KR101421797B1 - Mixed refrigerant for a refrigerator, air conditioner and power plant - Google Patents
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Abstract
증기 압축식 냉동/공조기나 해양 온도차 발전소(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 등에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)나 작동유체로 사용할 수 있는 물질 즉 R32와 R1270으로 구성된 혼합냉매에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF2, 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)과 R410A를 대체할 수 있는 혼합냉매/작동유체에 관한 것이다.
64%R32/36%R1270 2원 공비 혼합 냉매의 지구 온난화지수는 R410A에 비해 77.7% 정도 낮아서 장기적으로 사용하는 데 아무 문제가 없으며, 증기압이 높아서 밀도가 증가하므로 역시 터빈과 보일러, 응축기의 크기를 암모니아 대비 50% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 바다에 건설되는 OTEC 플랜트의 경우 초기 투자비용이 시스템 구축에서 가장 중요하게 고려해야 할 요소 중 하나이다. 이런 차원에서 플랜트의 크기를 50% 정도 줄이면서 단일 순수냉매와 같은 효과를 낼 수 있는 이점이 있다.(R) and R1270, which can be used as a refrigerant (hereinafter referred to as R) or a working fluid in a steam compression refrigeration / air conditioner or an Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) Relates to a mixed refrigerant / working fluid which can replace monochlorofluoromethane (CHClF 2 , hereinafter referred to as R22 or HCFC22) and R410A that have been widely used in home air conditioners, commercial air conditioners and the like.
64% R32 / 36% R1270 The dual warming index of mixed refrigerant is 77.7% lower than that of R410A, so there is no problem in long term use and the density of turbine, boiler and condenser is increased due to high vapor pressure. It can be reduced by 50% compared to ammonia. For an OTEC plant built at sea, the initial investment cost is one of the most important factors to consider in system construction. At this level, there is an advantage that the plant can be reduced in size by about 50% while achieving the same effect as a single pure refrigerant.
Description
본 발명은 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF2, 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)과 R410A를 대체할 수 있는 혼합냉매/작동유체에 관한 것으로, 증기 압축식 냉동/공조기나 해양 온도차 발전소(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 등에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)나 작동유체로 사용할 수 있는 R32(메틸렌플로라이드; CH2F2)와 R1270(프로필렌; CH3CH=CH2)으로 이루어진 혼합냉매에 관한 것이다.
The present invention relates to a mixed refrigerant / working fluid capable of replacing monochlorofluoromethane (CHClF 2 , hereinafter referred to as R22 or HCFC22) and R410A widely used in home air conditioners, commercial air conditioners and the like, R32 (methylene fluoride; CH 2 F 2 ) and R1270 (propylene; CH 3 ) which can be used as refrigerant (hereinafter referred to as R) or a working fluid in a refrigeration / air conditioner or an ocean thermal energy conversion CH = CH 2 ).
냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 특히 냉동장치, 열펌프, 공기조화장치 및 소온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체를 가리킨다.Refrigerant refers to all substances that cause cooling in a broad sense, and it absorbs heat from the surroundings by evaporating in the low temperature part (evaporator) while circulating inside the cycle such as refrigeration device, heat pump, air conditioner and small temperature difference heat energy utilization engine It refers to a working fluid that releases heat from the high temperature section (condenser).
일반적으로 증발 또는 응축의 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를 1차냉매라 하고, 단상상태에서 감열 열전달을 통하여 열을 교환하는 냉매를 2차냉매라 한다. 그러나 기체사이클에 적용하는 공기, 헬륨, 수소 등은 1차 냉매로 분류하며, 주요 2차 냉매로는 브라인 및 부동액 등이 있다. In general, a refrigerant absorbing or releasing heat through a phase change process of evaporation or condensation is referred to as a primary refrigerant, and a refrigerant that exchanges heat through a thermal heat transfer in a single phase state is referred to as a secondary refrigerant. However, air, helium, and hydrogen applied to the gas cycle are classified as primary refrigerants, and major secondary refrigerants include brine and antifreeze.
