KR100648412B1

KR100648412B1 - 저온용 혼합냉매 조성물

Info

Publication number: KR100648412B1
Application number: KR1020050084013A
Authority: KR
Inventors: 김만회; 김민수; 김주혁; 조진민; 이재승
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2006-11-24

Abstract

본 발명은 저온 냉동기용으로 사용되는 프레온계 혼합냉매인 R502(R22/R115, 48.8 중량%/51.2 중량%)의 대체냉매로서, 천연냉매인 프로필렌(propylene, R1270) 90~96중량%와 HFC계열 냉매 중 지구온난화지수가 낮은 디플르오르메탄(difluoro-methane, R32) 4~10 중량%의 냉매로 구성된 환경친화적인 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 혼합냉매는 기존의 저온 냉동기에서 사용된 R502와 달리 오존층 파괴 등의 환경문제를 야기하지 않으며 현재까지 대체냉매로 제안된 HFC계열 혼합냉매들보다 지구온난화지수가 백분의 일정도로 낮은 특징이 있다. 또한, 냉동용량 및 성능과 압축기의 냉동 체적 용량 등이 우수하여 현재 사용되고 있는 저온용 냉동기에 바로 적용 가능하다.

냉매, 프로필렌, 디플르오르메탄, R1270, R32, 냉동, 공조, R502

Description

저온용 혼합냉매 조성물{Low temperature alternative refrigerant composition}

본 발명은 환경문제를 야기함으로 인해 생산이 규제되고 있는 저온 냉동기용 프레온계 혼합냉매인 R502를 대체할 수 있는 자연냉매인 프로필렌과 HFC 계열 냉매인 디플루오르메탄(R32)으로 구성된 혼합냉매에 관한 것이다.

안정된 화학적 성질과 우수한 열역학적 성질로 인하여 저온용 냉동기에 주로 사용되어온 R502냉매는 R22와 R115가 각각 48.8%, 51.2%의 중량비로 혼합되어 있는 프레온계 공비혼합 냉매이다. 냉매 R502에 포함되어 있는 CFC 계열 냉매 R115와 HCFC 계열 냉매 R22가 대기 중에 방출되었을 때, 이들 물질에 포함되어 있는 염소 성분이 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀졌으며 지구온난화에도 원인이 되는 물질로 판명됨에 따라 그 생산과 사용이 이미 금지되었거나 금지될 예정이다. 따라서 이러한 기존의 냉매를 대체할 수 있는 새로운 물질의 개발이 냉동 및 공조 산업 분야의 중요한 연구 과제가 되고 있다.

대체냉매는 지구환경을 파괴하는 성분을 포함하지 않아야 함은 물론이고, 기존에 사용하던 냉매와 열역학적 물성들이 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 2 성분, 혹은 여러 성분 혼합물을 대체냉매로서 사용하는 것이 바람직하며, 이로 인해 현재는 HFC 계열의 냉매 및 이들의 혼합물이 대체물로 많이 제시되고 있는 실정이다.

최근에 개발 상용화된 R502 대체냉매로는 R404A(R125/R143a/R134a, 44%/52%/4%), R407a(R32/R125/R134a, 20%/40%/40%), R407b(R32/R125/R134a, 10%/70%/20%), R507(R125/R143a, 50%/50%) 등이 있다. 위의 혼합냉매들은 오존층을 파괴하지 않는 HFC 계열 냉매들로 이루어져 있다. 그러나 HFC 계열의 냉매는 지구온난화지수가 높고 가격이 비싸며 일반적으로 사용하던 압축기의 냉동기유와 호환되지 않는 단점이 있다. 특히, 최근의 기상이변 등이 지구온난화에 등에 기인한다는 사실을 감안할 때 지구온난화지수가 큰 HFC 계열 냉매를 사용하는 것은 바람직하지 않다고 할 수 있다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위한 해결책은 자연에 존재하는 물질을 냉매로 사용하는 것이다.

본 발명의 목적은 오존층 파괴와 지구온난화 등의 환경문제를 야기하지 않으며 동시에 저온냉동기의 냉동능력과 성능을 향상시킬 수 있는 혼합냉매를 제공하는 데 있다.

기존의 대체냉매들은 여전히 높은 지구온난화지수를 가지며, 가격이 비싼 합성물질이기 때문에 냉동 시스템에 적용시 새로운 문제를 야기할 수 있다. 따라서 자연친화적 대체냉매로서 프로필렌을 주성분으로 하고 소량의 R32를 섞은 혼합냉매 조성물과 공비 혹은 유사공비에 해당하는 혼합냉매 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 천연 냉매인 프로필렌과 HFC계 냉매인 디플루오르메탄(R32)의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물을 제조하였다.

본 발명은 냉동시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서, 조성물 총 중량에 대하여 프로필렌 90~96중량% 및 디플르오르메탄(R32) 4~10중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 저온용 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.

