냉매와 브라인

 

 

  개요

 

  모든 냉매장치에서 냉동목적을 위해 냉동사이클을 순환하면서 저온부에서 열을 고온부로 운반하는데 사용되는 냉각매체를

냉매라고 하며 기체, 액체, 고체가 있는데 보통 냉매는 냉동장치에서 증발과 응축 그리고 팽창을 거치면서 냉동효과를 얻는

작동유체를말한다. 따라서 냉매는 열을 흡수하기 위하여 증발(evaporation)하고 열을 방출하기 위하여 응축(condensation)

하는 상변화(phase change) 과정을 갖는다.

 

  상변화를 하는 냉매를 1차 냉매(primart refrigerant), 

  상변화를 하지 않는 냉매를 2차 냉매(secondary refrigerant)라고 한다.

 

 

 

  냉매의 구비조건

 

  냉동목적과 종류에 따라 임계온도, 응고점, 증발열 등 물리적인 특성이 다르지만 냉동기의 성적계수를 높일 수 있는 냉매가

좋은 냉매이지만 인체나 다른 물질에 해를 끼친다면 반드시 좋은 냉매라고 할 수 없으므로 냉매에 대한 요구조건은 다양해진다.

 

  (1) 물리적 성질

       

         ① 증발압력이 대기압보다 높고 응축압력은 낮을 것

         ② 임계온도는 높고 상온에서 액화하여야 한다.

         ③ 응고온도(응고점)가 낮아야 한다.

         ④ 증발잠열을 크게, 액체비열은 작아야 한다.

         ⑤ 증기의 비열비는 작아야 한다. (공기는 1.4)

         ⑥ 전열효과가 크고 점도와 밀도, 표면장력이 작아야 한다.

         ⑦ 전기 절연성 및 절연내력이 커야 한다.

         ⑧ 윤활유와 작용하여 냉동작용에 영향이 없어야 한다.

 

  (2) 화학적 성질

 

          ① 화학적으로 안정되고 변질되지 않아야 한다.

          ② 금속을 부식시키지 않아야 하며 구성재료와 부품을 침식시키지 않아야 한다.

          ③ 인화성 및 폭발성이 없어야 한다.

 

 

 

  냉매의 종류와 명명법

 

  (1) 무기 화합물

 

          암모니아(NH3), 탄산가스(CO2), 아황산가스(SO2), 물(H2O) 등으로 지구상에 자연적으로 존재하는 물질로 지구 환경에

         나쁜 영향을 주지 않는다. 이중에서 암모니아는 냉매로서는 매우 우수한 점을 많이 지니고 있으나 폭발성 및 독성이 있고

         탄산가스는 고압이 되면 임계압력(임계온도)이 낮아져 응축기에서 액화되지 않은 결점이 있으나 주로 선박 냉동에 사용

         되어 왔고 현재는 고체 이산화탄소(dry ice)로서 널리 쓰이고 있다. 무기화합물은 R-7OO으로 명명하고 냉매의 분자량은

         OO으로 붙여 쓴다.

          ex. R-718 → H2O ( H : 1, O : 16 )

                 R-717 → NH3 ( H : 1, N : 14 )

                 R-744 → CO2 ( C : 12, O : 16 )

 

  (2) 유기 화합물

 

    프레온(Freon) 냉매의 구성은 탄화수소와 할로겐 원소(F, Cl, Br, I) 중 Cl, F 화합물로서 구성되어 있다.

 

  (3) 냉매 명명법

 

    1) 프레온 냉매의 일반 명명법

 

        메탄(CH4)계 냉매는 십단위(R-OO) 냉매이며 에탄(C2H6)계 냉매는 백단위(R-OOO) 냉매로서

        R-OOF 첫째자리(1의자리)는 F 원자의 숫자를 나타내고

        R-OHO 둘째자리(10의자리)는 H의 숫자로서 이때는 H + 1을 더하여 붙인다.

        R-COO 셋째자리(100의자리)에는 C의 자리로서 C - 1개씩 감소하여 붙인다. 이때 0이면 표기를 생략한다.

 

     2) 국제적으로 통용되는 냉매 명명법

 

        ① 염화불화탄소(CFC, Chloro Fluoro Carbon)냉매

              염소, 불소, 탄소만으로 화합된 냉매로 규제대상인 냉매이다.