냉매는 일반적으로 할로카본, 탄화수소, 유기화합물, 무기화합물 등 네 종류의 화합물 중 하나이다. 할로카본 냉매는 1930년 Midgley와 Henne에 의해 처음으로 개발되었으며(Midgley, T. and Henne, A.L. 1930, Ind. Eng. Chem., Vol.22, p542), 메탄(CH4) 및 에탄(C2H6)의 수소를 불소, 염소 또는 브롬으로 치환하여 만든 화합물이다. 이 때에 치환한 할로겐 원자의 종류나 수에 따라 물리적, 화학적 성질이 순차적으로 변하기 때문에 사용조건에 따라 그에 알맞은 냉매를 선택할 수 있다.Refrigerants are generally one of four compounds such as halocarbons, hydrocarbons, organic compounds, and inorganic compounds. Halocarbon refrigerants were first developed by Midgley and Henne in 1930 (Midgley, T. and Henne, AL 1930, Ind. Eng. Chem., Vol.22, p542), methane (CH4) and ethane It is a compound made by substituting hydrogen with fluorine, chlorine or bromine. Since the physical and chemical properties are sequentially changed depending on the kind and the number of the halogen atoms substituted at this time, the refrigerant suitable for the condition can be selected according to the use conditions.
지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등의 냉매로는 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔으며 특히 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에는 비등점이 -40.8이고 분자 질량이 86.47kg/kmol인 R22가 가장 널리 사용되어 왔다.Until now, chlorofluorocarbon (hereinafter referred to as CFC) and hydrofluorofluorocarbon (HCFC) derived from methane or ethane have been mainly used as refrigerants for refrigerators, air conditioners and heat pumps, R22, which has a boiling point of -40.8 and a molecular mass of 86.47 kg / kmol, has been the most widely used in air conditioners and commercial air conditioners.
그러나 최근에는 CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 붕괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었고 이로 인해 성층권 오존을 붕괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 소비는 1987년에 만들어진 몬트리올 의정서에 의해 규제를 받고 있다. 표 1에서 볼 수 있듯이, HCFC22는 오존층붕괴지수(Ozone depletion potential, 이하 ODP라 한다)가 0.05이므로 현재 선진국에서는 몬트리올 의정서에 의거하여 2010년부터 전폐될 예정이다. 따라서 전 세계 대부분의 국가가 오존층붕괴지수(ODP)가 0.0인 대체냉매를 찾아서 사용하려 하고 있다. In recent years, however, the collapse of the stratospheric ozone layer by CFCs and HCFCs has emerged as an important global environmental issue, and the production and consumption of CFCs and HCFCs, which disrupt stratospheric ozone, are regulated by the Montreal Protocol of 1987. As can be seen in Table 1, HCFC22 is expected to be closed from 2010 under the Montreal Protocol in developed countries, since the ozone depletion potential (ODP) is 0.05. Therefore, most countries around the world are looking for alternative refrigerants with an ODP (Ozone Depletion Potential) of 0.0.
일예로 미국의 듀퐁사 등이 개발한 R407C라는 3원 혼합냉매 (23%R32/25%R125 /52%R134a)는 냉동 용량이 기존의 HCFC22와 비슷하지만 에너지 효율이 낮다는 단점을 갖고 있다. For example, the R407C refrigerant (23% R32 / 25% R125 / 52% R134a) developed by DuPont in the United States has the disadvantage that the refrigerating capacity is similar to that of conventional HCFC22 but low in energy efficiency.
또한 하니웰사 등에서는 R410A라는 2원 혼합냉매(50%R32/50%R125)를 개발하여 판매하고 있으나 이 냉매는 증기압이 기존의 HCFC22보다 60% 정도 높아서 필수적으로 압축기를 개조해야 하고 시스템의 압력이 높으므로 응축기에 쓰이는 재질의 강도를 높여야 한다. In addition, Honeywell has developed and sold a binary mixed refrigerant called R410A (50% R32 / 50% R125). However, since the vapor pressure of this refrigerant is 60% higher than that of the conventional HCFC22, it is necessary to remodel the compressor. It is necessary to increase the strength of the material used in the condenser.
그러나 표 1에서 보듯이 이 냉매들은 오존층 붕괴 지수는 0.0이지만 지구 온난화 지수는 R22와 비슷하거나 높으므로 장기적으로 계속해서 이것들을 쓸 수 있을지 의문이 제기되고 있다.However, as shown in Table 1, these refrigerants have an ozone depletion index of 0.0, but the global warming index is similar to or higher than that of R22, raising doubts as to whether they will continue to be used over the long term.
(*) ODP는 CFC11을 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.(*) ODP is based on CFC11 set at 1.0.
(**) GWP는 100년 기준 이산화탄소를 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.
(**) GWP is based on the assumption that carbon dioxide in the 100th year is 1.0.
