KR20060009189A

KR20060009189A - 대체 혼합냉매 조성물

Info

Publication number: KR20060009189A
Application number: KR1020040056692A
Authority: KR
Inventors: 김만회; 김주혁; 김민수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-01-31

Abstract

본 발명은 환경문제를 야기함으로 인해 생산이 규제되고 있는 저온 냉동기용 프레온계 혼합냉매인 R-502를 대체하여, 환경문제를 해소함과 동시에 냉동용량 및 그 성능이 우수한 저온용 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 냉동시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서, 프로판과 디플로로메탄이 혼합되며, 그 혼합비가 프로판 88~98 중량%와, 디플로로메탄 2~12 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 하는 대체 혼합냉매 조성물을 제공한다.

냉매, 프로판, 디플로로메탄, R-290, R-32, 냉동, 공조, R-502

Description

대체 혼합냉매 조성물{alternative refrigerant mixture}

통상적으로, R-502 냉매를 사용하는 냉동기 시스템에 순수 프로판을 냉매로 적용했을 경우에 냉매의 체적냉동능력이 작기 때문에 같은 냉동능력을 가지기 위해서는 압축기의 크기가 더 커져야 하는 문제가 있다.

안정된 화학적 성질과 우수한 열역학적 성질로 인하여 저온용 냉동기에 주로 사용되어온 R-502냉매는 R-22와 R-115가 48.8%, 51.2%의 중량비로 혼합되어 있는 프레온계 공비혼합냉매이다.

그러나, 상기 냉매 R-502에 포함되어 있는 CFC 계열 냉매 R-115와 HCFC 계열 냉매 R-22가 대기 중에 방출되었을 때, 이들 물질에 포함되어 있는 염소 (Cl) 성분이 오존층을 파괴시킨다는 사실이 밝혀졌으며 지구온난화에도 원인이 되는 물질로 판명됨에 따라 그 생산과 사용이 이미 금지되었거나 금지될 예정에 있다.

따라서, 이러한 기존의 냉매를 대체할 수 있는 새로운 물질의 개발이 냉동 및 공조 산업 분야의 중요한 연구 과제가 되고 있으며, 최근에 개발 상용화된 R-502 대체냉매로는 R-404a(R-125/R-143a/R-134a, 44%/52%/4%), R-407a(R-32/R-125/R-134a, 20%/40%/40%), R-407b(R-32/R-125/R-134a, 10%/70%/20%), R-507(R-125/R-143a, 50%/50%) 등이 있다.

여기서, 상기된 대체냉매는 지구환경을 파괴시키는 성분을 포함하지 않아야 함은 물론이고, 기존에 사용하던 냉매와 열역학적 물성치들이 유사한 것이 바람직하다.

이 중 열역학적 성질을 고려해 볼 때, 한 가지 성분의 순수냉매로서 기존에 사용하던 냉매의 열역학적 성질과 유사한 성질을 갖는 대체냉매를 찾는 것이 매우 어려우며, 이러한 경우에는 2성분, 혹은 다성분 혼합물을 대체냉매로서 사용하여야만 한다.

따라서, 현재는 HFC 계열의 냉매 및 이들의 혼합물이 대체물로 많이 제시되고 있으며, 위의 혼합냉매들은 오존층을 파괴하지 않는 HFC 계열 냉매들로 이루어지지만, 지구온난화지수가 높고, 합성물질로 이루어져 가격이 비싸며 일반적으로 사용하던 압축기의 냉동기와 호환되지 않기 때문에 냉동시스템에 적용시 새로운 문제점이 노출된다는 단점을 가지고 있다.

특히, 최근의 기상이변 등이 지구온난화에 등에 기인한다는 사실을 감안할 때 지구온난화지수가 큰 HFC 계열 냉매를 사용하는 것은 바람직하지 않다고 할 수 있으며, 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위한 해결책으로 자연에 존재하는 물질을 냉매로 사용하여 기존의 냉동기와 호환되어 그 냉각성능이 우수한 대체 혼합냉매를 구현해야 한다는 요구가 발생된다.

본 발명의 상기된 요구에 부응하기 위해 창안된 것으로써, 오존층 파괴와 지구온난화 등의 환경문제를 야기하지 않으며 동시에 저온냉동기의 냉동능력과 성능을 향상시킬 수 있는 대체 혼합냉매를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기된 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 냉매의 포화압력이 낮고 체적냉동능력이 작은 프로판의 단점을 보완하기 위해, 프로판(CH₃CH₃CH₃, R-290)에 HFC 계열 냉매 중 지구온난화지수가 낮은 디플로로메탄(CH₂F₂, R-32)을 혼합하여서 된 대체냉매를 구현한다.

구체적으로 본 발명은, 냉동시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서, 프로판과 디플로로메탄이 혼합되며, 그 혼합비가 프로판 88~98 중량%와, 디플로로메탄 2~12 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 한다.

