KR100571360B1

KR100571360B1 - 대체 혼합냉매 조성물

Info

Publication number: KR100571360B1
Application number: KR1020040056691A
Authority: KR
Inventors: 김정식; 김만회; 김민수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-04-14
Also published as: KR20060009188A

Abstract

본 발명은 지구의 오존층 파괴와 지구온난화를 일으키는 원인으로 알려진 CFC계 냉매성분R-115와 HCFC-22 의 혼합냉매인 R-502를 대체하는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 에탄계 냉매성분인 펜타플로로에탄 (CHF₂CF₃)과, 프로판 (CH₃CH₂CH₃)과, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂)을 혼합하며, 혼합 성분비는 펜타플로로에탄(CHF₂CF₃) 0.05~39.95 중량 %와, 프로판(CH₃CH₂CH₃) 50~70 중량%와, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂) 0.05~49.95 중량%를 혼합하여서 된 것을 특징으로 하는 대체 혼합냉매 조성물을 제공한다.

탄화수소냉매, 혼합냉매, 냉동능력, 성능계수

Description

대체 혼합냉매 조성물{Alternative refrigerant mixture}

냉동효과를 얻는데 중요한 역할을 하는 냉매는 그 사용온도에 따라 고온용, 중온용, 저온용으로 나뉘며 저온용의 경우 -35 ~ -15 ℃의 범위에서 사용된다.

상기된 냉매로 쇼케이스, 냉동기 등 저온의 용도를 위해 R-22 : R-115를 48.8 : 51.2 중량%로 혼합한 R-502가 개발된 바 있으며, 이 R-502는 냉동성능이 우수하고 취급이 편리하며 공비혼합물의 특성으로 산업용 저온냉동기에 널리 사용되어 왔다.

그러나, 상기된 R-502는 지구 온난화와 오존층 파괴를 일으키는 성분이 포함되어 있어서 이를 대체할 물질의 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이지만, 지금까지 개발된 대체냉매물질은 냉동성능과 함께 친환경적 요구 등에 만족할만한 물질이 없으며, 특히, 대체냉매로 적용함에 있어서 기존의 냉동기를 변경할 필요가 있어서 추가적인 고비용이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기된 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로써, R-502를 냉매로 사용하는 기존 냉동기의 설계변경을 최소화하고, 환경규제를 만족하는 혼합냉매의 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 오존층 파괴와 지구온난화의 원인이 되는 CFC계 냉매인 R-502의 대체물질로서 혼합냉매를 조성하게 된다.

상기된 혼합냉매를 조성하기 위해 본 발명은, 혼합냉매의 조성물은 탄화수소계에서 선택되는 냉매의 혼합물로 탄화수소계의 2성분과 에탄계열의 1성분을 혼합하여 구현된다.

구체적으로, 본 발명은 에탄계 냉매성분인 펜타플로로에탄 (CHF₂CF₃,이하 R-125)과, 프로판 (CH₃CH₂CH₃, 이하 R-290)과, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂, 이하 R-1270)을 혼합하되, 혼합 성분비는 펜타플로로에탄(CHF₂CF₃) 0.05~39.95 중량 %와, 프로판(CH₃CH₂CH₃) 50~70 중량%와, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂) 0.05~49.95 중량%를 혼합하여서 된 것을 특징으로 한다.

<실시예>

상기된 냉매에 필요한 조건은 기능적인 면에서는 적절한 비등점(임계온도)와 큰 잠열을 갖는 것이다. 또한, 안전 면에서 독성이 없고, 기기의 사용면에서 열분해나 화학분해 되기 어려운 안정된 물질이며, 냉동기유와 잘 용해되는 성질을 갖는 것이다.

특히, 혼합냉매의 경우, 응축과 증발과정에서 조성비 변화가 최소가 되며 온도구배가 크지 않은 것을 추구해 왔으며, 더불어 대체화의 원인이 되는 환경파괴가 적은 것, 생산 제조 비용이 적을 것 등도 중요한 요건이다.

참고적으로, 냉매의 종류별 열역학적 특성을 보면 기존의 저온용 냉매인 R-502는 냉동능력이 우수하나 환경규제대상물질이며, 대체냉매로 사용되고 있는 R-404A는 오존층 파괴지수 (ODP)는 0이지만, 여전히 지구온난화지수가 커서 잠재적으로 대체의 대상이 되고 있다.

다음의 표 1은 본 발명에 의한 혼합냉매 조성물로, R-290 : 125 : 1270 가 54 : 1 : 45 (각 중량 %)일 때 조성 1로, 59 : 8: 33 (각 중량 %)를 조성 2로, 66 : 29 : 5 (각 중량 %) 일 때의 경우를 조성 3로 표시하여 기존의 냉매와 열역학적 성질을 비교한 것이다.