이뿐만 아니라 최근에는 오존층 붕괴 문제뿐만 아니라 지구 온난화 문제도 급속도로 부상하기 시작했고 1997년의 교토 의정서는 지구온난화지수(Global warming potential, 이하 GWP라 한다)가 높은 냉매의 사용을 자제할 것을 강력히 권고하고 있다. 이런 추세를 반영하여 유럽과 일본의 가정용 에어컨, 히트 펌프 등을 생산하는 업체들은 지구온난화지수(GWP)가 낮은 냉매를 개발하여 사용하려 하고 있다. Not only recently, but also the problem of global warming has started to rise rapidly as well as the problem of ozone layer collapse. The Kyoto Protocol of 1997 strongly recommends that global warming potential (GWP) . Reflecting this trend, companies producing household air conditioners and heat pumps in Europe and Japan are trying to develop and use refrigerants with a low global warming index (GWP).
냉매의 개발은 단일냉매로 원하는 특성을 얻을 수 없는 경우, 2개 이상의 순수냉매를 혼합한 혼합냉매를 이용한다. 특히 최근에는 가열능력 및 성능계수의 향상을 위한 열펌프에 관한 혼합냉매의 응용연구가 많은 곳에서 이루어지고 있다. 또한 비공비 혼합냉매는 오존층 붕괴에 대한 억제 효과도 있어서 대체냉매로서 상업화되고 있다.The development of a refrigerant uses a mixed refrigerant in which two or more pure refrigerants are mixed when a desired characteristic can not be obtained with a single refrigerant. Especially recently, the application of mixed refrigerant to the heat pump for improving heating capacity and coefficient of performance has been done in many places. In addition, non - azeotropic refrigerants are also commercialized as alternative refrigerants because they have an inhibitory effect on ozone layer collapse.
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.A non-azeotropic refrigerant refers to a refrigerant that has two or more refrigerants mixed together and exhibits a temperature gradient in which the composition ratio changes and the temperature increases or decreases when the isobaric is subjected to evaporation and condensation processes.
일반적으로 두 성분으로 이루어진 비공비 혼합냉매는 과냉액체의 온도를 상승시키면 일정상태에 이를 때까지 액상은 일정한 조성비를 나타낸다. 일정상태에 이르면 처음으로 기포가 발생하기 시작하며 이를 기포점이라고 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. Generally, the non-azeotropic refrigerant composed of two components shows a constant composition ratio until the liquid reaches a constant state when the temperature of the subcooled liquid is raised. When it reaches a certain state, the bubble starts to occur for the first time and is called bubble point. When the temperature is increased above the bubble point, more evaporative components, ie components with lower evaporation temperatures, are more evaporated and more present in the vapor phase, and relatively less evaporative components remain in the liquid phase.
이에 반해 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. 수분량의 측정은 공비 혼합냉매는 특정한 조성비에서 이슬점과 기포선이 서로 만나게 되어 기상과 액상에서의 성분이 서로 같아 순수냉매와 같이 행동하는 냉매이다. 공비 혼합냉매의 증발 또는 응축온도는 이 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.On the other hand, even when two different pure substances are mixed, the mixture ratio of gas and liquid does not change during the evaporation or condensation of isobaric and the mixed refrigerant whose temperature does not change is called azeotropic mixed refrigerant. That is, the azeotropic mixed refrigerant is similar to pure refrigerant even though it is a mixed refrigerant, and it is preferable that the azeotropic refrigerant is less than 75ppm after evaporation and condensation of the equi-pressure. The measurement of the water content indicates that the azeotropic mixed refrigerant is a refrigerant in which the dew point and the bubble line meet with each other at a specific composition ratio and behave like pure refrigerants because the components in the gas phase and the liquid phase are the same. The evaporation or condensation temperature of the azeotropic mixed refrigerant is often lower than the two pure refrigerants constituting the mixed refrigerant. R500, R501, R502, R503, R505, R506, R507 are the main azeotropic mixed refrigerants that have been given the refrigerant number in ASHRAE so far.
어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, 이하 COP라 한다)를 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하는 것으로서 COP가 클수록 냉동/공조기의 에너지 효율이 좋다. For a substance to be useful as an alternative refrigerant for existing refrigerants, it should first have a coefficient of performance (COP) similar to that of conventional refrigerants. Here, the coefficient of performance (COP) means the total refrigeration effect as compared with the work done to the compressor. The larger the COP, the better the energy efficiency of the refrigerator / air conditioner.