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뿐만 아니라, 본 발명은 상기 저온용 혼합냉매 조성물을 냉매로 사용하는 저온용 냉동기에 관한 것이다.

즉, R502 냉매를 사용하는 냉동기 시스템에 순수 프로필렌을 냉매로 적용했 을 경우에 냉매의 체적냉동능력이 작기 때문에 같은 냉동능력을 가지기 위해서는 압축기의 크기가 더 커져야 하는 문제가 있다. 냉매의 포화압력이 낮고 체적냉동능력이 작은 프로필렌의 단점을 보완하기 위해 HFC 계열 냉매 중 지구온난화지수가 낮은 R32를 선택하여 구성한 혼합냉매를 냉매로 사용하는 저온용 냉동기에 관한 것이다.

R502 대체냉매는 지구온난화와 오존층파괴 등의 환경문제를 야기하지 않아야 하며, 냉매로서의 열역학적 성질이 우수해야 한다. 또한 R502를 적용한 저온 냉동기용 시스템과 비교하여 냉동성능 및 냉동용량이 같거나 커야 하고 효율이 높은 대체냉매를 개발해야 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 실시예를 통하여 상세하게 설명하고자한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1: 물성비교>

순수 프로필렌, 디플루오르메탄(R32), R502 및 R404A의 비등점, 증기압, 열전도율, 점도, 표면장력, 정압비열과 정적비열의 비, 증발잠열, 지구온난화지수, 오존층파괴지수 등의 열역학적 성질을 비교의 목적 하에 표 1에 나타내었다.

프로필렌과 R32는 분자량이 작기 때문에 동일한 냉동용량의 시스템에 적용할 때 냉매를 절약할 수 있으며, 프로필렌의 증기압(40℃기준)은 R502와 R404A에 비해 약간 낮은 편이며, R32의 증기압은 다른 냉매들에 비해 조금 크다. 따라서, 프로필렌에 R32를 소량 섞음으로써 R502 냉매와 비슷한 증기압을 형성할 수 있다.

증발잠열이 크면 적은 양의 액상냉매로 소요냉동능력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 프로필렌과 R32는 R502에 비해 증발잠열이 두 배 이상 큰 특징을 가지고 있다. 증발잠열에 비해서 냉매의 액상비열이 크면 팽창과정 동안 다량의 기상냉매가 발생한다. 팽창과정에서 발생한 냉매증기는 냉동효과를 가지지 않기 때문에 그만큼 냉동용량이 감소하게 된다. R32의 경우 증발잠열에 대한 액체비열의 비율이 기존 사용되는 냉매들의 반 정도로 작은 특징을 가지며 프로필렌은 R502와 R404A에 비해 약간 작은 특징 때문에 팽창과정에서의 상변화에 따른 냉동용량의 감소를 줄일 수 있는 장점이 있다. 냉매의 점도가 작으면 압축기 내에서의 유동저항 등을 줄일 수 있기 때문에 압축기의 체적효율을 증가시킬 수 있다. 프로필렌의 기상점도는 R502, R404A에 비해 작고 R32는 약간 큰 특징을 나타냈다..

열교환기는 냉동기의 주요 부품으로 시스템 부피의 대부분을 차지한다. 제안된 크기의 열교환기에서 효율적인 열교환이 이루어지기 위해서는 냉매의 열전달 특성이 우수해야 한다. 열전달 특성을 결정하는 인자 중 하나인 열전도율(액상기준)이 프로필렌과 R32의 경우에 R502와 R404A에 비해 매우 우수하다. 열전도율이 낮으면 열교환기의 열전달 면적을 크게 하거나 2차유체와의 온도차를 크게 해야 한다. 열교환기의 열전달 면적을 크게 하면 냉동기의 단가가 높아지고, 2차유체와의 온도차를 크게 하면 냉동기의 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.

표면장력이 작으면 액상냉매에 의해서 증발기 열교환기 관내 표면이 잘 젖게 되므로, 열전달 효과가 상승하게 된다. 프로필렌과 R32의 표면장력은 기존 두 냉매보다 약간 크다. 정적비열에 대한 정압비열의 비가 작으면 압축기에서 압축 시에 냉매 가스 온도의 상승이 크지 않기 때문에 압축비를 크게 잡을 수 있다. 따라서 증발온도가 낮은 경우에도 1단 압축으로 냉동기를 구성할 수 있다. 프로필렌은 R502와 R404A의 비열 비율과 비슷한 정도의 표면장력을 나타냈으며, R32는 이들 보다 큰 값을 나타냈다.

프레온계 혼합냉매인 R502는 오존층을 파괴하며 지구온난화지수도 높게 나타났다. HFC계 혼합냉매인 R404A는 오존층파괴지수는 영이지만, 지구온난화지수가 높은 편이다. 자연에 존재하는 천연냉매인 프로필렌은 오존층파괴지수가 영이며, 지구온난화에 대한 영향도 미미하며, R32는 다른 HFC 계 냉매보다 지구온난화지수가 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.

