2009년 11월 01일
제 1 편 냉동기계 (冷凍機械, Refrigerator)
제 3 장 냉매 (Refrigerant)
냉동 사이클을 순환하는 동작유체로서 저온의 열을 흡수하여 고온부로 운반, 이동시키는 순환 및 동작물질을 냉매라 한다.
Ⅰ. 냉매의 구비조건
1. 물리적 조건
① 저온에서도 대기압 이상의 압력에서도 쉽게 증발할 것
R-12 : -29.8 ℃ > NH₃: -33.3 ℃ > R-22 : -40.8 ℃ > R-13 : -81.5 ℃
② 임계온도가 높고 상온에서 쉽게 액화할 것
③ 응고온도가 낮을 것
NH₃: -77.7 ℃ > R-12 : -158.2 ℃ > R-22 : -160 ℃ > R-13 : -181 ℃
④ 증발 잠열이 클 것 (1 RT당 냉매순환량이 적어진다)
NH₃: 313.5 ㎉ / ㎏ > R-22 : 51.9 ㎉ / ㎏ > R-12 : 38.57 ㎉ / ㎏
⑤ 냉매액은 비열이 작을 것
NH₃: 1.156 ㎉ / ㎏ · ℃ > R-22 : 0.335 ㎉ / ㎏ · ℃ > R-12 : 0.243 ㎉ / ㎏ · ℃
⑥ 비열비가 작을 것 (비열비가 작을수록 압축 후의 토출가스 온도 상승이 적다)
NH₃: 1.313 (98 ℃) > R-22 : 1.184 (55 ℃) > R-12 : 1.136 (37.8 ℃)
⑦ 점도와 표면장력이 작고, 전열이 양호할 것
전열이 양호한 순서 : NH₃> H₂O > Freon > Air
⑧ 누설시 발견이 용이할 것
⑨ 절연내력이 크고, 전기절연물을 침식시키지 않을 것
R-12 : 2.4 > R-22 : 1.3 > NH₃: 0.83 (N₂를 1로 기준)
⑩ 가스의 비체적이 적을 것
⑪ 패킹재료에 영향이 없을 것
㉠ 암모니아 : 천연고무 및 석면 사용
㉡ 프레온 : 특수고무, 합성고무 사용
⑫ 윤활유와 혼합되어도 냉동작용에 영향을 주지 않을 것
⑬ 가스 비중이 적을 것 (터보압축기는 제외)
2. 화학적 조건
① 화학적 결합이 안정하여 분해되지 않을 것
② 불활성이고, 금속을 부식시키지 않을 것
③ 인화 및 폭발성이 없을 것
3. 생물학적 조건
① 독성 및 자극성이 없을 것
② 인체에 무해하고, 누설시 냉장품에 손상이 없을 것
③ 악취가 없을 것
4. 경제적 조건
① 가격이 저렴할 것
② 소요동력이 적게 들 것
③ 자동운전이 용이할 것
Ⅱ. 냉매의 종류
1. 1차 냉매 (직접 냉매)
냉동장치를 직접 순환하면서 잠열 상태로 열을 운반하는 냉매
[예] NH₃, 프레온 (R-12, R-22, R-500 등), SO₂, CO₂
2. 2차 냉매 (간접냉매, 브라인)
냉동장치 밖을 순환하면서 감열 상태로 열을 운반하는 냉매
[예] 유기질 브라인, 무기질 브라인 등
Ⅲ. 냉매의 성질
1. 암모니아 (NH₃: R-717)
(1) 특성
① 가연성, 폭발성, 독성, 자극성의 악취가 있다(독성 : SO₃> NH₃> Freon).
② 대기압에서의 끓는점 : -33.3 ℃, 어는점 : -77.7 ℃
③ 냉동효과와 증발잠열이 크다.
④ 비열비 (Cp/Cv)가 1.313(토출가스온도 : 98 ℃)으로 커 토출가스온도가 높아 워터자켓(Water Jacket)을 설치하여 실린더를 수냉각해야 한다.
⑤ 동(銅) 및 동(銅)을 62 %이상 함유하는 동합금을 부식시킨다.
⑥ 패킹은 천연고무와 이스베스토스(석면)를 사용한다.
⑦ 전기절연물을 열화, 침식시키므로 밀폐형 압축기에 사용할 수 없다.
⑧ 오일보다 가볍다(비중의 순서 : Freon > H₂O > Oil > NH₃).
⑨ 윤활유는 서로 용해하지 않으나, 윤활유가 열화 및 탄화되므로 불리하여 배유시킨다.
⑩ 수분은 암모니아와 용해가 잘 되므로 수분이 동결되지는 않지만 수분 1% 침입시 증발온도 0.5 ℃씩 상승한다.
⑪ 유탁액(에멀전) 현상 : 암모니아에 다량의 수분이 용해되면 NH₄(OH) [수산화암모늄]이 생성되어 윤활유를 미립자로 분리시키고, 우유빛으로 변색시키는 현상으로 윤활유의 기능이 저하된다.