앞으로는 지구 온난화를 줄이기 위해 작동 유체의 외부 방출을 줄여야 한다. 이를 위해서는 시스템의 소형화를 통해 작동 유체의 충전량을 줄여야 한다. 대체냉매가 기존 냉매보다 높은 증기압을 가지면 자동적으로 시스템의 소형화가 이루어지므로 앞으로는 필요한 경우에는 대체냉매가 기존 냉매보다 높은 증기압을 가져서 궁극적으로 높은 체적용량(Volumetric capacity, 이하 VC라 한다)을 제공해야만 한다. 여기서 체적용량(VC)이란 단위 체적 당 냉동 효과를 뜻하는데 이것은 압축기의 크기를 나타내는 인자로서 대개 증기압에 비례하고 단위는 kJ/m3이다. 대체냉매가 기존 냉매보다 큰 체적용량을 낸다면 제조업체는 압축기와 열교환기를 작게 함으로써 제작 비용 측면에서 매우 유리하다. In the future, it is necessary to reduce the external discharge of working fluid to reduce global warming. To achieve this, the amount of working fluid must be reduced through the miniaturization of the system. If the alternative refrigerant has a higher vapor pressure than the existing refrigerant, the system is automatically miniaturized. Therefore, if necessary, the alternative refrigerant must have a higher vapor pressure than the existing refrigerant and ultimately provide a higher volumetric capacity (VC) . Here, the volume capacity (VC) means the refrigerating effect per unit volume, which is a factor indicating the size of the compressor, which is usually proportional to the vapor pressure and the unit is kJ / m 3 . If the alternative refrigerant gives a larger volume capacity than conventional refrigerants, the manufacturer is very advantageous in terms of production costs by making the compressor and heat exchanger smaller.
작금의 환경 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나는 혼합냉매를 이용하는 것이다. 혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합해서 성능계수를 기존 냉매와 비슷하게 하고 동시에 원하는 체적용량(VC)을 내게 할 수 있다는 것이다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 HCFC22의 대체물로 여러 혼합냉매가 제안된바 있으나 그것들 중 몇몇은 몬트리올 의정서에서 사용을 금하는 HCFC를 구성 성분으로 가지고 있어 장기적인 관점에서 적합한 대체물이라 할 수 없다.
One of the ways to solve environmental problems is to use mixed refrigerants. The characteristics of the mixed refrigerant are that the composition is well-blended so that the coefficient of performance is similar to that of conventional refrigerants and simultaneously the desired volume capacity (VC) can be obtained. Because of these properties, several mixed refrigerants have been proposed as alternatives to HCFC22 in the past few years, but some of them have HCFC as a constituent in the Montreal Protocol and are not suitable alternatives from a long-term perspective.
본 발명은 오존층붕괴지수(ODP)가 0.0으로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구온난화지수(GWP) 또한 기존의 다른 대체냉매보다 훨씬 낮고 동시에 기존의 압축기와 열교환기를 작게 만들어 증기 압축식 냉동/공조기나 해양 온도차 발전소(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 등에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)나 작동유체로 사용할 수 있는 물질 즉 'R32와 R1270로 구성된 혼합냉매'에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF2, 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)과 R410A를 대체할 수 있는 혼합냉매/작동유체를 제공하는 것이다.
The present invention does not affect the ozone layer in the stratosphere at all, and the global warming index (GWP) is much lower than other alternative refrigerants, while at the same time making the conventional compressor and heat exchanger smaller, A mixed refrigerant composed of R32 and R1270, which can be used as a refrigerant (hereinafter referred to as R) or a working fluid in an air conditioner or an Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). More specifically, it is intended to provide a mixed refrigerant / working fluid which can replace monochlorofluoromethane (CHClF 2 , hereinafter referred to as R22 or HCFC22) and R410A that have been widely used in domestic air conditioners and commercial air conditioners.
냉동/공조기용 대체냉매의 오존층붕괴지수(ODP)가 반드시 0.0이어야 하며 가능한 한 지구온난화지수(GWP)가 낮아야 한다는 판단 하에 ODP가 0.0이어야하며, GWP가 다른 냉매들에 비해 상대적으로 낮은 R32와 R1270을 혼합하여 R410A 냉매를 대체할 수 있게 하였다.
The ODP should be 0.0 and the R32 and R1270, where GWP is relatively low compared to other refrigerants, should be 0.0, ozone depletion potential (ODP) of the refrigerant / air conditioner alternative refrigerant must be 0.0 and GWP should be as low as possible. To replace the R410A refrigerant.
