에서 초기상태가 A점인 과 냉각 액체의 온도를 상승시키면 상태 B점에 도달할 때까지 액상은 일정한 조성비를 나타낸다. 상태 B점에 이르면 처음으로 기포(機砲)가 발생하기 시작하며 이를 기포점이라 한다. 온도를 기포점 이상으로 증가시키면 증발성이 강한 성문, 즉 증발온도가 상대적으로 낮은 성분이 더 많이 증발하여 기상에 더 많이 존재하며, 액상에는 증발성이 약한 성분이 상대적으로 더 많이 남아 있게 된다.
그림3 비공비 혼합냉매의 특성
예를 들어 상태C점에 도달한 경우 기상(氣相)은 점 2가 되며 이 점에서는 상대적으로 R134a가 많고 액상(液狀)은 점 1이 되어 R123의 성분이 더 많다. 상태 D점에 도달하면 기체의 성분은 상태 A점에서와 같아지며 그 이상 온도를 증가시키면 성분이 일정한 기체 상태가 된다. 상태 D점은 과열기체 상태인 점 E에서 냉각시킬 경우 처음 응축되기 시작하는 점으로서 이슬점이라고 한다.
비공비 혼합냉매를 사용하면 등압에서 증발이 일어날 때 온도가 상승하고 반대로 등압응축 과정에서는 온도가 감소한다. 즉, 포화액체에서 포화기체 상태로 변할 때 냉매의 온도상승효과(온도구배)가 발생한다. 이와 같은 현상을 이용하면 열교환기의 열효율을 개선시킬 수 있다. 순수냉매의 경우에는 증발 또는 응축과정은 등온과정으로서 열원 또는 수열매체와 감열 열 교환을 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 평균 온도차를 줄일 수 있어 비가역성이 감소되며 효율을 향상시킬 수 있다. 다만 평균유효 온도차가 감소하므로 필요 열 전달면적을 증가시켜야 하며, 유체의 흐름을 서로 평행이 되게 하려면 반드시 대향류(對向流) 열 교환기를 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 재충전을 하는 경우 시스템에 남아 있는 냉매를 전량 회수한 후 새로이 냉매를 주입하여야 한다. 현재 R22, R502 등의 대체냉매로 고려하고 있는 주요 비공비 혼합냉매는 R404A, R401A 등이 있다.
(2) 공비 혼합냉매(AZOTROPE)
서로 다른 두 개의 순수물질을 혼합하였는데도 등압의 증발 또는 응축과정 중에 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 75ppm 이하가 바람직하다. 수분량의 측정은 공비 혼합냉매는 (그림4)의 Propane/R134a와 같이 특정한 조성비에서 이슬점과 기포선이 서로 만나게 되어 기상과 액상에서의 성분이 서로 같아 순수냉매와 같이 행동하는 냉매이다. 공비 혼합냉매의 증발 또는 응축온도는 혼합냉매를 구성하는 두 개의 순수냉매보다 낮은 경우가 대부분이다.
현재까지 ASHRAE에서 냉매번호를 부여 받아 사용되고 있는 주요 공비 혼합냉매로는 R500, R501, R502, R503, R505, R506, R507 등이 있다.
그림4 공비 혼합냉매의 특성
(4-2) 자연냉매
물, 암모니아, 질소, 이산화탄소, 프로판, 부탄 등은 인공화합물이 아니고 지구상에 자연적으로 존재하는 물질이므로 자연냉매라 하며, 지구 환경에 추가적으로 악영향을 미치지 않기 때문에 냉매로서 적용하는 것이 적극적으로 검토되고 있다. 오존층 문제가 제기되기 전까지 CFC냉매에 비하여 자연냉매가 잘 활용되지 않은 이유는 그 나름대로의 문제점이 있었기 때문이며, 이런 문제점은 아래에서 설명한다. 그러나 CFC/HCFC의 사용이 규제를 받고 특히 지구 온난화에 대한 규제가 더욱 심화되면 자연냉매에 대한 관심 및 연구가 더욱더 활발히 진행되리라 본다.
