냉매

Refrigerant / 冷媒

1 개요

냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질(예를 들어 아이스박스의 아이스팩 등)을 가리키며, 주로 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. 대표적인 냉매로는 암모니아, 프레온(다이클로로이플루오로메탄), 메틸클로라이드 등이 있으며 초저온으로 내리기 위해서는 액체헬륨, 액체 수소를 사용한다.

1.1 1차 냉매와 2차 냉매

1차 냉매(직접 냉매)는 증발기가 직접 냉각시키는 냉각기인 직접팽창식 냉각기에 사용되는 냉매이며, 위의 '개요' 문단에 있는 암모니아, 프레온 등이 여기에 해당한다.

2차 냉매(간접 냉매)는 먼저 액체를 냉각시킨 다음 그 액체를 이용하여 냉각 작용을 하는 '간접냉동법' 에 쓰이는 냉매를 말한다. 브라인, 냉각수 등이 2차 냉매로 많이 활용된다. 예를 들어 증발기로 먼저 식염수를 냉각시킨 후 그 식염수를 이용하여 식품을 냉각시킨다면 냉각된 식염수는 2차 냉매가 된다. 간접 방식이기 때문에 에너지 효율은 떨어질 수 있지만 식품을 빨리 냉각시킬 수 있고 품질도 향상된다는 장점이 있다.

2 원리

냉매를 이용하는 기계에는 압축기, 응축기, 증발기를 모두 포함하고 있고, 이들 셋은 사이클을 이루어 냉매가 순환하게 된다.

  • 압축기
냉매가 사이클에서 계속해서 순환할 수 있도록 하는 펌프와 같은 역할을 하는 부분이다.
  • 응축기
냉매가 기체에서 액체로 액화되는 부분이다. 이때 액화되면서 액화열을 방출하게 된다. 에어컨의 실외기 같은 부분이 바로 응축기이다.
  • 증발기
냉매가 액체에서 기체로 변하는 부분이다. 이때 기화되면서 기화열을 흡수한다. 이 과정에서 주변의 공기가 열을 빼앗겨 온도가 낮아진다.

3 냉매의 선택

3.1 공업적 선택

  • 온도가 낮아도 대기압 이상의 압력에서 증발할 것.
    • 증발온도가 낮을 때, 냉매의 압력이 대기압 이하가 되면 공기가 냉동장치 내에 침입한다.
  • 상온에서 비교적 저압으로도 액화할 수 있을 것.(응축압력이 낮을 것)
    • 응축압력이 낮아 일반적으로 얻을 수 있는 냉각매체(물, 공기)로도 액화가 가능해야 한다.
    • 예를 들면, 이산화탄소의 임계온도는 31.5℃인 데, 이것은 냉각수의 온도가 32℃를 초과하면 쉽게 액화되지 않는다.(아무리 압력을 올려도)
  • 응고 온도가 낮을 것.
    • 저온에서 냉매가 쉽게 응고하여 버리면 냉매로서의 기능을 못한다.
    • 암모니아의 응고온도는 -78℃이므로 -70℃ 정도가 사용할 수 있는 최저온도이다.
    • R-22의 응고온도는 -160℃이므로 -80℃ 정도의 저온에는 사용하여도 지장이 없다.
  • 증발잠열이 크고, 액체 비열이 적을 것
    • 증발잠열이 크면 냉동효과가 크다.
    • 증발잠열 : 암모니아 → 313kcal/kg, 프레온계 냉매 → 38~52kcal/kg정도
    • 액체 비열이 크면 팽창밸브 통과시 프레쉬 가스 발생이 많아 냉동효과가 적어진다.
  • 윤활유와 냉매의 상용성
    • 유와 냉매가 잘 분리되지 않으면 다량의 유가 증발기에 유입되어 전열작용을 저해하고, 압축기에서는 유부족으로 고장을 초래할 수 있다.
    • 프레온계 냉매의 경우, 유를 잘 용해하므로 배관에 주의를 요한다.
  • 점도가 적고, 전열작용이 양호하며, 표면장력이 적을 것
    • 점도가 크면 배관 통과시 저항 증대 → 압축기 체적효율이 감소 → 냉동능력 감소
    • 표면장력도 적은 쪽이 액냉매가 증발할 때 관표면이 잘 적셔져 전열 작용이 양호하다.
  • 환경 친화성이 있을 것
    • 누설시 발견이 쉽고, 누설되어도 환경에 대한 악영향을 미치지 않을 것
    • 오존층 파괴지수(ODP), 지구온난화 지수(GWP)가 낮을 것.
  • 비열비 작을 것
    • 비열비가 작으면 압축하여도 가스의 온도상승이 적어 압축비를 크게 할 수 있다.
    • 암모니아는 비열비가 커서(k=1.31) 토출가스 온도가 높고, R-22는 비열비가 작아((k=1.18) 토출가스 온도가 낮다.
  • 절연내력이 크고, 절연물을 침식하지 않을 것.
    • 암모니아는 전기 절연물을 침식하므로 밀폐형 냉동기를 사용할 수 없지만 프레온계 냉매는 절연내력이 커서 밀폐형 냉동기에 많이 사용된다.