본 발명의 2원 공비 혼합 냉매의 경우, 지구 온난화지수는 R410A에 비해 77.7% 정도 낮아서 장기적으로 사용하는 데 아무 문제가 없고, 본 발명의 2원 공비 혼합 냉매와 R410A, 암모니아의 열효율은 4.5-4.7%로 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 또한, 증기압이 높아서 밀도가 증가하므로 역시 터빈과 보일러, 응축기의 크기를 암모니아 대비 50% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 본 발명의 2원 공비 혼합 냉매는 해양에 건설되는 OTEC(ocean thermal energy conversion) 플랜트의 경우 초기 투자비용이 시스템 구축에서 가장 중요하게 고려해야 할 요소 중 하나로 본다면 플랜트의 크기를 50% 정도 줄이면서 단일 순수냉매와 같은 효과를 낼 수 있는 본 발명의 혼합냉매는 큰 이점을 지니고 있다.
In the case of the dual-azeotropic mixed refrigerant of the present invention, the global warming index is 77.7% lower than that of R410A, so there is no problem in long-term use. The thermal efficiency of the dual- azeotropic mixed refrigerant of the present invention and R410A and ammonia is 4.5-4.7 %. Also, since the vapor pressure is high and the density is increased, the size of turbine, boiler, and condenser can be reduced by 50% compared to ammonia. In the case of an ocean thermal energy conversion (OTEC) plant constructed in the ocean, the biodiesel mixed refrigerant of the present invention is one of the most important factors to be considered in the initial construction of the system, The mixed refrigerant of the present invention which can produce the same effect as the pure refrigerant has a great advantage.
도1은 냉동/공조기의 구성 요소를 나타낸 것이다.
도2는 본 발명의 R32/R1270 혼합냉매의 온도-조성 선도를 나타낸 것이다.
도3은 본 발명의 R32/R1270 혼합냉매의 온도구배 선도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the components of a refrigerator / air conditioner.
2 is a temperature-composition diagram of the R32 / R1270 mixed refrigerant of the present invention.
3 is a temperature gradient diagram of the R32 / R1270 mixed refrigerant of the present invention.
본 발명의 목적은 오존층붕괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구온난화지수 또한 기존의 다른 대체냉매보다 훨씬 낮고 동시에 기존의 압축기와 열교환기를 작게 만들어 HCFC22와 R410A의 대체냉매로 사용할 수 있는 혼합냉매를 제공하는 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 R32와 R1270으로 구성된 2원 혼합냉매에 관한 것이다. The object of the present invention is to provide an ozone depletion potential (ODP) of 0.0, which does not affect the ozone layer in the stratosphere at all, and the global warming index is much lower than other conventional alternative refrigerants and makes the existing compressor and heat exchanger smaller, To provide a mixed refrigerant which can be used as a refrigerant. More specifically, the present invention relates to a binary mixed refrigerant composed of R32 and R1270.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R32 55-75중량%와 R1270 45-25중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100%인 혼합냉매를 제공한다. 바람직하게는 상기 혼합냉매의 조성중 R32의 조성이 62-67중량% 정도가 되어 순수 물질처럼 온도 구배를 보이지 않는 공비 혼합냉매를 제공한다. In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a mixed refrigerant consisting of 55-75 wt% of R32 and 45-25 wt% of R1270 in a mixed refrigerant for a refrigerator / air conditioner, wherein the sum of the two refrigerants is 100% . Preferably, the composition of R32 in the composition of the mixed refrigerant is about 62-67% by weight, so that the azeotropic mixed refrigerant does not show a temperature gradient like a pure substance.
상기의 서로 다른 냉매의 혼합 구성으로 오존층파괴지수(ODP)가 0이며, 냉매온도 7℃에서 -7℃ 범위에서 지구온난화지수(GWP)가 R410A 대비 19.1-26.0% 인 것을 특징으로 하며, 체적용량(VC)이 R410A 대비 15.0-28.6.% 높은 것을 특징으로 하는 냉동/공조기 및 발전 플랜트용 혼합냉매와 상기 혼합냉매를 사용하는 냉동/공조기 및 발전 플랜트를 제공한다.
The ozone layer destruction index (ODP) is 0 and the global warming index (GWP) is 19.1-26.0% relative to R410A in the temperature range of 7 ° C to -7 ° C in the mixing composition of the different refrigerants. (VC) is 15.0-28.6% higher than that of R410A, and a refrigeration / air conditioner and a power generation plant using the mixed refrigerant for the air conditioner and the power plant.
이하, 본 발명의 실시 예에 의해 상세히 설명한다. 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples are illustrative of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.
대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발된 냉동/공조기 성능 모사 프로그램인 CYCLE D를 사용하였다. In order to develop an alternative mixed refrigerant, the present inventor used CYCLE D, a refrigeration / air conditioner performance simulation program developed by the National Institute of Standards and Technology.