 

        ② 수소염화불화탄소(HCFC, Hydro Chrolo Fluoro Carbon)냉매

             수소, 염소, 불소, 탄소로 구성된 냉매로 염소가 포함되어 있어도 공기중에서 쉽게 분해되지 않아 오존층에 대한

             영향이 작으므로 역시 대체냉매로 쓰이지만 규제대상은 아니다.

 

        ③ 수소화불화탄소(HFC, Hydro Fluoro Carbon)냉매

              수소, 불소, 탄소로 구성된 냉매로 염소가 화합물에 포함되어 있지 않아 몬트리올 의정서에 의해 규제되는

              CFC 대체냉매로 각광받고 있다.

              

 

 

  각 냉매의 특성

 

  (1) 암모니아

       암모니아(NH3, R-717)는 공기속에 약간 존재하고 있으며 흙속의 유기물의 부패로 생성되기도 하며 화학적인 공정으로서

     제조된다. 암모니아는 무색의 기체로서 상온상압에서 자극이 강한 심한 악취와 독성이 있으며 알칼리성으로서 산성 식품에 

     닿으면 식품을 상하게 한다.

 

    ① 물 1L에 약 800L의 암모니아가 녹으면서 암모니아수가 되는데 이때의 농도는 28%로 그 비중이 작아진다.

    ② 냉동효과가 269kcal/kg으로서 현재 사용중인 냉매 중 가장 크고, 비열비가 냉매중에서 가장 크다(1.313).

    ③ 공기 중에는 체적으로 0.5%~1.0% 정도 존재하면 인체에 유해하며 13~27%정도 존재하면 폭발이 일어난다.

    ④ 윤활유와는 서로 잘 분리되고 윤활유가 알칼리성에 의해 산화되는 것을 방지한다.

    ⑤ 암모니아를 사용하는 냉동기에서 윤활유에 수분이 함유되면 유탁액(emulsion)현상이 일어난다.

 

  (2) 프레온계 냉매

 

    1) R-11 (CFC-11, CCl3F) (가장 기본적인 냉매)

        이 냉매는 비등점이 23.78℃로서 비교적 높고 증기압력이 매우 낮아서 대용량의 공기조화기인 터보 압축기 사용에

        적합하다. 오존 파괴계수가 높아 규제대상 냉매이다.

 

    2) R-12 (CFC-12, CCl2F2)

          이 냉매는 가장 널리 사용된 냉매로서 가장 안전하고 무해하며 100RT의 냉동능력까지 가능하다. 또한 비열비가 작아서

         (1.13) 압축후의 토출가스 온도가 낮아 압축비(고압/저압)를 크게 운전하여도 압축기에는 크게 무리가 없다.

         ① 냉동효과는 29kcal/kg으로 암모니아의 약 1/9 정도이다.

         ② R-12 냉매를 사용하는 냉동기는 증발기 길이를 짧게 하고 압축기 흡입관은 암모니아보다는 굵게 한다.

         ③ 플래쉬 가스(flash gas)가 많이 발생하기 때문에 액관 중에 드라이어(dryier)를 설치한다.

               (여기서 플래쉬 가스란 증발기가 아닌 곳에서 증발한 냉매가스를 말한다)

  

    3) R-22 (HCFC-22, CHClF2)

         온도와 포화압력에서 암모니아와 가장 비슷한 냉매로서 금속에 대한 안전정도는 다른 금속을 부식시키는 경우가 별로 

         없으며 윤활유와의 용해도에서는 고온에서는 잘 용해되지만 저온에서는 별로 잘 용해되지 않는다.

 

    4) R-134a (HFC-134a, CH2F-CF3)

         이 냉매는 R-22 대체냉매로서 이 냉매에 비하여 냉동능력이 높은 편이며 토출가스의 온도는 약간 낮다.

         현재 가정용 냉장고나 자동차 에어컨에 사용하고 있다. 또한 오존파괴지수(ODP)는 0이며 지구온난화지수(GWP)

         는 0.285이다. 이 냉매는 무색, 무취, 무미하고 연소성 폭발성이 없고 액화와 증발이 좋다.

          (현재 가장 많이 쓰이고 있는 냉매이다)

 

  (3) 공비혼합냉매(azeotrope)

         서로 다른 할로겐 탄화수소 냉매를 혼합하면 액체나 증기상태에서도 그 성질이 변하지 않고 서로의 결점이 보완되는 

         좋은 냉매를 얻을 경우가 있다. 이렇게 조성된 냉매를 혼합냉매라고 하며 두 냉매의 혼합비율은 적당하게 잘 혼합하면

         비등점이 일치하는 단일냉매와 똑같은 작용을 하는 냉매를 얻게 된다.