2. 프레온 (Freon)
(1) 프레온의 성질
① 열에 대하여 안정하지만 800℃ 이상의 화염과 접촉하면 포스겐 (COCl₂) 가스가 발생한다.
② 불연성이고 독성이 없다.
③ 무색, 무취이므로 누설시 발견이 어렵다.
④ 비열비가 크지 않아 토출가스온도가 높지 않다(R-12 : 37.8℃, R-22 : 55℃).
⑤ 대체로 끓는점과 어는점이 낮다.
끓는점 R-12 : -29.8 ℃, R-22 : -40.8 ℃, R-13 : -81.5 ℃
어는점 R-12 : -158.2 ℃, R-22 : -160 ℃, R-13 : -181 ℃
⑥ 전열이 불량하므로 Finned Tube를 사용하여 전열면적을 증대시킨다.
⑦ 전기절연내력이 양호하므로 밀폐형 냉동기의 냉매로 사용할 수 있어 설치면적이 적어 소형화가 가능하다.
⑧ 마그네슘 및 마그네슘을 2% 이상 함유한 Al합금을 부식시킨다(염화메틸 : Al, Mg, Zn과 이들 합금을 부식시킨다).
⑨ 윤활유와의 관계
㉠ 윤활유와 용해도가 큰 냉매 : R-11, R-12, R-21, R-113, R-500
㉡ 윤활유와 용해도가 적고, 저온에서 분리되는 냉매 : R-13, R-14
㉢ 냉매와의 용해로 윤활유의 응고온도가 낮아져 저온부에서도 윤활이 양호하다.
㉣ 윤활유의 점도가 낮아진다.
㉤ 오일 포밍(Oil Foaming) 현상이 일어난다.
⑩ 수분과의 영향
㉠ 수분과는 용해되지 않으므로 팽창밸브를 동결 폐쇄시킨다(팽창밸브 직전에 드라이어를 설치하여 수분을 제거한다).
㉡ 산(HCl, HF)을 생성하여 금속 또는 장치 부식이 촉진된다.
㉢ 동(銅)부착 현상이 일어날 수 있다.
(2) 프레온 냉동장치에서의 현상
① 오일포밍 (Oil Foaming) 현상
㉠ 정의
프레온계 냉동장치에서 압축기가 정지하고 있는 동안 크랭크 케이스내의 압력이 높아지고 온도가 저하하면 오일은 그 압력과 온도에 상당하는 양의 냉매를 용해하고 있다가 압축기 재기동시 크랭크 케이스내의 압력이 급격히 떨어지면서 오일과 냉매가 급격히 분리되어 유면이 약동하고 심한 거품이 일어나는 현상
㉡ 현상
ⓐ 오일 햄머링(Oil Hammering)이 우려된다.
ⓑ 응축기, 증발기로 Oil이 넘어가 전열을 방해한다.
ⓒ 크랭크케이스내의 Oil 부족으로 활동부의 마모 및 소손을 초래한다.
㉢ 방지대책
ⓐ 크랭크 케이스 내에 오일 히터를 설치
ⓑ 터보 냉동기 : 무정전 히터를 설치
② 오일 햄머링 (Oil Hammering)
오일 포밍 등이 발생하게 되면 실린더내로 다량의 오일이 올라가 오일을 압축하게 되는데 오일은 비압축성이므로 실린더 헤드부에서 충격음이 발생하게 되며, 이러한 현상이 심하면 압축기가 손상된다.
③ 동부착 (Copper plating) 현상
프레온 냉동장치에서 수분과 프레온이 작용하여 산이 생성되고, 나아가 침입한 공기 중의 산소와 반응된 다음 냉매 순환 계통중의 동을 침식시키고, 침식된 동이 냉동장치를 순환하다가 압축기 고온부(실린더, 피스통)에 동(銅)이 부착되는 현상
동부착 (Copper plating) 현상이 일어날 수 있는 조건
① 수소분자가 많은 냉매일수록 [예 : R-40 (CH₃Cl : 메틸클로라이드)]
② 장치 중에 수분이 많을수록
③ Oil 중에 왁스 성분이 많이 함유되었을 때
④ 압축기의 피스톤, 실린더와 같은 고온부일수록 부착이 잘된다.
Ⅳ. 프레온계 냉매의 구성
1. 구성
(1) 탄화수소계 냉매
① 메탄계(CH₄) 냉매 : 4개의 H 대신 할로겐원소와 치환된 냉매
② 에탄계(C₂H₆) 냉매 : 6개의 H 대신 할로겐원소와 치환된 냉매
(2) 표기순서 : C → H → Cl → F
2. 표기방법
(1) 메탄계(십단위) 냉매
C H Cl F₂(R-22)
① C의 숫자가 1일 때는 메탄계로써 냉매번호는 십의 자리수 냉매이다.
② 일의 자리인 F의 수가 2개이므로 R-X2로 표시된다.
③ 십의 자리인 H의 수가 1개이므로 (H수 + 1 = 1 + 1) 로서 R-22로 표시된다.
