KR20110043079A - Ｒ22 대체를 위한 Ｒ32와 Ｒ152ａ로 구성된 혼합냉매 - Google Patents

Ｒ22 대체를 위한 Ｒ32와 Ｒ152ａ로 구성된 혼합냉매 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매로 사용할 수 있는 물질 즉 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF2)을 대체할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다.
냉동공조기, 혼합냉매, 디플루오로메탄, 1,1-디플루오로에탄

Description

Ｒ22 대체를 위한 Ｒ32와 Ｒ152ａ로 구성된 혼합냉매{refrigerant mixture of R32 and R152a for drop in replacement of R22}
본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매로 사용할 수 있는 R22 대체를 위한 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매에 관한 것이다.
본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매로 사용되는 모노클로로플루오로메탄(CHClF2)을 대체할 수 있는 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매에 관한 것이다.
지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등의 냉매로서 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 -40.8℃이고 분자 질량이 86.47kg/kmol인 R22가 가장 널리 사용되어 왔다.
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 1은 몇 가지 냉매들의 환경지수를 보여준다.
냉 매 오존층붕괴지수
(ODP)		 지구온난화지수
(GWP)
HCFC22 0.05 1,700
HFC32 0.00 550
HFC152a 0.00 140
R407C 0.00 1,610
R410A 0.00 1,890
(*) ODP는 CFC11을 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.
(**) GWP는 100년 기준 이산화탄소를 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.
표 1에서 볼 수 있듯이, HCFC22는 오존층붕괴지수(Ozone depletion potential, 이하 ODP라 한다)가 0.05로 높아서 현재 선진국에서는 몬트리올 의정서에 의거하여 2010년부터 전폐될 예정이다. 따라서 전 세계 대부분의 국가가 오존층붕괴지수(ODP)가 0.0인 대체냉매를 찾아서 사용하려 하고 있다.
또 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.
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.
또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 체적용량(Volumetric capacity, 이하 VC라 한다)을 제공해야 한다. 여기서 체적용량(VC)이란 단위 체적 당 냉동 효과를 뜻하는데 이것은 압축기의 크기를 나타내는 인자로서 대개 증기압에 비례하고 단위는 kJ/m3이다. 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 체적용량을 낸다면 제조업체는 압축기를 바꾸거나 크게 개조하지 않고도 냉동/공조기를 제작할 수 있어 매우 유리하다. 그러나 지금까지의 연구 결과 순수 물질로 기존 냉매를 대체하는 경우 대체냉매의 체적용량이 달라서 필연적으로 압축기를 바꾸거나 크게 개조해야 하며 또 기존 냉매와 비슷한 성능계수를 내기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.
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.
미국의 듀퐁 사 등이 개발한 R407C라는 3원 혼합냉매(23%R32/25%R125/52%R134a)는 냉동 용량이 기존의 HCFC22와 비슷하지만 에너지 효율이 낮다는 단점을 갖고 있다. 한편 하니웰 사 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. 또한 표 1에서 보여지듯이, 이 냉매들은 오존층 붕괴 지수는 0.0이지만 지구 온난화 지수는 R22와 거의 비슷하므로 장기적으로 계속해서 이것들을 쓸 수 있을지 의문이 제기되고 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 성능계수를 기존 냉매와 비슷하게 하고 동시에 기존 냉매와 비슷한 체적용량을 내게하여 기존의 압축기를 크게 개조할 필요 없이 기존 냉매를 대체할 수 있는 혼합냉매를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 본 발명은 기존 냉매인 모노클로로플루오로메탄(CHClF2)을 대체할 수 있는 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 목적은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 디플루오로메탄 25 내지 65중량%와 1,1-디플루오로에탄 35 내지 75중량%로 구성된 혼합냉매에 의해 달성된다.
상기한 본 발명의 목적은 위 혼합냉매가 사용되며 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 밸브를 포함하여 구성되는 냉동공조기에 의해서도 달성된다.