(1)탄화수소
탄화수소는 탄소와 수소만으로 구성된 냉매로서 R50(메탄), R170(에탄), R290(프로판), R600(부탄), R600a(이소부탄), R1270(프로필렌) 등이 있다. 탄화수소는 독성이 없으며, 화학적으로 안정적이며 광유에서 적절한 용해도를 나타낸다. 또한 탄화수소는 오존층붕괴지수가 0.0이며 지구온난화 지수도 매우 낮아, 이산화탄소의 지구 온난화 지수를 1.0으로 하였을 때, R12는 7100, R134a는 1200이나, 프로판은 이보다 매우 낮은 3.0을 나타내고 있다. 탄화수소는 냉매로서 우수한 열역학적 특성을 지니고 있으나 가연성이 문제점으로 지적되고 있다.
대게 탄화수소는 액체의 비체적이 크기 때문에 동일한 냉동능력을 내는 경우에 다른 냉매에 비하여 냉매 주입량이 감소한다. 예) 가정용 냉장고의 경우 프로판을 적용하면 냉매 주입량은 R12에 비해 절반 정도로 감소된다. 탄화수소 순수냉매로 기존 냉매의 증기압 및 용량을 만족시킬 수 없는 경우에는 탄화수소와 탄화수소 혹은 탄화수소와 HFC 냉매 등을 혼합한 혼합냉매를 적용할 수 있다.
(2) 암모니아
암모니아는 우수한 열 역학적 특성 및 높은 효율을 지닌 냉매로서 제빙, 냉동, 냉장 등 산업용의 증기 압축식 및 흡수식 냉동기 작동 유체로 널리 사용되어 왔다. 작동압력이 다소 높고 인체에 해로운 특성을 지니고 있으므로 전문 인력이 상주하는 산업용 대용량 시스템에 주로 사용되어 왔으며, 소형에는 특수 목적에만 이용되었다. 암모니아를 소형시스템에 적용하기 위해서는 수냉식, 공랭식 시스템을 개발해야 하는데, 최근 들어 CFC/HCFC 냉매의 규제로 인하여 암모니아에 대한 대체냉매 연구가 많이 수행되고 있다.
(3) 물
물은 환경에 대한 피해가 전혀 없으며 손쉽게 구할 수 있다는 장점을 갖고 잇다. 물은 투명하며 무해, 무취, 무미한 냉매로 동결점이 매우 높고 비체적이 크므로 압축기가 소화하여야 할 체적유량 및 압축비가 너무 크기 때문에 증기 압축식 냉동기에는 사용이 제한되어 왔다. 그러나 흡수식 냉동기의 작동유체로 널리 사용되고 있다.
(4) 공기
공기는 물과 같이 투명하고 무해, 무취, 무미한 냉매로서 소요능력이 크고 성적계수가 낮으므로 주로 항공기 내부의 공지조화나 공기액화 등에 사용된다.
(5) 이산화탄소
이산화탄소는 할로카본 냉매가 사용되기 이전에 암모니아와 더불어 선박용 냉동, 사무실이나 극장 등의 냉방을 위한 냉매로 가장 많이 사용되었다. 그러나 할로카본의 등장과 함께 이산화탄소의 사용은 점차 감소되었고, 최근에는 특수한 용도 이외에는 거의 사용되고 있지 않다. 이산화탄소는 안정성이 뛰어나고, 무취, 무독하고 부식성이 없고, 연소 및 폭발성이 없는 물질로서 냉매회수가 필요 없으며, 일반 윤활유와 양호한 상용성을 가지고 있다.이산화탄소는 포화압력이 높기 때문에 냉동기 설계시 내압성 재료를 사용하여야 한다. 하지만 다른 냉매에 비하여 가스의 비체적이 매우 작기 때문에 체적유량이 적으며 냉동장치를 소형의 시스템으로 제작할 수 있는 장점이 있다. 그러나 냉매의 임계온도(31℃)가 낮으므로 냉각수의 온도가 충분히 낮지 않으면 응축기에서 액화가 되지 않는 단점이 았다.