KR20060009187A

KR20060009187A - 저온용 혼합냉매 조성물

Info

Publication number: KR20060009187A
Application number: KR1020040056690A
Authority: KR
Inventors: 김만회; 김주혁; 김민수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-01-31
Also published as: KR100571359B1

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.

저온 냉동기에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서, 프로판에 이산화탄소가 혼합되며, 그 혼합비가 프로판 90~99.5 중량%와, 이산화탄소 0.5~10 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 하는 저온용 대체 혼합냉매 조성물을 제공한다.

냉매, R-502, 냉동, 공조, 프로판, 이산화탄소

Description

저온용 혼합냉매 조성물{Low temperature 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.

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

그러나, 냉매 R-502에 포함되어 있는 CFC 계열 냉매 R-115와 HCFC 계열 냉매 R-22가 대기 중에 방출되었을 때, 오존층 파괴와 지구온난화 현상을 야기한다는 사실이 밝혀지면서 그 생산과 사용이 이미 금지되었거나 금지될 예정이다.

따라서 이러한 기존의 냉매를 대체할 수 있는 새로운 냉매의 개발은 냉동 및 공조 산업 분야의 중요한 연구 과제가 되고 있으며, 최근에 개발되어 상용화 된 R-502의 대체 냉매로는 R-404a (R-125/R-143a/R-134a, 44중량%/52중량%/4중량%), R-407a (R-32/R-125/R-134a, 20중량%/40중량%/40중량%), R-407b (R-32/R-125/R-134a, 10중량%/70중량%/중량20%), R-507 (R-125/R-143a, 50중량%/50중량%) 등이 있다.

위의 혼합냉매들은 오존층파괴를 야기하지 않는 HFC 계열 냉매들로 이루어져 있는데, HFC 계열의 냉매는 기존의 CFC 계열의 냉매들을 대체하면서 사용이 증가하고 있지만, 지구온난화지수가 높고 가격이 비싸며 일반적으로 사용되던 압축기의 냉동기유를 사용할 수 없다는 단점이 노출된다.

또한, R-502의 대체냉매로 개발된 HFC 계열 혼합냉매들은 지구온난화 문제를 야기하기 때문에 저온 냉동기용 대체냉매로서 일시적인 해결책일 수 밖에 없고 영구적인 해결책을 위해 탄화수소 계열의 냉매 및 이산화탄소 등의 천연냉매를 사용해야 한다.

탄화수소 계열 냉매들은 가연성을 제외하고는 대체로 냉매로서 우수한 열역학적 성질을 가지고 있으나, 단위 체적당 냉동능력이 작기 때문에 동일한 냉동 능력을 얻기 위해서는 압축기가 커져야 한다는 단점을 가지고 있다. 또한 저온용 냉동기에 사용되는 R-502냉매에 비해 압력이 낮은 특성을 갖는 단점이 있다.

결국, 기존의 대체냉매들은 여전히 높은 지구온난화지수를 가지며, 가격이 비싼 합성물질이기 때문에, 냉동 시스템에 적용시 새로운 문제점를 야기할 수 있게 되며, 이에 따라 영구적인 자연친화적 대체냉매의 구현이 요구된다.

본 발명은 상기 요구에 부응하기 위해 창안된 것으로써, 오존층 파괴와 지구온난화 등의 환경문제를 야기하지 않으며, 동시에 저온냉동기의 냉동능력과 성능을 향상시킬 수 있는 천연혼합냉매를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기된 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 환경문제를 전혀 일으키지 않으면서 체적냉동능력이 작은 프로판의 단점을 보완하기 위해, 프로판(CH₃CH₂CH₃, R-290)에 이산화탄소(CO₂)를 혼합하여 조성한 저온용 대체 혼합냉매를 구현한다.

구체적으로 본 발명은, 저온 냉동기에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서, 프로판에 이산화탄소가 혼합되며, 그 혼합비가 프로판 90~99.5 중량%와, 이산화탄소 0.5~10 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 한다.

<실시예>

R-502 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.

R-502, R-404a, 및 순수 프로판과 순수 이산화탄소의 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	CO₂
분자량, kg/kmol	111.6	97.6	44.1	44.01
비등점, ℃	-45.4	-46.2	-42.1	-78.4
증기압 (℃35/40 ℃), kPa	159.8/ 1681	170.8/ 1833	137.1/ 1369	1202/ 초임계 상태
임계온도, ℃	80.73	72.14	96.70	31.06
증발잠열 (at 0 ℃), kJ/kg	147.1	165.3	374.5	231.6
액상정적비열 (at 0 ℃), kJ/kgK	0.6661	0.8597	1.580	0.9416
기상점도 (at 25 ℃), ×10^-6kg/ms	13.0	12.53	8.737	18.9
열전도율 (기상/액상 at 0 ℃), W/mK	0.00982/ 0.07257	0.01289/ 0.07783	0.01911/ 0.09294	0.01993/ 0.1107
표면장력(at 0 ℃), N/m	0.00854	0.00750	0.00698	0.00455
Cp/Cv (기상비열비 at 0 ℃ )	1.237	1.236	1.277	2.111
오존층파괴지수	0.23	0	0	0
지구온난화지수	4300	3750	3	1

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

또한, 이산화탄소의 증기압은 다른 냉매들에 비해 수배 이상 크기 때문에 프로판에 이산화탄소를 소량 섞음으로써, R-502 냉매와 비슷한 증기압을 형성할 수 있다.