대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발된 냉동/공조기 성능 모사 프로그램인 CYCLE D를 사용하였다. 제1도는 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도로서 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등으로 구성되어 있다. CYCLE D 프로그램은 미국, 일본 등에서 기준으로 삼고 있는 Carnahan-Starling-De Santis(CSD) 상태 방정식을 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산한다. REFPROP으로 알려진 CSD 상태 방정식은 미국 표준 연구소에서 개발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수 기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다. 이번에 만든 냉동/공조기 프로그램의 개발 및 실행을 위한 입력 데이터로는 가능한 한 실제 데이터를 사용했다.
In order to develop an alternative mixed refrigerant, the present inventor used CYCLE D, a refrigeration / air conditioner performance simulation program developed by the National Institute of Standards and Technology. FIG. 1 is a schematic view of a general refrigerator / air conditioner used in the present invention, which comprises an evaporator, a condenser, a compressor, an expansion valve, and the like. The CYCLE D program calculates the properties of all refrigerants using the Carnahan-Starling-De Santis (CSD) state equation, which is based on the US and Japan. The CSD state equation, known as REFPROP, was developed by the American National Standards Institute and has proved its accuracy and applicability, making it the most widely used program in leading companies, research institutes and universities worldwide. We used actual data as much as possible as input data for the development and implementation of this refrigeration / air conditioning program.
본 발명자는 냉동/공조기용 대체냉매의 오존층붕괴지수(ODP)가 반드시 0.0이어야 하며 가능한 한 지구온난화지수(GWP)가 낮아야 한다는 판단 하에 ODP가 0.0이고 GWP가 다른 냉매들에 비해 상대적으로 낮은 R32와 R1270을 혼합하여 R410A 냉매를 대체할 수 있게 하였다.The inventors have found that the ODP of the alternative refrigerant for the refrigerator / air conditioner must be 0.0 and that the GWP should be as low as possible and that the ODP is 0.0 and that GWP is relatively low compared to other refrigerants R1270 could be mixed to replace the R410A refrigerant.
도 2와 도 3은 각각 R32/R1270 혼합냉매의 온도-조성 선도와 온도구배 변화를 보여 주는 선도이다. 이 선도들을 통해 알 수 있듯이 R32/R1270 혼합냉매는 R32의 조성이 62-67중량%일 때 온도구배가 전혀 없는 공비 혼합 냉매이다(Azeotropic mixture). 2 and 3 are graphs showing the temperature-composition diagram and the temperature gradient change of the R32 / R1270 mixed refrigerant, respectively. As can be seen from these figures, the R32 / R1270 mixed refrigerant is an azeotropic mixture with no temperature gradient when the composition of R32 is 62-67 wt%.
공비 혼합 냉매는 순수냉매와 마찬가지로 비등이나 응축 시 온도가 오르는 현상이 없으므로 시스템에서 조성 분리 현상이 생기지 않아 실제 사용 시 비공비 혼합냉매보다 큰 이점을 보이는 유용한 냉매이다.As with pure refrigerants, azeotropic mixed refrigerants are useful refrigerants that have a greater advantage than non-azeotropic refrigerants in practical use because they do not cause boiling or condensation to rise in temperature.
표 2는 기존의 여름철 냉동/공조기 사용 조건에서 전산해석 프로그램을 이용하여 계산한 결과들을 요약한 것으로서 기준이 되는 R410A와 본 발명자가 제안하는 2원 혼합냉매의 성능 지수를 보여 준다. 표 2는 동일한 냉동 용량 하에서 조성 변화에 따른 성능계수와 체적용량 등의 변화를 보여 준다.Table 2 summarizes the results calculated using the computational analysis program under the conditions of the existing refrigerator / air conditioner in summer, and shows the performance index of R410A as a standard and the binary mixed refrigerant proposed by the present inventor. Table 2 shows the variation of performance factor and volume capacity according to the composition change under the same freezing capacity.