본 발명에 따른 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매에 의하면 기존 냉매인 모노클로로플루오로메탄(CHClF2)과 비슷한 체적용량을 갖게 되어 기존의 압축기를 크게 개조할 필요 없이 기존 냉매를 대체할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매는 지구온난화지수가 기 존의 모노클로로플루오로메탄(CHClF2)보다 훨씬 낮아서 훨씬 친환경적이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R22 대체를 위한 R32와 R152a로 구성된 혼합냉매의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 'R32(디플루오로메탄)와 R152a(1,1-디플루오로에탄)로 구성된 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF2, 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)을 대체할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 오존층붕괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구온난화지수 또한 기존의 다른 대체냉매보다 훨씬 낮고 동시에 기존의 압축기를 크게 개조하지 않고도 HCFC22의 대체냉매로 사용할 수 있는 혼합냉매를 제공하는 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 R32와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매에 관한 것이다.
대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 냉동/공조기의 성능을 모사하는 프로그램을 사용하였다. 도 1은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도로서 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등으로 구성되어 있다. 프로그램에서는 먼저 냉동/공조기를 구성하는 요소들 예를 들어 열교환기 및 압축기 등에 대한 열역학 및 열전달 해석을 수행하였고 최종적으로 이 모든 것을 조합한 전체 프로그 램을 개발했다. 이렇게 개발한 프로그램의 정확도를 결정하는 중요 인자 중 하나는 냉매의 물성치이다.
본 프로그램에서는 미국, 일본 등에서 기준으로 삼고 있는 Carnahan-Starling-De Santis(CSD) 상태 방정식을 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산했다. REFPROP으로 알려진 CSD 상태 방정식은 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 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.
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 R152a를 혼합하여 기존의 R22 냉매를 대체할 수 있게 하였다.
표 2는 기존의 HCFC22를 사용하는 냉동/공조기 사용 조건에서 전산해석 프로그램을 이용하여 계산한 결과들을 요약한 것으로서 기준이 되는 HCFC22와 본 발명자가 제안하는 2원 혼합냉매의 성능 지수를 보여 준다. (에어컨 구동 조건: 증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)
냉매
 조성(중량%) VC VCdiff (%) COP COPdiff (%) W
(W)		 Tdis
(℃)		 GTD
(℃)		 GWP
R32 R152a
R22 3565.3 2.88 1217 98.2 1700
R152a 0 100 2171.9 -39.1 2.98 3.5 1174 93.7 0.00 140
실시예1 10 90 2490.1 -30.2 3.06 6.3 1142 96.6 3.92 181
실시예2 20 80 2818.4 -21.0 3.12 8.3 1122 99.5 6.28 222
실시예3 30 70 3155.8 -11.5 3.15 9.4 1110 102.4 7.60 263
실시예4 40 60 3504.2 -1.7 3.17 10.1 1104 105.2 8.13 304
실시예5 50 50 3866.6 8.5 3.18 10.4 1102 107.8 8.06 345
실시예6 60 40 4246.5 19.1 3.18 10.4 1102 110.1 7.48 386
실시예7 70 30 4647.2 30.3 3.17 10.1 1105 112.1 6.41 427
실시예8 80 20 5071.7 42.3 3.15 9.4 1113 113.7 4.86 468
실시예9 90 10 5522.5 54.9 3.10 7.6 1128 115.1 2.77 509
R32 100 0 6004.5 68.4 3.03 5.2 1155 116.0 0.00 550
※○ COP : 성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진 일)
○ 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)
표 2의 결과는 동일한 냉동 용량 하에서 조성비율 변화에 따른 성능계수와 체적용량 등의 변화를 보여 준다. 앞서 서술하였지만 제조업체에서 가장 중요하게 여기는 것은 압축기를 개조하지 않고 냉매만 바꾸어서 대체를 이루는 것 즉 'Drop-in 대체'를 이루는 것이다. 이처럼 'Drop-in 대체'를 이루려면 대체냉매의 체적용량(VC)이 기존의 R22 냉매의 체적용량과 유사해야 한다.