항 목	R502	R404A	프로필렌	R32
분자량, kg/kmol	111.6	97.6	42.08	52.02
비등점, ℃	-45.4	-46.2	-47.69	-51.65
증기압 (-35/40℃), kPa	159.8/1681	170.8/1833	174.4/1652	221.4/2478
임계온도, ℃	80.73	72.14	92.42	78.11
증발잠열 (at 0℃), kJ/kg	147.1	165.3	377.8	315.29
액상정적비열 (at 0℃), kJ/kgK	0.6661	0.8597	1.475	0.9386
기상점도 (at 25℃), ×10^-6kg/ms	13.0	12.53	8.355	13.05
열전도율 (기상/액상 at 0℃), W/mK	0.00982/ 0.07257	0.01289/ 0.07783	0.01474/ 0.1243	0.01179/ 0.1541
표면장력 (at 0 ℃), N/m	0.00854	0.00750	0.00994	0.01099
Cp/Cv(기상비열비 at 0℃)	1.237	1.236	1.264	1.470
오존층파괴지수	0.23	0	0	0
지구온난화지수	4300	3750	3	650

<실시예 2 : 혼합냉매 제조>

하기 표 2에 기재된 함량에 따라 4가지 조성을 갖는 혼합냉매를 제조하였다.

조성	프로필렌, 중량%	R32, 중량%
1	96	4
2	94	6
3	92	8
4	90	10

표 2의 조성의 혼합냉매와 R502, R404A 그리고 순수 프로필렌에 대하여 이론 사이클 특성 해석을 수행하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 이론 사이클 특성 해석을 위한 표준 조건으로는 ASHRAE L.B.P 조건을 사용하였고, 냉매의 열물성을 계산하기 위해서 냉매물성프로그램인 REFPROP 6.00를 사용하였다. 압축기의 효율은 100%로 가정하였다. 열교환 시 온도가 변하는 혼합냉매와 온도가 변하지 않는 냉매를 비교하기 위하여 열교환할 때의 냉매의 평균온도를 같게 하는 방법을 사용하였다.

	R502	R404A	Propylene	1	2	3	4
응축압력, kPa	2331	2545.5	2258	2430	2513	2594	2673
응축온도구배, ℃	0	0.27	0	3.42	4.77	5.89	6.81
증발압력, kPa	255.1	270.6	272.5	311	327	341	354
증발온도구배, ℃	0	0.65	0	5.51	7.42	8.91	10.07
압축비	9.14	9.41	8.29	7.81	7.69	7.61	7.55
압축기토출온도, ℃	120.4	113.7	126.6	125.7	125.9	126.2	126.5
증발기입구건도	0.383	0.424	0.336	0.348	0.353	0.357	0.361
냉동부하, kJ/kg	137.98	154.9	357.2	348	343.6	339.4	335.3
체적냉동능력, kJ/㎥	1606.1	1680.7	1673.8	1884.1	1967.1	2037.4	2100.3
성능계수	2.63	2.61	2.64	2.69	2.69	2.69	2.68

표 3에서 R32를 혼합함으로써 냉매의 체적냉동능력을 높일 있다는 것을 확인하였다. 또한, 프로필렌과 R32를 혼합한 조성 1 내지 4의 혼합냉매는 냉동부하에 있어서 R502와 R404A에 비해 두 배 이상 크며, 성능계수도 약간 큰 것을 확인할 수 있었다. 혼합냉매들에서 압축기의 압축비는 기존 냉매들보다 작아진 것을 확인하였다. 그리고, 기존의 냉매에 비해 냉동부하, 체적냉동능력은 크고, 성능계수는 비슷한 수준이었다.

그러므로, 본 발명에 따른 혼합냉매는 우수한 열역학적 성질과 환경친화적인 성질을 갖는 두 냉매를 적절히 조합한 것으로서 냉매로서 우수한 성질을 갖는 것을 확인하였다.

이와 같이 본 발명에 따른 혼합냉매를 사용할 경우 지구 환경을 파괴하는 물질로 규정된 저온 냉동용 냉매 R502를 대체할 수 있으며, 냉동용량에서는 우수한 효과를 기대할 수 있고, 성능면에서는 비슷한 수준을 기대할 수 있다.

또한, 환경 문제를 야기하지 않고, 냉매로서 뛰어난 열물성을 갖는 프로필렌과 R32를 혼합하여 기존 냉매인 R502와 증기압이 비슷하고 냉동용량 및 성능은 더 뛰어난 냉매를 냉동시스템에 적용함으로써 냉동기 제조원가 및 운영비를 줄일 수 있다.

Claims

냉동시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서,

프로필렌 90~96중량%에 디플르오르메탄 4~10중량%를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 하는 저온용 혼합냉매 조성물.
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