④ 메탄계일 때는 C 이외의 원소수가 4개가 되도록 Cl(오존층 파괴의 주범으로 신냉매는 염소를 완전히 제거한 것을 사용한다. 이럴 경우 효율이 3~5% 정도 떨어진다)로 맞추어 채운다.
<R-1X 냉매 명명법>
<R-2X 냉매 명명법>
(2) 에탄계(백단위) 냉매
C₂H Cl₂ F₃(R-123)
① C의 숫자가 2일 때는 에탄계로써 냉매번호는 백의 자리수 냉매이다.
② 일의 자리인 F의 수가 3개이므로 R-1X3로 표시된다.
③ 십의 자리인 H의 수가 1개이므로 (H수 + 1 = 1 + 1) 로서 R-123로 표시된다.
④ 에탄계일 때는 C₂이외의 원소수가 6개가 되도록 Cl(오존층 파괴의 주범으로 신냉매는 염소를 완전히 제거한 것을 사용한다. 이럴 경우 효율이 3~5% 정도 떨어진다)로 맞추어 채운다.
<R-11X 냉매 명명법>
<R-12X 냉매 명명법>
<R-13X 냉매 명명법>
<각종 냉매의 특성>
Ⅴ. 각 프레온 냉매의 특성
1. R-11
끓는점이 높고 저압의 냉매로서 가스의 비중이 커 공조용인 터보 냉동기의 냉매, 100RT이상의 대용량 공기조화용으로 브라인으로 사용되며 오일을 잘 용해하므로 R-113과 함께 냉동장치 세척용으로 많이 사용한다.
2. R-12
프레온 냉매 중 가장 먼저 개발된 것으로 소형 가정용 냉장고에서 대형 냉동기까지 저온에서 고온까지 광범위하게 사용되고 있으며 주로 왕복동식에 적합하나 대용량의 터보 냉동기에도 사용한다.
3. R-13
끓는점이 대단히 낮고 어는점도 매우 낮아 2원 냉동장치의 저온측 냉매로 사용한다.
4. R-22
R-12와 함께 소형에서 대형까지, 저온에서 고온, 단단에서 2단 압축까지 광범위하게 사용되는 냉매이다.
5. R-113
저압냉매로서 R-11과 함께 주로 공조용 터보냉동기에 많이 사용한다.
6. R-114
회전식 압축기용 냉매로서 소형에서 많이 사용한다.
7. R-134a
R-12의 대체 냉매로서 끓는점은 26.5℃, 어는점은 -108℃로서 R-12에 비하여 냉동능력이 좋고, 토출가스온도는 약간 낮으며 거의 특성과 성질이 매우 비슷하고, R-12 냉동장치에 그대로 사용시 약 8% 정도의 냉동성능이 감소하며 현재 가정용냉장고나 자동차에어콘에 사용하고 있다.
Ⅵ. 공비 혼합냉매
프레온 냉매 중 서로 다른 두가지 냉매를 적당한 중량비로 혼합하면 액체상태나 기체상태에서 처음 냉매들과는 전혀 다른 하나의 새로운 특성을 나타내게 되는 냉매(가 + 나 → 다)로서 R-500 단위로 시작된다.
1. R-500
① R-12의 능력을 개선할 때 사용한다(약 20% 냉동력 증대).
② 열에 대한 안정성이 양호하다.
③ 윤활유에 잘 혼합되며 절연내력이 크다.
2. R-501
① R-22와 같이 오일이 압축기로 돌아오기 힘든 냉매는 R-12를 첨가하여 사용함으로써 오일을 압축기로 잘 회수할 수 있게 된다..
② R-12에 R-22를 20% 정도 첨가하면 냉동능력은 약 30%정도 증가한다..
3. R-502
① R-22의 능력을 개선할 때 사용한다(약 13% 냉동력 증대).
② R-22보다 저온을 얻고자 할 때 사용된다.
4. R-503
① R-13의 능력을 개선할 때 사용한다.
② R-13보다 낮은 온도를 얻는데 유리하다.
③ R-13과 같이 2원 냉동장치의 저온용냉매로 이용된다.
Ⅶ. 냉매의 누설검사
1. 암모니아 (NH₃)
① 냄새(악취)
② 붉은 리트머스 시험지 → 파란색으로 변색
③ 페놀프탈레인지 → 붉은색으로 변색
④ 유황초(황산, 염산) → 하얀색연기 발생
⑤ 네슬러시약 → 소량누설 : 노란색, 다량누설 : 보라색
2. 프레온 (Freon)
① 비눗물 검사 → 기포발생
② 헬아이드토치 사용 → 불꽃색의 변화
(사용연료 : 프로판, 부탄, 알콜 등)
㉠ 누설이 없을 시 → 파란색
㉡ 소량 누설 시 → 초록색
㉢ 다량 누설 시 → 보라색
㉣ 극심할 때 → 불이 꺼짐
③ 할로겐 전자누설 탐지기 사용
Ⅷ. 브라인 (Brine)
2차 냉매(간접냉매)로 냉동장치 밖을 순환하면서 상태변화 없이 감열로서 열을 운반하는 동작유체
1. 브라인의 구비조건
① 열용량(비열)이 크고, 전열이 양호할 것
② 공정점과 점도가 낮을 것
③ 부식성이 없을 것
④ 어는점이 낮을 것
⑤ 누설시 냉장물품에 손상이 없을 것
⑥ 가격이 싸고, 구입이 용이할 것
⑦ pH값이 적당할 것 (7.5~8.2 정도)
공정점 : 서로 다른 두 가지 물질을 용해할 경우 그 농도가 증가함에 따라 동결온도가 낮아지게 되는데 어느 일정한 한계의 농도에서는 더 이상 동결온도가 낮아지지 않는다. 이렇게 더 이상 낮아지지 않는 온도를 동정점이라고 한다.