 

    1) R-500 (R-12 + R-152)

         이 냉매는 질량비로 R-12를 73.8%, R-152를 26.2%씩 혼합하여 제조된 냉매로서 비등점은 -33.3℃로 R-12와 비교하여

         같은 피스톤 배제량에 대하여 냉동능력이 18% 정도 향상된다.

 

  (4) 비공비혼합냉매(zeotropes)

        서로 다른 할로겐 탄화수소 냉매를 적당량 혼합하여 만드는 것은 공비혼합냉매와 같으나 비공비혼합냉매는 혼합 후에도 

        각각의 냉매의 고유특성이 유지되어 각각의 냉매가 가지는 증발과 응축압력이 다르며 이렇게 각각의 냉매가 증발, 응축하는

        과정에서 냉매의 조성이 변하므로 냉매액의 온도 또한 변하게 된다.

 

    1) R-410A (R-32 + R-125)

         R-32와 R-125가 50:50 비율로 혼합된 냉매로 대기압에서 상변화시 온도변화가 약 0.1℃ 정도로 작으며 응축압력이

         R-22보다 약간 낮다. 가정용 에어컨과 공조기에 많이 쓰인다.

 

 

 

  냉매가 냉동장치에 미치는 영향

 

  (1) 유탁액 현상

       암모니아용 냉동장치 중에 수분이 함유하면 암모니아 냉매와 작용하여 수산화아모늄(NH4OH)를 생성하게 된다.

 

  (2) 동부착 현상(copper plating)

       프레온용 냉동기에서 수분이 침투하여 냉매와 작용하면 산이 생성되고 공기중의 산소와 화합하여 동 금속과 반응하게

       되고 압축기 고온부분의 금속에 동이 도금되는 현상이다.

 

  (3) 오일포밍(oil foaming)현상

       프레온용 냉동기에서 압축기가 정지했을 때 크랭크 케이스 내부의 오일 중에 용해되었던 냉매가 압축기가 가동하게 되면 

       크랭크 케이스 내부의 압력이 급히 낮아져 오일과 냉매가 갑자기 분리되면서 유면이 약동하게 되고 윤활유가 거품이 일어

       나는 현상을 말한다.

 

 

  냉매의 누설검사법

 

  (1) 암모니아(NH3)

 

      ① 냄새로 알 수 있다.

      ② 붉은 리트머스 시험지를 누설개소에 대면 청색으로 변한다.

      ③ 페놀프탈레인 시험지를 물에 적셔 누설개소에 대면 홍색(적색)으로 변한다.

      ④ 브라인 또는 물에 누설시 네슬러시약을 브라인에 떨어뜨리면 소량 누설시 황색, 다량 누설시 자색(보라색)으로 변한다.

      ⑤ 유황초나 유황걸레에 불을 붙여 누설개소에 대면 흰 연기가 발생한다.

      ⑥ 염산(염화수소산)을 탈지면에 적셔 누설개소에 대면 흰 연기가 발생한다.

 

  (2) 프레온(Freon)

 

      ① 비눗물 검사로 알 수 있다. (진공부에는 비눗물 거품이 유입될 수 있으므로 피하도록 한다)

      ② 헤라이드 토치(불꽃반응)를 사용한다. (정상 : 청색, 소량 : 녹색, 다량 : 자색, 과량 : 꺼짐)

      ③ 할로겐 전자누설 탐지기를 사용한다.

 

 

  2차 냉매(브라인)

 

  냉동시스템 외부를 순환하면서 간접적으로 열을 운반하는 매개체이다. 1차 냉매는 일반적으로 잠열을 운반하는 반면에

2차 냉매인 브라인(brine)은 감열(현열)로서 열을 운반한다.

 

  (1) 브라인의 구비조건

         상변화를 하면 안된다는 것에 포커스를 두자.

       

      ① 부식성이 없을 것

      ② 비등점이 높고 응고점이 낮을 것(액체 상태를 유지)

      ③ 비열이 크고 열전달 능력이 좋을 것

      ④ 비중이 적당하고 점도가 낮을 것

      ⑤ 누설시 냉장물품에 손상이 없을 것

      ⑥ 구입이 용이하고 가격이 저렴할 것