본 발명에 의한 혼합 냉매 조성물의 열역학적 성질

		R-502	R-404A	조성 1	조성 2	조성 3
조성		2성분 혼합	3성분 혼합	3성분 혼합	3성분 혼합	3성분 혼합
분자량		111.6	100.3	43.4	45.7	53.85
비등점		-45.4	-46.2	-46.1	-45.8	-45.5
임계온도 [℃]		80.73	72.14	94.54	83.69	88.84
임계압력 [MPa]		4.018	3.735	4.619	4.605	4.47
임계밀도 [kg/m³]		568.9	488.5	223.2	233.3	271.6
인화성		없슴	없슴	있슴	있슴	있슴
0℃에서 열전도율 [W/mK]	액 상	0.07	0.0795	0.1112	0.1073	0.0956
0℃에서 열전도율 [W/mK]	기 상	0.0097	0.0123	0.0153	0.0153	0.0153
0℃ 증발잠열[kJ/kg]		147.0	165.3	367.6	348.4	291.4
오존층파괴지수(ODP)		0.221	0	0	0	0
지구온난화지수(GWP)		6200	4540	513	823	1683

본 발명에 의한 혼합냉매 조성물은 R-502와 대체냉매인 R-404A와 비교하여 비등점이 매우 유사하다. 또한, 분자량이 작고 증발잠열이 2배 이상 높아서 냉매로써 좋은 조건을 구비하고 있다.

특히, 상기 혼합냉매 조성물은 오존층 파괴지수(ODP)가 0이며 지구온난화지수 (GWP)도 혼합성분의 조성에 따라 2000 이하인 점에서 우수한 친환경적인 특성을 가지고 있다.

R-502 대체냉매로 제안한 상기 조성물이 산업용 냉동기, 쇼케이스 등 저온용으로 이용할 수 있는지 검토하기 위해 응축 및 증발압력, 냉매유량, 압축비, 성적계수 등의 이론 사이클 특성 해석을 ASHARE의 LBP(low back pressure) 조건하에서 수행하였다. 이를 위한 조건은 표 2와 같으며 그 결과는 표 3과 같다.

이론 사이클 해석을 위한 조건

증발온도 [℃]	-23.3
응축온도 [℃]	54.4
압축기입구온도 [℃]	32.2
응축기출구온도 [℃]	32.2
주위온도 [℃]	32.2

냉매의 물성치 계산은 미국 NIST의 냉매물성치 프로그램(Refprop 6.01)을 이용하였다. 각 조성에 대해 p-h 선도상에서 주어진 조건의 사이클을 그린 후, 각 점에서의 상태를 찾아내어 증발과 응축압력, 온도구배, 체적냉동능력, 성능계수 등을 상호 비교하였다.

이론 사이클 해석 결과

	R-502	R-404A	조성 1	조성 2	조성 3
평균증발온도 [℃]	-23.3	-23.3	-23.3	-23.3	-23.2
증발압력 [MPa]	0.257	0.271	0.257	0.263	0.288
증발온도구배 [℃]	0	0.42	0.38	1.37	4.62
평균응축온도 [℃]	54.4	54.4	54.4	54.4	54.4
응축압력 [MPa]	2.331	2.546	2.146	2.175	2.306
응축온도구배 [℃]	0	0.27	0.41	1.47	5.02
흡입가스밀도[kg/m³]	11.74	10.85	4.56	4.91	6.36
체적냉동능력 [kJ/m³]	1618.9	1680.7	1585	1615	1734
압축비	9.07	9.41	8.35	8.27	8.02
성능계수	2.76	2.44	2.94	2.75	2.63

상기된 이론 사이클 해석결과를 보면, 본 발명의 혼합냉매 조성물은 R-502과 증발온도와 응축온도가 일치하고 증발압력과 응축압력이 15% 이내에서 유사하며 압축비도 10% 정도 작아서 압축기의 소요동력을 절약할 수 있다.

더불어, 상기 혼합냉매 조성물의 체적냉동능력은 R-502와 동등하며, 성능계수도 조성에 따라 동등하거나 높으며, 증발과 응축과정에서 온도구배가 나타나는 비공비 혼합냉매의 특성을 보이는데, 온도구배가 크지 않고, 조성 1의 경우와 같이 냉매의 조성에 따라 1 ℃ 이내의 근공비의 특성을 가질 수 있다.

이상에서 설명된 것과 같이 본 발명은, 지구환경파괴물질로 규제대상인 R-502 냉매를 대체하여 사용할 수 있으며, 냉매 혼합 조성에 따라서, 증발과 응축온도, 증발과 응축압력을 비롯한 냉동특성이 R-502와 유사하므로 기존 냉동기의 설계변경을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 분자량이 적어서 냉동기에 충진하는 냉매의 사용량을 줄일 수 있어서 냉동기제품의 제조원가 절감을 기대할 수 있으며, 냉동능력도 기존냉매를 사용한 냉동기 대비 동등이상의 효율을 얻게 되는 효과가 있다.

Claims

에탄계 냉매성분인 펜타플로로에탄 (CHF₂CF₃,이하 R-125)과, 프로판 (CH₃CH₂CH₃, 이하 R-290)과, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂, 이하 R-1270)을 혼합하되, 혼합 성분비는 펜타플로로에탄(CHF₂CF₃) 0.05~39.95 중량 %와, 프로판(CH₃CH₂CH₃) 50~70 중량%와, 프로필렌 (CH₃CH=CH₂) 0.05~49.95 중량%를 혼합하여서 된 것을 특징으로 하는 대체 혼합냉매 조성물.
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