2. 브라인의 종류
(1) 무기질 브라인
① 식염수 (NaCl)
㉠ 주로 식품냉동에 사용
㉡ 값은 싸나 무기질 브라인 중 부식력이 가장 크다.
㉢ 공정점 : -21.2 ℃
② 염화마그네슘(MgCl₂)
㉠ 부식성은 염화칼슘보다 높고, 현재는 거의 사용하지 않는다.
㉡ 공정점 : -33.6 ℃
③ 염화칼슘(CaCl₂)
㉠ 일반적으로 제빙, 냉장 및 공업용으로 가장 많이 사용된다.
㉡ 공정점 : -55 ℃, 사용온도 : -32 ℃ ~ -35 ℃
㉢ 흡수성이 강하고, 누설시 식품에 접촉되면 떫은 맛이 난다.
(2) 유기질 브라인 (고가이기 때문에 거의 사용하지 않는다)
① 에틸알콜 (C₂H₅OH)
㉠ 어는점 -114.5 ℃, 끓는점 : 78.5 ℃, 인화점 15.8 ℃
㉡ 인화점이 낮으므로 취급에 주의를 요한다.
㉢ 비중이 0.8로서 물보다 가볍다.
㉣ 식품의 초저온 동결(-100 ℃ 정도)에 사용할 수 있다.
㉤ 마취성이 있다.
② 에틸렌클리콜 (C₂H₆O₂)
㉠ 어는점 -12.6 ℃, 끓는점 : 177.2 ℃, 인화점 116 ℃
㉡ 물보다 무거우며(비중 1.1) 점성이 크고 단맛이 있는 무색의 액체이다.
㉢ 비교적 고온에서 2차냉매 또는 제상용 브라인으로 쓰인다.
③ 프로필렌글리콜
㉠ 어는점 -59.5 ℃, 끓는점 : 188.2 ℃, 인화점 107 ℃
㉡ 물보다 약간 무거우며(비중 1.04) 점성이 크고 무색, 독성이 거의 없는 무독의 액체이다.
㉢ 분무식 식품냉동이나, 약 50% 수용액으로 식품을 직접 침지한다.
3. 브라인의 금속부식 방지법
① 공기와 접촉하지 않도록 하여 산소가 브라인 중에 녹아들지 않는 순환방법을 채택한다.
② pH는 7.5~8.2 정도의 약알칼리성이 좋다.
③ 방식아연(16번 아연도금철판)을 부착한 철판을 사용한다.
④ 방청약품 사용
㉠ CaCl₂: 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 1.6g을 첨가, 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g씩 첨가
㉡ NaCl : 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 3.2g을 첨가, 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g씩 첨가
Ⅸ. 기타냉매
1. 암모니아 (NH₃) : R-717
2. 물 (H₂O) : R-718
① 흡수식 냉동장치의 냉매 또는 흡수제와 증기분사식 냉동장치의 냉매로 쓰인다.
② 0℃ 이하의 저온에서는 사용이 불가능하다.
3. 공기 (Air) : R-729
① 공기 압축식 냉동장치의 냉매로 쓰인다.
② 항공기의 냉방과 같은 특수한 목적의 냉방용 냉동기와 냉방에 이용된다.
4. 탄산가스 (CO₂) : R-744
① 임계온도가 31 ℃로 낮아 응축이 힘들다.
② 불연성이다.
③ 오일과는 잘 용해되지 않는다.
④ 동일 냉동능력당 동력소비가 크고 성적계수가 나쁘다.
5. 아황산가스 (SO₂) : R-764
① 독성이 가장 강하다(허용농도 5ppm)
② 암모니아와 접촉시 흰 연기가 발생한다.
③ 끓는점은 -10 ℃이고, -15 ℃에서 증발압력이 150mmHg이므로 외기침입의 우려가 있다.
6. 탄화수소 냉매
① 에탄(C₂H₆) : R-170
② 프로판(C₃H₈) : R-290
③ 부탄(C₄H₁₀) : R-600
Ⅹ. 냉매의 상해에 대한 구급방법
1. NH₃
① 눈에 들어간 경우
물로 세척한 후 2%의 붕산액으로 세척하고, 유동파라핀을 2~3방울 점안한다.
② 피부에 묻은 경우
물로 세척 후 피크린산용액을 바른다.
2. 프레온
① 눈에 들어간 경우
살균광물유로 세척한다(2%의 살균광물유로 세척하거나, 5%의 붕산액으로 세척한다).