<실시예>

기본적으로 R-502의 대체냉매는 지구온난화와 오존층파괴 등의 환경문제를 야기하지 않아야 하며, 냉매로서의 열역학적 성질이 우수해야 한다. 또한 R-502를 적용한 저온 냉동기용 시스템과 비교하여 냉동성능 및 냉동용량이 같거나 커야 하고 효율이 높은 대체냉매를 개발해야 대체물질로서 유용하게 사용될 수 있다.

순수 프로판과 R-32와 기존에 사용되던 R-502, R-404a의 비등점, 증기압, 열전도율, 점도, 표면장력, 정압비열과 정적비열의 비, 증발잠열, 지구온난화지수, 오존층파괴지수 등의 열역학적 성질을 비교의 목적 하에 표 1에 나타내었다.

여러가지 냉매의 열역학적 특성

	R-502	R-404a	Propane	R-32
분자량, kg/kmol	111.6	97.6	44.1	52.02
비등점, ℃	-45.4	-46.2	-42.1	-51.65
증기압 (℃35/40 ℃), kPa	159.8/ 1681	170.8/ 1833	137.1/ 1369	221.4/ 2478
임계온도, ℃	80.73	72.14	96.70	78.11
증발잠열 (at 0 ℃), kJ/kg	147.1	165.3	374.5	315.29
액상정적비열 (at 0 ℃), kJ/kgK	0.6661	0.8597	1.580	0.9386
기상점도 (at 25 ℃), ×10^-6kg/ms	13.0	12.53	8.737	13.05
열전도율 (기상/액상 at 0 ℃), W/mK	0.00982/ 0.07257	0.01289/ 0.07783	0.01911/ 0.09294	0.01179/ 0.1541
표면장력 (at 0 ℃), N/m	0.00854	0.00750	0.00698	0.01099
Cp/Cv (기상비열비 at 0 ℃ )	1.237	1.236	1.277	1.470
오존층파괴지수	0.23	0	0	0
지구온난화지수	4300	3750	3	650

상기 표 1에서와 같이 혼합냉매의 구성 물질인 프로판과 R-32는 분자량이 작기 때문에 동일한 냉동용량의 시스템에 적용할 때 냉매를 절약할 수 있으며, 프로판의 증기압은 R-502와 R-404a에 비해 약간 작은 편이다.

또한, R-32의 증기압은 다른 냉매들에 비해 크지만, 프로판에 R-32를 소량 섞음으로써, R-502 냉매와 비슷한 증기압을 형성할 수 있다.

상기 증발잠열이 크면 적은 양의 액상냉매로 소요냉동능력을 얻을 수 있다는 장점이 있으며, 프로판과 R-32는 R-502에 비해 증발잠열이 두 배 이상 큰 특징을 가지고 있다.

즉, 증발잠열에 비해서 냉매의 액상비열이 크면 팽창과정 동안 다량의 기상냉매가 발생하게 되며, 팽창과정에서 발생한 냉매증기는 냉동능력이 없기 때문에 그만큼 냉동용량이 감소하게 된다.

따라서, R-32의 경우 증발잠열에 대한 액체비열의 비율이 기존 사용되는 냉매들의 반 정도로 작은 특징을 가지며 프로판은 R-502와 R-404a에 비해 약간 작은 특징을 갖기 때문에 팽창과정에서의 상변화에 따른 냉동용량의 감소를 줄일 수 있는 장점이 있다.

상기 냉매의 점도가 작으면 압축기 내에서의 유동저항 등을 줄일 수 있기 때문에 압축기의 체적효율을 증가시킬 수 있으며, 프로판의 기상점도는 R-502, R-404a에 비해 작고 R-32는 약간 큰 특징을 가지고 있기 때문에 이를 적절히 혼합하게 되면 압축기의 체적효율을 보다 유리하게 운영할 수 있게 된다.

열교환기는 냉동기의 주요 부품으로 시스템 부피의 대부분을 차지하는 것으로, 제안된 크기의 열교환기에서 효율적인 열교환이 이루어지기 위해서는 냉매의 열전달 특성이 우수해야 한다.

여기서, 열전도율이 낮으면 열교환기의 열전달 면적을 크게 하거나 이차유체 와의 온도차를 크게 해야 하고, 열교환기의 열전달 면적을 크게 하면 냉동기의 단가가 높아짐과 동시에 이차유체와의 온도차를 크게 하면 냉동기의 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.

따라서, 열전달 특성을 결정하는 인자 중 하나인 열전도율이 프로판과 R-32의 경우에 R-502와 R-404a에 비해 매우 우수하기 때문에, 동 체적상의 열교환기가 갖는 냉각효율은 프로판과 R-32의 혼합에 의해 향상될 수 있다.

상기 표면장력이 작으면 액상냉매에 의해서 증발기 열교환기 관내 표면이 잘 젖게 되어 열전달 효과가 상승하게 되는데, 프로판의 표면장력은 기존 두 냉매보다 작으며 R-32는 큰 특징을 갖기 때문에 프로판 R-32는 적절히 혼합되어 대체냉매를 형성하게 된다.