(℃)Tdis
(° C)
(℃)GTD
(° C)
GWP
※ COP: 성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진 일): 여름철 증발기에서의 냉방 COP를 뜻함. Wdiff : R22 대비 일 차이 COPdiff : R22 대비 성능계수 차이 W: 압축기 일(Compressor work) Tdis: 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature) Tdiddiff: R22 대비 압축기 토출 온도 차이 CDV: 압축기 행정 체적(Compressor displacement volume) GTD: 온도구배(Temperature glide) GWP: 지구 온난화 지수(Global warming potential)
※ COP: Coefficient of performance (total refrigerating effect / day applied to the compressor): cooling COP in summer evaporator. W diff: a difference R22 prepare COP diff: R22-performance coefficient difference W: compressor work (Compressor work) Tdis: compressor discharge temperature (Compressor discharge temperature) Tdid diff: difference in R22 compared to the compressor discharge temperature CDV: compressor stroke volume (Compressor displacement volume) GTD: Temperature glide GWP: Global warming potential
표 2를 통해 알 수 있듯이 R32/R1270 혼합냉매의 경우 R32의 조성이 62-67중량% 정도가 되면 기존의 R410A의 체적용량보다 혼합냉매의 체적용량이 20.7-28.6.% 정도 높게 나타난다. 그러므로 이와 같은 공비나 근공비 조성에서는 압축기 크기를 줄이고 동시에 응축기와 증발기의 크기를 줄일 수 있다. 왜냐하면 증기압이 증가함으로써 비체적이 줄어들어 밀도가 커지기 때문이다.As shown in Table 2, when the composition of R32 is about 62-67 wt% in case of R32 / R1270 mixed refrigerant, the volume capacity of mixed refrigerant is higher than that of R410A by 20.7-28.6%. Therefore, in such an azeotropic or near-azeotropic composition, it is possible to reduce the compressor size and at the same time reduce the size of the condenser and the evaporator. This is because as the vapor pressure increases, the bulk decreases as the volume decreases.
또한 표 2를 통해 알 수 있듯이 이런 조성 범위에서 혼합냉매의 성능계수는 기존의 R410A에 비해 6.5% 정도 낮은 것으로 나타났다. 그러나 이 정도의 차이는 시스템 최적화를 통해 충분히 극복할 수 있다. 실제로 HCFC22에서 R410A로 냉매가 전환될 때에도 R410A의 효율이 HCFC22에 비해 이론적으로 5-10% 정도 낮았지만 지금 생산되고 있는 R410A 이용 공조기의 성능은 과거의 HCFC22 이용 공조기와 비슷하거나 조금 더 높다. Also, as shown in Table 2, the coefficient of performance of the mixed refrigerant in this composition range is about 6.5% lower than that of R410A. This difference, however, can be overcome by system optimization. In fact, even when the refrigerant is switched from HCFC22 to R410A, the efficiency of R410A is theoretically 5-10% lower than that of HCFC22, but the performance of the R410A air conditioner now produced is comparable to or slightly higher than that of HCFC22 used in the past.
이런 조성 범위에서는 혼합냉매의 온도구배(GTD)가 매우 작거나 없으므로 이러한 혼합냉매를 기존 시스템에 적용하는 데는 전혀 문제가 없다. 또한 이 조성 범위에서는 혼합냉매의 압축기 토출 온도가 R410A와 거의 비슷하므로 압축기의 신뢰성에도 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.Since the temperature gradient (GTD) of the mixed refrigerant is very small in this composition range, there is no problem in applying such mixed refrigerant to the existing system. Also, in this composition range, the compressor discharge temperature of the mixed refrigerant is almost the same as that of R410A, so that there is no big problem in the reliability of the compressor.
표 3은 동일한 혼합냉매를 겨울철의 히트펌프 구동 조건에서 작동했을 때의 결과를 보여 준다. 겨울철 조건에서의 결과 역시 여름철 조건에서의 에어컨 구동 때의 결과와 비슷하다.Table 3 shows the results when operating the same mixed refrigerant under the heat pump driving conditions in winter. The results for winter conditions are also similar to those for air conditioning in summer conditions.
(℃)Tdis
(° C)
(℃)GTD
(° C)
GWP
※ COP: 성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진 일): 표 2에서는 여름철 증발기에서의 냉방 COP, 표 3에서는 겨울철 응축기에서의 난방 COP를 뜻함.※ COP: Coefficient of performance: Total COP of evaporator in summer and COP of heating in winter condenser in Table 3.