② 피부에 묻은 경우
물로 세척 후 피크린산용액을 바른다.
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냉동 사이클을 순환하는 동작유체로서 저온의 열을 흡수하여 고온부로 운반, 이동시키는 순환 및 동작물질을 냉매라 한다.
Ⅰ. 냉매의 구비조건
1. 물리적 조건
① 저온에서도 대기압 이상의 압력에서도 쉽게 증발할 것
R-12 : -29.8 ℃ > NH₃: -33.3 ℃ > R-22 : -40.8 ℃ > R-13 : -81.5 ℃
② 임계온도가 높고 상온에서 쉽게 액화할 것
③ 응고온도가 낮을 것
NH₃: -77.7 ℃ > R-12 : -158.2 ℃ > R-22 : -160 ℃ > R-13 : -181 ℃
④ 증발 잠열이 클 것 (1 RT당 냉매순환량이 적어진다)
NH₃: 313.5 ㎉ / ㎏ > R-22 : 51.9 ㎉ / ㎏ > R-12 : 38.57 ㎉ / ㎏
⑤ 냉매액은 비열이 작을 것
NH₃: 1.156 ㎉ / ㎏ · ℃ > R-22 : 0.335 ㎉ / ㎏ · ℃ > R-12 : 0.243 ㎉ / ㎏ · ℃
⑥ 비열비가 작을 것 (비열비가 작을수록 압축 후의 토출가스 온도 상승이 적다)
NH₃: 1.313 (98 ℃) > R-22 : 1.184 (55 ℃) > R-12 : 1.136 (37.8 ℃)
⑦ 점도와 표면장력이 작고, 전열이 양호할 것
전열이 양호한 순서 : NH₃> H₂O > Freon > Air
⑧ 누설시 발견이 용이할 것
⑨ 절연내력이 크고, 전기절연물을 침식시키지 않을 것
R-12 : 2.4 > R-22 : 1.3 > NH₃: 0.83 (N₂를 1로 기준)
⑩ 가스의 비체적이 적을 것
⑪ 패킹재료에 영향이 없을 것
㉠ 암모니아 : 천연고무 및 석면 사용
㉡ 프레온 : 특수고무, 합성고무 사용
⑫ 윤활유와 혼합되어도 냉동작용에 영향을 주지 않을 것
⑬ 가스 비중이 적을 것 (터보압축기는 제외)
2. 화학적 조건
① 화학적 결합이 안정하여 분해되지 않을 것
② 불활성이고, 금속을 부식시키지 않을 것
③ 인화 및 폭발성이 없을 것
3. 생물학적 조건
① 독성 및 자극성이 없을 것
② 인체에 무해하고, 누설시 냉장품에 손상이 없을 것
③ 악취가 없을 것
4. 경제적 조건
① 가격이 저렴할 것
② 소요동력이 적게 들 것
③ 자동운전이 용이할 것
Ⅱ. 냉매의 종류
1. 1차 냉매 (직접 냉매)
냉동장치를 직접 순환하면서 잠열 상태로 열을 운반하는 냉매
[예] NH₃, 프레온 (R-12, R-22, R-500 등), SO₂, CO₂
2. 2차 냉매 (간접냉매, 브라인)
냉동장치 밖을 순환하면서 감열 상태로 열을 운반하는 냉매
[예] 유기질 브라인, 무기질 브라인 등
Ⅲ. 냉매의 성질
1. 암모니아 (NH₃: R-717)
(1) 특성
① 가연성, 폭발성, 독성, 자극성의 악취가 있다(독성 : SO₃> NH₃> Freon).
② 대기압에서의 끓는점 : -33.3 ℃, 어는점 : -77.7 ℃
③ 냉동효과와 증발잠열이 크다.
④ 비열비 (Cp/Cv)가 1.313(토출가스온도 : 98 ℃)으로 커 토출가스온도가 높아 워터자켓(Water Jacket)을 설치하여 실린더를 수냉각해야 한다.
⑤ 동(銅) 및 동(銅)을 62 %이상 함유하는 동합금을 부식시킨다.
⑥ 패킹은 천연고무와 이스베스토스(석면)를 사용한다.
⑦ 전기절연물을 열화, 침식시키므로 밀폐형 압축기에 사용할 수 없다.
⑧ 오일보다 가볍다(비중의 순서 : Freon > H₂O > Oil > NH₃).
⑨ 윤활유는 서로 용해하지 않으나, 윤활유가 열화 및 탄화되므로 불리하여 배유시킨다.
⑩ 수분은 암모니아와 용해가 잘 되므로 수분이 동결되지는 않지만 수분 1% 침입시 증발온도 0.5 ℃씩 상승한다.
⑪ 유탁액(에멀전) 현상 : 암모니아에 다량의 수분이 용해되면 NH₄(OH) [수산화암모늄]이 생성되어 윤활유를 미립자로 분리시키고, 우유빛으로 변색시키는 현상으로 윤활유의 기능이 저하된다.