상기 정적비열에 대한 정압비열의 비가 작으면 압축기에서 압축 시에 냉매 가스 온도의 상승이 크지 않기 때문에 압축비를 보다 넓게 설정할 수 있으며, 증발온도가 낮은 경우에도 1단 압축으로 냉동기를 구성할 수 있게 된다.

따라서, 프로판은 R-502와 R-404a의 비열 비율과 비슷한 정도의 값을 가지며, R-32는 큰 값을 갖는다.

전술된 바 있듯이, 프레온계 혼합냉매인 R-502는 오존층을 파괴하고 지구온난화지수도 높으며, HFC계 혼합냉매인 R-404a는 오존층파괴지수는 영이지만 지구온난화지수가 높은 편이다.

이에 반하여, 자연에 존재하는 천연냉매인 프로판은 오존층파괴지수가 영(0) 이며 지구온난화에 대한 영향도 미미하고, R-32는 다른 HFC 계 냉매보다 지구온난화지수가 매우 낮기 때문에 본 발명에 의한 혼합냉매에서는 프로판에 소량의 R-32를 혼합하여 지구온난화에 대한 영향은 매우 적다.

결국, 본 발명에 따른 혼합냉매는 상기된 열역학적 특성에 근거하여 우수한 열역학적 성질과 환경친화적인 성질을 갖는 두 냉매를 적절히 조합한 것으로서 냉매로서 우수한 성질을 갖도록 조성하게 된다.

본 발명의 혼합 냉매 중 특정 조성의 혼합냉매를 선정 조합하여 표 2에 나타내었다. 또한, 표 2에 나타낸 특정 조성의 혼합냉매와 R-502, R-404a 그리고 순수 프로판에 대하여 이론 사이클 특성 해석을 수행하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

여기서, 이론 사이클 특성 해석을 위한 표준 조건으로는 ASHRAE L.B.P를 사용하였고, 냉매의 열물성을 계산하기 위해서 냉매물성프로그램인 REFPROP 6.01를 사용하였으며, 압축기의 효율은 100%로 가정하였다.

또한, 열교환 시 온도가 변하는 혼합냉매와 온도가 변하지 않는 냉매를 비교하기 위하여 열교환할 때의 냉매의 평균온도를 같게 하는 방법을 사용하였다.

프로판/R-32 혼합냉매 조성물

	프로판, 중량%	R-32, 중량%
1	96	4
2	94	6
3	92	8
4	90	10

이론 사이클 특성 해석 (ASHRAE L.B.P)

	R-502	R-404a	Propane	1	2	3	4
응축압력, kPa	2331	2545.5	1883	2070	2159	2242	2326
응축온도구배, ℃	0	0.27	0	5.07	7.05	8.7	10.05
증발압력, kPa	255.1	270.6	216.6	265.5	285	301	315
증발온도구배, ℃	0	0.65	0	9.30	12.21	14.35	15.89
압축비	9.14	9.41	8.69	7.80	7.58	7.45	7.38
압축기토출온도, ℃	120.4	113.7	115.8	113.9	113.7	113.9	114.5
증발기입구건도	0.383	0.424	0.351	0.367	0.373	0.377	0.381
냉동부하, kJ/kg	137.98	154.9	354.5	344.5	339.9	335.4	331.1
체적냉동능력, kJ/m³	1606.1	1680.7	1378.7	1662.9	1770.9	1854.4	1924.7
성능계수	2.63	2.61	2.72	2.84	2.86	2.87	2.85

상기 표 3에 기인하여, 순수프로판의 기상 비체적이 크기 때문에 체적냉동능력이 작은 특징을 갖는데, 이는 R-32를 소량 혼합함으로써 냉매의 체적냉동능력이 높아진 혼합냉매를 얻었다.

또한, 상기 프로판과 R-32 혼합냉매들의 냉동부하는 R-502와 R-404a에 비해 두 배 이상 크며, 성능계수 역시 큰 특징을 가지고 있으며, 혼합냉매들의 압축기의 압축비는 작은 특징을 가지고 있다.

따라서, 본 발명에 의한 혼합냉매 조성물은 기존의 냉매에 비해 냉동부하, 체적냉동능력, 성능계수가 모두 큰 특징을 갖는다.

이상에서 설명된 것과 같이 본 발명은, 지구 환경을 파괴하는 물질로 규정된 저온 냉동용 냉매 R-502를 대체할 수 있으며, 냉동용량 및 성능 면에서도 더 우수한 효과를 기대할 수 있다.

즉, 본 발명은, 지구온난화 현상이 최소화되어 환경 문제를 야기하지 않고, 냉매로서 뛰어난 열물성을 갖는 프로판과 R-32를 혼합하여 기존 냉매인 R-502와 증기압이 비슷하고 냉동용량 및 성능은 더 뛰어난 냉매를 냉동시스템에 적용함으로써 냉동기 제조원가 및 운영비를 줄일 수 있는 효과를 얻게 된다.

Claims

냉동시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서,

프로판과 디플로로메탄이 혼합된 것을 특징으로 하는 대체 혼합냉매 조성물.
프로판 88~98 중량%와, 디플로로메탄 2~12 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 하는 대체 혼합냉매 조성물.