상기 증발잠열이 크면 적은 양의 액상냉매로 소요냉동능력을 얻을 수 있다는 장점이 있는 것으로, 프로판의 경우 R-502에 비해 증발잠열이 두 배 이상 높으며, 이산화탄소도 증발잠열이 R-502에 비해 큰 특징을 가지고 있다.

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

따라서, 프로판과 이산화탄소의 경우, 증발잠열에 대한 액상비열의 비율이 R-502와 R-404a에 비해 작은 특징을 갖기 때문에 팽창과정에서의 상변화에 따른 냉동용량의 감소를 줄일 수 있는 장점이 있다.

상기 냉매의 점도가 크면 압축기 내에서 유동저항 등이 커지기 때문에 압축기의 체적효율이 떨어지는 문제가 발생되는데, 프로판의 기상점도는 R-502, R-404a에 비해 작고 이산화탄소는 큰 특징을 가지고 있다.

또한, 이산화탄소의 경우, 기상점도는 다른 냉매에 비해 크지만, 열교환이 진행되는 증발기와 응축기에서의 이상상태 이산화탄소의 점도는 오히려 작기 때문에 압력강하는 적게 일어나는 장점을 갖는다.

상기 열전도율이 낮으면 열교환기의 열전달 면적을 크게 하거나 이차유체와의 온도차를 크게 해야 하기 때문에, 이를 위해 열교환기의 열전달 면적을 크게 하면 냉동기의 단가가 높아지고, 이차유체와의 온도차를 크게 하면 냉동기의 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.

따라서, 프로판과 이산화탄소의 열전도율은 R-502와 R-404a에 비해 매우 우수하기 때문에 냉동기에 적용시 유리하다.

상기 표면장력이 작으면, 액상냉매에 의해서 증발기 열교환기 관내 표면이 잘 젖게 되어 열전달 효과가 상승하게 되는 것으로, 프로판과 이산화탄소의 표면장력은 다른 두 냉매와 비교하여 표면장력이 작은 특징을 가지고 있다.

상기 정적비열에 대한 정압비열의 비가 작으면, 압축기에서 압축 시에 냉매 가스 온도의 상승이 크지 않기 때문에 압축비를 크게 잡을 수 있으며, 증발온도가 낮은 경우에도 1단 압축으로 냉동기를 구성할 수 있다.

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

상기 표 1에서와 같이 프레온계 혼합냉매인 R-502는 오존층을 파괴하며 지구온난화지수도 높으며, HFC계 혼합냉매인 R-404a는 오존층파괴지수는 영(0)이지만 지구온난화지수가 높은 편이다.

이에 반하여, 자연에 존재하는 천연냉매인 프로판과 이산화탄소는 오존층파괴지수가 영(0)이며, 지구온난화에 대한 영향이 매우 미미하다.

상기된 열역학적 특성에 근거하면, 본 발명에 따른 혼합냉매는 우수한 열역학적 성질과 환경친화적인 성질을 갖는 두 냉매를 적절히 혼합하여 냉매로서 우수한 성질을 갖도록 조성하게 된다.

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 사 용하였고, 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/이산화탄소 혼합냉매 조성물

	프로판, 중량%	CO₂, 중량%
1	99	1
2	98	2
3	95	5
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	2055	2152	2393	2735
응축온도구배, ℃	0	0.27	0	6.91	9.81	15.4	20.5
증발압력, kPa	255.1	270.6	216.6	318	336	377	422.6
증발온도구배, ℃	0	0.65	0	21.02	23.8	28.8	32.5
압축비	9.14	9.41	8.69	6.46	6.40	6.35	6.47
압축기토출온도, ℃	120.4	113.7	115.8	106.8	107.2	108.8	112.2
증발기입구건도	0.383	0.424	0.351	0.381	0.386	0.397	0.410
냉동부하, kJ/kg	137.98	154.9	354.5	347.3	343.9	335	323
체적냉동능력, kJ/m³	1606.1	1680.7	1378.7	2014.0	2111.5	2316.9	2510
성능계수	2.63	2.61	2.72	3.2	3.2	3.14	3.0

상기 표 3에 기인하여, 순수 프로판은 기상 비체적이 크기 때문에 체적냉동능력이 작은 특징을 갖는데, 이는 이산화탄소를 소량 혼합함으로써 체적냉동능력이 높은 혼합냉매를 얻었다.

또한, 상기 프로판과 이산화탄소 혼합냉매 들은 냉동부하가 R-502와 R-404a 에 비해 두 배 이상 크며, 성능계수 역시 큰 특징을 가지고 있으며, 혼합냉매들의 압축기 토출 온도는 낮고 압축비는 작은 특징을 가지고 있다.

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

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, 환경 문제를 야기하지 않고, 냉매로서 뛰어난 열물성을 갖는 천연냉매인 프로판과 이산화탄소를 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

저온 냉동기에 사용되는 혼합냉매 조성물에 있어서,

프로판에 이산화탄소가 혼합된 것을 특징으로 하는 저온용 혼합냉매 조성물.
프로판 90~99.5 중량%와, 이산화탄소 0.5~10 중량%가 전체 100 중량%에 대해 혼합된 것을 특징으로 하는 저온용 혼합냉매 조성물.