2. 프레온 (Freon)
(1) 프레온의 성질
① 열에 대하여 안정하지만 800℃ 이상의 화염과 접촉하면 포스겐 (COCl₂) 가스가 발생한다.
② 불연성이고 독성이 없다.
③ 무색, 무취이므로 누설시 발견이 어렵다.
④ 비열비가 크지 않아 토출가스온도가 높지 않다(R-12 : 37.8℃, R-22 : 55℃).
⑤ 대체로 끓는점과 어는점이 낮다.
끓는점 R-12 : -29.8 ℃, R-22 : -40.8 ℃, R-13 : -81.5 ℃
어는점 R-12 : -158.2 ℃, R-22 : -160 ℃, R-13 : -181 ℃
⑥ 전열이 불량하므로 Finned Tube를 사용하여 전열면적을 증대시킨다.
⑦ 전기절연내력이 양호하므로 밀폐형 냉동기의 냉매로 사용할 수 있어 설치면적이 적어 소형화가 가능하다.
⑧ 마그네슘 및 마그네슘을 2% 이상 함유한 Al합금을 부식시킨다(염화메틸 : Al, Mg, Zn과 이들 합금을 부식시킨다).
⑨ 윤활유와의 관계
㉠ 윤활유와 용해도가 큰 냉매 : R-11, R-12, R-21, R-113, R-500
㉡ 윤활유와 용해도가 적고, 저온에서 분리되는 냉매 : R-13, R-14
㉢ 냉매와의 용해로 윤활유의 응고온도가 낮아져 저온부에서도 윤활이 양호하다.
㉣ 윤활유의 점도가 낮아진다.
㉤ 오일 포밍(Oil Foaming) 현상이 일어난다.
⑩ 수분과의 영향
㉠ 수분과는 용해되지 않으므로 팽창밸브를 동결 폐쇄시킨다(팽창밸브 직전에 드라이어를 설치하여 수분을 제거한다).
㉡ 산(HCl, HF)을 생성하여 금속 또는 장치 부식이 촉진된다.
㉢ 동(銅)부착 현상이 일어날 수 있다.
(2) 프레온 냉동장치에서의 현상
① 오일포밍 (Oil Foaming) 현상
㉠ 정의
프레온계 냉동장치에서 압축기가 정지하고 있는 동안 크랭크 케이스내의 압력이 높아지고 온도가 저하하면 오일은 그 압력과 온도에 상당하는 양의 냉매를 용해하고 있다가 압축기 재기동시 크랭크 케이스내의 압력이 급격히 떨어지면서 오일과 냉매가 급격히 분리되어 유면이 약동하고 심한 거품이 일어나는 현상
㉡ 현상
ⓐ 오일 햄머링(Oil Hammering)이 우려된다.
ⓑ 응축기, 증발기로 Oil이 넘어가 전열을 방해한다.
ⓒ 크랭크케이스내의 Oil 부족으로 활동부의 마모 및 소손을 초래한다.
㉢ 방지대책
ⓐ 크랭크 케이스 내에 오일 히터를 설치
ⓑ 터보 냉동기 : 무정전 히터를 설치
② 오일 햄머링 (Oil Hammering)
오일 포밍 등이 발생하게 되면 실린더내로 다량의 오일이 올라가 오일을 압축하게 되는데 오일은 비압축성이므로 실린더 헤드부에서 충격음이 발생하게 되며, 이러한 현상이 심하면 압축기가 손상된다.
③ 동부착 (Copper plating) 현상
프레온 냉동장치에서 수분과 프레온이 작용하여 산이 생성되고, 나아가 침입한 공기 중의 산소와 반응된 다음 냉매 순환 계통중의 동을 침식시키고, 침식된 동이 냉동장치를 순환하다가 압축기 고온부(실린더, 피스통)에 동(銅)이 부착되는 현상
동부착 (Copper plating) 현상이 일어날 수 있는 조건
① 수소분자가 많은 냉매일수록 [예 : R-40 (CH₃Cl : 메틸클로라이드)]
② 장치 중에 수분이 많을수록
③ Oil 중에 왁스 성분이 많이 함유되었을 때
④ 압축기의 피스톤, 실린더와 같은 고온부일수록 부착이 잘된다.
Ⅳ. 프레온계 냉매의 구성
1. 구성
(1) 탄화수소계 냉매
① 메탄계(CH₄) 냉매 : 4개의 H 대신 할로겐원소와 치환된 냉매
② 에탄계(C₂H₆) 냉매 : 6개의 H 대신 할로겐원소와 치환된 냉매
(2) 표기순서 : C → H → Cl → F
2. 표기방법
(1) 메탄계(십단위) 냉매
C H Cl F₂(R-22)
① C의 숫자가 1일 때는 메탄계로써 냉매번호는 십의 자리수 냉매이다.
② 일의 자리인 F의 수가 2개이므로 R-X2로 표시된다.
③ 십의 자리인 H의 수가 1개이므로 (H수 + 1 = 1 + 1) 로서 R-22로 표시된다.
④ 메탄계일 때는 C 이외의 원소수가 4개가 되도록 Cl(오존층 파괴의 주범으로 신냉매는 염소를 완전히 제거한 것을 사용한다. 이럴 경우 효율이 3~5% 정도 떨어진다)로 맞추어 채운다.