표 2는 동일한 냉동 용량 하에서 2원 혼합냉매의 체적용량(VC) 등을 보여 준다. 표 2에서 보여지듯이, 본 발명에 따른 R32/R152a 혼합냉매의 경우 R32의 조성비율이 25 내지 65중량% 정도가 되면 기존의 R22의 체적용량과 혼합냉매의 체적용량이 ±20% 이내에서 비슷하게 된다. R22의 체적용량과 비교할 때에 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 20중량%이고 R152a의 조성비율이 80중량%인 실시예 2에서는 체적용량이 (2818.4-3565.3)÷3565.3×100=-21(%)의 차이를 보이며, R32의 조성비율이 60중량%이고 R152a의 조성비율이 40중량%인 실시예 6에서는 체적용량이 19.1%의 차이를 보인다. R32의 조성비율이 30, 40, 50중량%로 증가한 실시예 3, 4, 5에서 체적용량은 3155.8, 3504.2, 3866.6으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율을 25 내지 65중량% 정도로 하면 R22의 체적용량과의 차이가 ±20% 이내가 될 것이다. 그러므로 이런 조성비율 범위에서는 압축기 크기를 거의 고치지 않거나 미세하게 고쳐서 2원 혼합냉매로 기존의 R22를 대체할 수 있다.
표 2에서 보여지듯이, R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서 혼합냉매의 성능계수는 기존의 HCFC22에 비해 높다. 또 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서는 혼합냉매의 온도구배(GTD)가 현재 상용화되고 있는 혼합냉매 예를 들어 R407C의 온도구배인 8℃ 정도이거나 그 이하이므로 본 발명의 2원 혼합냉매를 기존 시스템에 적용하는 데 문제가 없을 것으로 판단된다.
R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서는 혼합냉매의 압축기 토출 온도가 R22에 비해 15℃정도까지 상승하지만 이 정도의 상승은 윤활유와의 조합을 통해 얼마든지 조정할 수 있으므로 문제가 되지 않는다.
이 외의 다른 조성비율에서는, 표 2에서 보여지듯이 예를 들면 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25중량%보다 작은 경우 예를 들면 20중량% 이하의 경우에는 체적용량의 차이가 -21%를 넘어서게 되고, R32의 조성비율이 65중량%보다 큰 경우 예를 들면 70중량% 이상인 경우에는 체적용량의 차이가 30%를 넘게된다. 이렇게 다른 조성비율에서는 체적 용량이 맞지 않아서 실제로 R22를 사용하는 동일한 냉동/공조기의 압축기를 크게 개조해야 하므로 본 발명이 이루고자 하는 'Drop-in' 대체를 이룰 수 없다.
표 3은 R32/R152a 혼합냉매의 조성비율을 달리하여 겨울철의 히트펌프 구동 조건에서 작동했을 때의 결과를 보여 준다. (히트펌프 구동 조건: 증발기 냉매 온도: -7℃, 응축기 냉매 온도: 41℃)
냉매
 조성(중량%) VC VCdiff (%) COP COPdiff (%) W
(W)		 Tdis
(℃)		 GTD
(℃)		 GWP
R32 R152a
R22 2261.4 3.30 1523 105.7 1700
R152a 0 100 1275.4 -43.6 3.34 1.2 1496 100.5 0.00 140
실시예1 10 90 1480.5 -34.5 3.41 3.3 1455 104.0 3.92 181
실시예2 20 80 1695.8 -25.0 3.45 4.5 1428 107.5 6.28 222
실시예3 30 70 1920.3 -15.1 3.48 5.5 1411 111.1 7.60 263
실시예4 40 60 2154.5 -4.7 3.50 6.1 1401 114.5 8.13 304
실시예5 50 50 2400.3 6.1 3.51 6.4 1395 117.9 8.06 345
실시예6 60 40 2659.9 17.6 3.51 6.4 1393 121.0 7.48 386
실시예7 70 30 2936.0 29.8 3.51 6.4 1395 123.8 6.41 427
실시예8 80 20 3231.8 42.9 3.50 6.1 1402 126.4 4.86 468
실시예9 90 10 3550.9 57.0 3.47 5.2 1417 128.6 2.77 509
R32 100 0 3901.5 72.5 3.42 3.6 1445 130.2 0.00 550
※○ COP : 성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진 일)
○ 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)
겨울철 조건에서도 결과는 여름철 에어컨 구동 조건에서의 결과와 비슷하다.