COPdiff : R22 대비 성능계수 차이, W: 압축기 일(Compressor work), Wdiff : R22 대비 일 차이, Tdis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature), Tdiddiff: R22 대비 압축기 토출 온도 차이, CDV : 압축기 행정 체적(Compressor displacement volume), GTD: 온도구배(Temperature glide), GWP: 지구 온난화 지수(Global warming potential)
COP diff : R22, W: Compressor work, W diff : R22, Tdis: Compressor discharge temperature, Tdid diff : R22 Compressor discharge temperature difference, CDV: Compressor work Compressor displacement volume, GTD: Temperature glide, GWP: Global warming potential,
한편 64중량%R32/36중량%R1270 2원 공비 혼합 냉매를 OTEC 발전 시스템에 적용할 때 성능을 살펴보기 위해 기본적인 발전소의 Rankine 사이클의 열효율을 계산하였다. 그 결과 64중량%R32/36중량%R1270 2원 공비 혼합 냉매와 R410A, 암모니아의 열효율은 4.5-4.7%로 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 그러나 64중량%R32/36중량%R1270 2원 공비 혼합 냉매의 경우 증기압이 높아서 밀도가 증가하므로 역시 터빈과 보일러, 응축기의 크기를 암모니아 대비 50% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다. On the other hand, the thermal efficiency of the Rankine cycle of the basic plant was calculated to examine the performance when applying the 64 wt% R32 / 36 wt% R1270 two-azeotropic mixed refrigerant to the OTEC power generation system. As a result, the thermal efficiency of the 64 wt% R32 / 36 wt% R1270 binary mixed azeotropic refrigerant and R410A and ammonia was 4.5-4.7%, showing almost no change. However, 64% by weight R32 / 36% by weight R1270 2-azeotropic mixed refrigerant showed higher vapor pressure and higher density, so that the size of turbine, boiler and condenser could be reduced by 50% compared to ammonia.
본 발명의 64중량%R32/36중량%R1270 2원 공비 혼합 냉매의 지구 온난화지수는 R410A에 비해 77.7% 정도 낮아서 장기적으로 사용하는 데 아무 문제가 없을 것으로 판단되며, 이와 같은 특성은 바다에 건설되는 OTEC 플랜트의 경우 초기 투자비용이 시스템 구축에서 가장 중요하게 고려해야 할 요소 중 하나이다. 이런 차원에서 플랜트의 크기를 50% 정도 줄이면서 단일 순수냉매와 같은 효과를 낼 수 있는 본 발명의 혼합냉매는 큰 이점을 지니고 있다고 할 수 있다.The global warming index of the 64 wt% R32 / 36 wt% R1270 bimetallic mixed refrigerant of the present invention is 77.7% lower than that of R410A, and thus it is considered that there is no problem in long-term use. For OTEC plants, the initial investment cost is one of the most important factors to consider in system construction. In this respect, the mixed refrigerant of the present invention, which can reduce the size of the plant by about 50% and achieve the same effect as the single pure refrigerant, has a great advantage.
Qc: 응축기에서의 열 흐름 방향(냉매 → 공기)
Qe: 증발기에서 열 흐름 방향(공기 → 냉매)
TS1: 증발기 공기 입구온도, TS7: 증발기 공기 출구온도
TS3: 응축기 공기 출구온도, TS6: 응축기 공기 입구온도
Evaporator: 증발기, Compressor: 압축기
Condenser: 응축기, Expansion Valve: 팽창기 Qc: Heat flow direction in the condenser (refrigerant → air)
Qe: Heat flow direction in the evaporator (air → refrigerant)
TS1: Evaporator air inlet temperature, TS7: Evaporator air outlet temperature
TS3: Condenser air outlet temperature, TS6: Condenser air inlet temperature
Evaporator: Evaporator, Compressor: Compressor
Condenser: Condenser, Expansion Valve: Inflator
Claims (7)
1) 암모니아 냉매를 사용하는 플랜트 설비의 크기 대비, 해양 발전 플랜트의 크기를 50% 줄여서 건설하여,
2) 혼합냉매로서 조성성분이 R32(메틸렌플로라이드;CH2F2) 55-57.9중량%와 R1270(프로필렌; CH3CH=CH2) 42.1-45중량% 또는 R32(메틸렌플로라이드;CH2F2) 64.1-75중량%와 R1270(프로필렌; CH3CH=CH2) 25-35.9중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100%인 해양 발전 플랜트용 혼합냉매를 건설된 해양 발전 플랜트에 주입하여,
3) 압력조건 620kPa에서 운전하는 것을 특징으로 하는 해양 발전 플랜트용 혼합냉매를 이용한 해양 발전 플랜트 운용방법 In a marine power plant operation method constructed in the ocean,
1) By reducing the size of offshore power plant by 50% compared to the size of plant facility using ammonia refrigerant,
2) Ride the R32 (methylene flow component composition as a mixed refrigerant; CH 2 F 2) 55-57.9 weight% and R1270 (propylene; CH 3 CH = CH 2) 42.1-45 wt% or R32 (methylene fluoride; CH 2 F 2 ) mixed refrigerant for a marine power plant consisting of 64.1-75 wt% and R1270 (propylene; CH 3 CH = CH 2 ) 25-35.9 wt% and the sum of the two refrigerants is 100% So,
3) Operation method of marine power plant using mixed refrigerant for offshore power plant, which is operated at a pressure condition of 620 kPa
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