(2) 에탄계(백단위) 냉매
C₂H Cl₂ F₃(R-123)
① C의 숫자가 2일 때는 에탄계로써 냉매번호는 백의 자리수 냉매이다.
② 일의 자리인 F의 수가 3개이므로 R-1X3로 표시된다.
③ 십의 자리인 H의 수가 1개이므로 (H수 + 1 = 1 + 1) 로서 R-123로 표시된다.
④ 에탄계일 때는 C₂이외의 원소수가 6개가 되도록 Cl(오존층 파괴의 주범으로 신냉매는 염소를 완전히 제거한 것을 사용한다. 이럴 경우 효율이 3~5% 정도 떨어진다)로 맞추어 채운다.
Ⅴ. 각 프레온 냉매의 특성
1. R-11
끓는점이 높고 저압의 냉매로서 가스의 비중이 커 공조용인 터보 냉동기의 냉매, 100RT이상의 대용량 공기조화용으로 브라인으로 사용되며 오일을 잘 용해하므로 R-113과 함께 냉동장치 세척용으로 많이 사용한다.
2. R-12
프레온 냉매 중 가장 먼저 개발된 것으로 소형 가정용 냉장고에서 대형 냉동기까지 저온에서 고온까지 광범위하게 사용되고 있으며 주로 왕복동식에 적합하나 대용량의 터보 냉동기에도 사용한다.
3. R-13
끓는점이 대단히 낮고 어는점도 매우 낮아 2원 냉동장치의 저온측 냉매로 사용한다.
4. R-22
R-12와 함께 소형에서 대형까지, 저온에서 고온, 단단에서 2단 압축까지 광범위하게 사용되는 냉매이다.
5. R-113
저압냉매로서 R-11과 함께 주로 공조용 터보냉동기에 많이 사용한다.
6. R-114
회전식 압축기용 냉매로서 소형에서 많이 사용한다.
7. R-134a
R-12의 대체 냉매로서 끓는점은 26.5℃, 어는점은 -108℃로서 R-12에 비하여 냉동능력이 좋고, 토출가스온도는 약간 낮으며 거의 특성과 성질이 매우 비슷하고, R-12 냉동장치에 그대로 사용시 약 8% 정도의 냉동성능이 감소하며 현재 가정용냉장고나 자동차에어콘에 사용하고 있다.
Ⅵ. 공비 혼합냉매
프레온 냉매 중 서로 다른 두가지 냉매를 적당한 중량비로 혼합하면 액체상태나 기체상태에서 처음 냉매들과는 전혀 다른 하나의 새로운 특성을 나타내게 되는 냉매(가 + 나 → 다)로서 R-500 단위로 시작된다.
1. R-500
① R-12의 능력을 개선할 때 사용한다(약 20% 냉동력 증대).
② 열에 대한 안정성이 양호하다.
③ 윤활유에 잘 혼합되며 절연내력이 크다.
2. R-501
① R-22와 같이 오일이 압축기로 돌아오기 힘든 냉매는 R-12를 첨가하여 사용함으로써 오일을 압축기로 잘 회수할 수 있게 된다..
② R-12에 R-22를 20% 정도 첨가하면 냉동능력은 약 30%정도 증가한다..
3. R-502
① R-22의 능력을 개선할 때 사용한다(약 13% 냉동력 증대).
② R-22보다 저온을 얻고자 할 때 사용된다.
4. R-503
① R-13의 능력을 개선할 때 사용한다.
② R-13보다 낮은 온도를 얻는데 유리하다.
③ R-13과 같이 2원 냉동장치의 저온용냉매로 이용된다.
1. 암모니아 (NH₃)
① 냄새(악취)
② 붉은 리트머스 시험지 → 파란색으로 변색
③ 페놀프탈레인지 → 붉은색으로 변색
④ 유황초(황산, 염산) → 하얀색연기 발생
⑤ 네슬러시약 → 소량누설 : 노란색, 다량누설 : 보라색
2. 프레온 (Freon)
① 비눗물 검사 → 기포발생
② 헬아이드토치 사용 → 불꽃색의 변화
(사용연료 : 프로판, 부탄, 알콜 등)
㉠ 누설이 없을 시 → 파란색
㉡ 소량 누설 시 → 초록색
㉢ 다량 누설 시 → 보라색
㉣ 극심할 때 → 불이 꺼짐
③ 할로겐 전자누설 탐지기 사용
Ⅷ. 브라인 (Brine)
2차 냉매(간접냉매)로 냉동장치 밖을 순환하면서 상태변화 없이 감열로서 열을 운반하는 동작유체
1. 브라인의 구비조건
① 열용량(비열)이 크고, 전열이 양호할 것
② 공정점과 점도가 낮을 것
③ 부식성이 없을 것
④ 어는점이 낮을 것
⑤ 누설시 냉장물품에 손상이 없을 것
⑥ 가격이 싸고, 구입이 용이할 것
⑦ pH값이 적당할 것 (7.5~8.2 정도)
공정점 : 서로 다른 두 가지 물질을 용해할 경우 그 농도가 증가함에 따라 동결온도가 낮아지게 되는데 어느 일정한 한계의 농도에서는 더 이상 동결온도가 낮아지지 않는다. 이렇게 더 이상 낮아지지 않는 온도를 동정점이라고 한다.