표 3은 동일한 냉동 용량 하에서 2원 혼합냉매의 체적용량(VC) 등을 보여 준다. 표 3에서 보여지듯이, 본 발명에 따른 R32/R152a 혼합냉매의 경우 R32의 조성비율이 25 내지 65중량% 정도가 되면 기존의 R22의 체적용량과 혼합냉매의 체적용량이 ±20% 이내에서 비슷하게 된다. R22의 체적용량과 비교할 때에 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 20중량%이고 R152a의 조성비율이 80중량%인 실시예 2에서는 체적용량이 (1695.8-2261.4)÷2261.4×100=-25(%)의 차이를 보이며, R32의 조성비율이 60중량%이고 R152a의 조성비율이 40중량%인 실시예 6에서는 체적용량이 17.6%의 차이를 보인다. R32의 조성비율이 30, 40, 50중량%로 증가한 실시예 3, 4, 5에서 체적용량은 1920.3, 2154.5, 2400.3으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율을 25 내지 65중량% 정도로 하면 R22의 체적용량과의 차이가 ±20% 이내가 될 것이다. 그러므로 이런 조성비율 범위에서는 압축기 크기를 거의 고치지 않거나 미세하게 고쳐서 2원 혼합냉매로 기존의 R22를 대체할 수 있다.
표 3에서 보여지듯이, R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서 혼합냉매의 성능계수는 기존의 HCFC22에 비해 높다. 또 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서는 혼합냉매의 온도구배(GTD)가 현재 상용화되고 있는 혼합냉매 예를 들어 R407C의 온도구배인 8℃ 정도이거나 그 이하이므로 본 발명의 2원 혼합냉매를 기존 시스템에 적용하는 데 문제가 없을 것으로 판단된다.
R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25 내지 65중량%인 조성 범위에서는 혼합냉매의 압축기 토출 온도가 R22에 비해 15℃정도까지 상승하지만 이 정도의 상승은 윤활유와의 조합을 통해 얼마든지 조정할 수 있으므로 문제가 되지 않는다.
이 외의 다른 조성비율에서는, 표 3에서 보여지듯이, 예를 들면 R32/R152a 혼합냉매에서 R32의 조성비율이 25중량%보다 작은 경우 예를 들면 20중량% 이하의 경우에는 체적용량의 차이가 -25%를 넘어서게 되고, R32의 조성비율이 65중량%보다 큰 경우 예를 들면 70중량% 이상인 경우에는 체적용량의 차이가 29%를 넘게된다. 이렇게 다른 조성비율에서는 체적 용량이 맞지 않아서 실제로 R22를 사용하는 동일한 냉동/공조기의 압축기를 크게 개조해야 하므로 본 발명이 이루고자 하는 'Drop-in' 대체를 이룰 수 없다.
도 1은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
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

Claims (2)

  1. 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 디플루오로메탄 25 내지 65중량%와 1,1-디플루오로에탄 35 내지 75중량%로 구성된 혼합냉매.
  2. 제1항의 혼합냉매가 사용되며 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 밸브를 포함하여 구성되는 냉동공조기.
KR1020090100022A 2009-10-21 2009-10-21 Ｒ22 대체를 위한 Ｒ32와 Ｒ152ａ로 구성된 혼합냉매 KR20110043079A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113913157A (zh) * 2021-10-26 2022-01-11 珠海格力电器股份有限公司 一种非共沸制冷剂，其制备方法及其在制冷装置中的应用

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