3.2 열역학적인 선택

  • 이상적인 기체는 다음과 같은 식을 만족한다.
[math]PV=nRT[/math]
그러나 현실의 기체는 위의 식을 만족하지 않고 약간 차이가 나게 된다. 실제기체가 이상기체와 비교해서 얼마나 차이가 나는지를 계량화 하기위해서 양변을 [math]nRT[/math]로 나누게 되면 다음과 같은 식이 얻어진다.
[math]Z=\displaystyle\frac{PV}{nRT}[/math]
이때의 [math]Z[/math]를 압축인자(compressibility factor)라고 한다. 이상기체일때는 [math]Z[/math]가 1이 얻어지겠지만 실제 기체는 분자간의 상호작용에 따라 약간씩 다른 값을 가지게 된다.
  • 위의 이상기체 공식에 따라 [math]V^{IG}=\displaystyle\frac{nRT}{P}[/math]([math]^{IG}[/math]= 이상기체)이므로 [math]Z=\displaystyle\frac{V}{V^{IG}}[/math] 와 같이 나타낼 수 있다.
  • 이상기체는 분자간 상호작용이 없는 것으로 간주하므로 실제 기체의 분자간 상호작용이 인력보다 척력이 더 우세한 경우 부피가 이상기체보다 커지게 될 것이다. 이 경우 [math]Z[/math]는 1보다 더 커지게 된다. 반면에 인력이 더 우세하다면, 부피가 이상기체보다 작아질테니 압축인자는 1보다 작아질 것이다. 즉 [math]Z[/math]의 값에 따라 압축을 할때 드는 에너지가 달라지게 된다.
  • 파일:압축인자 차트.jpg
  • 그래서 압축을 할때 어떠한 기체가 압축이 잘되고, 얼마의 압력으로 압축해야 하는지를 압축인자를 이용해서 냉매를 선택할 수 있다.

4 냉매로 활용되는 물질

  • 암모니아: 1세대 냉매. 냉매로써의 효과는 좋지만, 인체에 장시간 노출될 경우 피부염이나 호흡기 질환이 발생할 수 있는 위험 물질이다. 실제로 암모니아가 누출되어 사고가 발생한 적이 있다. 관련기사
  • 염화플루오린화탄소(CFC, chloro-fluoro-carbon): 2세대 냉매. 흔히 프레온 가스라 알려진 그것으로 냉장고의 냉매로 주로 쓰였다가, 오존층 파괴[1]를 일으킨다는 것이 알려져 2010년 이후로는 전세계적으로 사용이 금지되었다. 또한 20세기 최악의 발명품 중 하나로 손꼽히고 있다.
  • 수소염화플루오린화탄소(HCFC, hydro-chloro-fluoro-carbon): 2세대 냉매. 2013년부터 관련 규제가 발표되어 2030년까지 퇴출될 예정이다.
    • HCFC-123: 일반적인 냉매뿐만 아니라 소화 약제로도 쓰이며, 이 물질이 들어간 소화기는 청정소화기라고 부를 정도로 청정 소화 약제에 해당한다.
  • 수소플루오린화탄소(HFC, hydro-fluoro-carbon): 3세대 냉매. 최근 미국과 유럽에서 이 냉매가 온실 효과를 유발하기 때문에 사용을 금지하려고 하고 있다.
    • HFC 410A: 에어컨용 프레온으로 많이 사용된다.
    • HFC 32(CAS 번호: 75-10-5Y, 축약형: R-32, FC-32): HFC 410A에 비해 지구 온난화에 미치는 영향이 적기 때문에 관련 시장이 확대될 것으로 전망하고 있다.
    • HFC 125: CFC를 대체할 수 있는 냉매이며, 비등점이 영하 48.5도 정도로 낮아 공업용으로 활용할 수 있다.
  • 수소플루오린화올레핀(HFO, hydro-fluoro-olefin): 4세대 냉매. 미국과 유럽에서 사용을 권장하고 있다.
  • 이산화탄소: 액체 상태로 만들어서 사용한다. 다만 고체로 쓰는 경우도 있다. 드라이아이스 참조.
  • 고속증식로는 나트륨과 납-비스무트 합금 등의 액체금속을 냉매로 사용한다.

5 사용하는 예 및 관련된 것들

5.1 일상 생활에서

  • 냉장고에서 식품의 온도를 유지하기 위하여 냉매를 사용한다.
  • 에어컨에서도 냉매를 사용한다. 냉매가 누설되어 교체해야 하는 상황이 올 수 있다.
    • 특별한 경우로는 모 BJ가 만든 자작 에어컨이 있는데, 기존의 선풍기에 냉매가 흐르는 구리 파이프를 감아서 온도를 낮추는 방식이다. 단, 실내 온도와의 차이 때문에 파이프에 물이 생겨 합선의 위험이 있고, 물의 온도 유지를 위해 얼음물을 많이 사용해야 하며, 공간을 많이 차지한다는 단점이 지적되었다.
  • 컴퓨터 수냉식 쿨러에서도 냉매를 사용한다.
  • 냉풍기: 그 안에 설치된 냉매를 이용하여 냉각된 바람이 나오는 제품이다.

5.2 산업에서

  • 한국냉매관리기술협회: 대기환경보전법에 따라 프레온 냉매의 관리가 의무화되면서 프레온 가스가 대기에 방출되는 것을 방지하기 위해 냉매의 회수와 재생 촉진, 냉매 관련 기술 보급, 냉동공조인의 지위를 향상, 위상을 대변하는 기관이다.
  • 냉동공조산업: 냉동(기계적 방법으로 열을 제거하는 것)과 공조(공기의 온도, 습도, 기류 청정도를 목적에 맞게 조절하는 것) 분야를 아우르는 산업인데, 이들 과정을 위해서는 냉매가 필요하다. 해당 업계에서는 2세대 냉매인 HCFC가 규제됨에 따라 냉매를 교체해야 하는데, HCFC는 20kg당 6만 원으로 싸지만 4세대 냉매인 HFO는 1kg당 20만 원으로 단위 무게당 비용이 약 66.7배 비싸기 때문에 고심이 크다고 한다. 관련기사

5.3 창작물에서

  1. ↑ CFC 속의 염소원자 하나가 약 10만개의 오존분자를 파괴한다.
  2. ↑ 거의 냉장고 만하다.