2. 브라인의 종류
(1) 무기질 브라인
① 식염수 (NaCl)
㉠ 주로 식품냉동에 사용
㉡ 값은 싸나 무기질 브라인 중 부식력이 가장 크다.
㉢ 공정점 : -21.2 ℃
② 염화마그네슘(MgCl₂)
㉠ 부식성은 염화칼슘보다 높고, 현재는 거의 사용하지 않는다.
㉡ 공정점 : -33.6 ℃
③ 염화칼슘(CaCl₂)
㉠ 일반적으로 제빙, 냉장 및 공업용으로 가장 많이 사용된다.
㉡ 공정점 : -55 ℃, 사용온도 : -32 ℃ ~ -35 ℃
㉢ 흡수성이 강하고, 누설시 식품에 접촉되면 떫은 맛이 난다.
(2) 유기질 브라인 (고가이기 때문에 거의 사용하지 않는다)
① 에틸알콜 (C₂H₅OH)
㉠ 어는점 -114.5 ℃, 끓는점 : 78.5 ℃, 인화점 15.8 ℃
㉡ 인화점이 낮으므로 취급에 주의를 요한다.
㉢ 비중이 0.8로서 물보다 가볍다.
㉣ 식품의 초저온 동결(-100 ℃ 정도)에 사용할 수 있다.
㉤ 마취성이 있다.
② 에틸렌클리콜 (C₂H₆O₂)
㉠ 어는점 -12.6 ℃, 끓는점 : 177.2 ℃, 인화점 116 ℃
㉡ 물보다 무거우며(비중 1.1) 점성이 크고 단맛이 있는 무색의 액체이다.
㉢ 비교적 고온에서 2차냉매 또는 제상용 브라인으로 쓰인다.
③ 프로필렌글리콜
㉠ 어는점 -59.5 ℃, 끓는점 : 188.2 ℃, 인화점 107 ℃
㉡ 물보다 약간 무거우며(비중 1.04) 점성이 크고 무색, 독성이 거의 없는 무독의 액체이다.
㉢ 분무식 식품냉동이나, 약 50% 수용액으로 식품을 직접 침지한다.
3. 브라인의 금속부식 방지법
① 공기와 접촉하지 않도록 하여 산소가 브라인 중에 녹아들지 않는 순환방법을 채택한다.
② pH는 7.5~8.2 정도의 약알칼리성이 좋다.
③ 방식아연(16번 아연도금철판)을 부착한 철판을 사용한다.
④ 방청약품 사용
㉠ CaCl₂: 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 1.6g을 첨가, 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g씩 첨가
㉡ NaCl : 브라인 1ℓ당 중크롬산소다 3.2g을 첨가, 중크롬산소다 100g당 가성소다 27g씩 첨가
Ⅸ. 기타냉매
1. 암모니아 (NH₃) : R-717
2. 물 (H₂O) : R-718
① 흡수식 냉동장치의 냉매 또는 흡수제와 증기분사식 냉동장치의 냉매로 쓰인다.
② 0℃ 이하의 저온에서는 사용이 불가능하다.
3. 공기 (Air) : R-729
① 공기 압축식 냉동장치의 냉매로 쓰인다.
② 항공기의 냉방과 같은 특수한 목적의 냉방용 냉동기와 냉방에 이용된다.
4. 탄산가스 (CO₂) : R-744
① 임계온도가 31 ℃로 낮아 응축이 힘들다.
② 불연성이다.
③ 오일과는 잘 용해되지 않는다.
④ 동일 냉동능력당 동력소비가 크고 성적계수가 나쁘다.
5. 아황산가스 (SO₂) : R-764
① 독성이 가장 강하다(허용농도 5ppm)
② 암모니아와 접촉시 흰 연기가 발생한다.
③ 끓는점은 -10 ℃이고, -15 ℃에서 증발압력이 150mmHg이므로 외기침입의 우려가 있다.
6. 탄화수소 냉매
① 에탄(C₂H₆) : R-170
② 프로판(C₃H₈) : R-290
③ 부탄(C₄H₁₀) : R-600
Ⅹ. 냉매의 상해에 대한 구급방법
1. NH₃
① 눈에 들어간 경우
물로 세척한 후 2%의 붕산액으로 세척하고, 유동파라핀을 2~3방울 점안한다.
② 피부에 묻은 경우
물로 세척 후 피크린산용액을 바른다.
2. 프레온
① 눈에 들어간 경우
살균광물유로 세척한다(2%의 살균광물유로 세척하거나, 5%의 붕산액으로 세척한다).
② 피부에 묻은 경우
물로 세척 후 피크린산용액을 바른다.
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# by | 2009/11/01 18:04 | 공조냉동 | 트랙백 | 덧글(0)
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