3. 냉동의 방법

1. 냉동의 정의

‣ 냉동(Refrigeration) : 어떤 공간이나 물체(고체, 액체, 기체)로부터 열을 빼앗아 그 공간이나 물체의 온도를 주위온도보다 낮추는 조작

‣ 증기압축식 : 저온에서 증발하는 액체를 사용하여, 이 액체가 주위의 공기나 물질로 부터 증발열을 빼앗아 증발함으로써 냉동작용이 이루어진다. 액체가 증발하여 기체가 되기 위해서는 주위로부터 열을 흡수(냉동효과)해야 하며, 반 대로 기체가 액체로 되기 위해서는 열을 방출(난방효과)해야 한다.

- 단순한 냉동장치 : 고압용기의 냉매액은 팽창밸브를 열면, 관주위로부터 열 을 빼앗아 증발하여 가스가 된다. (냉동작용)

이 냉매를 회수할 수 있는 장치가 필요

‣ 냉동기 구성 : 압축기→응축기→팽창밸브→증발기

2. 냉동의 원리

3. 냉동의 방법

3.1 자연냉동법

물질이 갖는 증발, 융해, 승화의 잠열을 이용하는 방법 1) 융해열을 이용한 냉동법

얼음이 녹으면서 주위의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법

2) 승화열을 이용한 방법

드라이아이스가 승화하면서 주위의 열을 빼앗아 가는 것을 이용하는 방법

- 얼음으로 얻을 수 없는 저온을 얻을 수 있기 때문에 식품의 냉동, 저장 및 보존에 사용 (신선한 공기로 환기 필요)

이산화탄소(고체, 드라이아이스) ==============> 기체(이산화탄소) (승화열 : -78.5℃, 137kcal/kg, 574kJ/kg)

(응고열 : : 79.68kcal/kg, 333.6kJ/kg) 얼음 <============================> 물 (융해열 : 79.68kcal/kg, 333.6kJ/kg)

[3차 : 냉동의 원리 및 방법 ]

3) 증발열을 이용한 방법

액화가스(질소)가 증발할 때, 증발열이 흡수되는 현상을 이용하여 저온을 얻는 방법

- 액화질소 : 약 -196℃의 저온에서도 증발하며, 증발열 48kcal/kg(-20℃에서 90kcal/kg)의 열을 흡수하여 급속동결장치, 식품수송용 냉동차 등에 이용

3.2 기계냉동법

전기, 증기, 연료 등의 에너지를 사용하여 냉동효과를 연속적으로 얻는 방법 1) 공기압축식 냉동법

고압상태의 공기가 저압상태로 단열팽창할 때 주위에서 열을 흡수하는 작용을 이용하여 저온을 얻는 방법 (역 Brayton Cycle 이용)

2) 증기압축식 냉동법

액화가스의 증발열을 이용하고, 증발한 가스를 압축하여 다시 이용할 수 있도록 연속적으로 냉동작용을 하는 방법

3) 흡수식 냉동법

저온의 냉매증기를 흡수제인 액체에 흡수시키고, 액체를 고압으로 압축하는 시스템을 대체하여, 고압상태에서 냉매증기 를 발생시키기 위해 보일러와 같은 재생기(발생기)를 설치하여 외부의 열을 받아 냉매를 증발시키는 방법이다.

4) 증기분사식 냉동법

압축기 대신에 증기이젝터(steam ejector)를 이용하여 대량의 증기를 분사할 때의 부압작용에 의하여 진공을 만들어 냉 동작용을 하는 방법 (물을 냉매로 사용, 증기원동소를 이용한 선박, 기차 등의 냉방장치 적용)

[그림 2-3] 증기압축냉동법 [그림2-4] 흡수식 냉동법

(역 Rankine Cycle 이용)

5) 전자냉동법

서로 다른 성질의 금속체를 붙여 전류가 통하게 함 으로써 한 쪽 금속에서는 열을 흡수하고, 다른 쪽 금속에서는 열을 방출하는 펠티어 효과(Peltier's effect)를 이용하는 방법 (양단에 전위차 발생) 이 원리를 이용한 것이 전자냉동법이다.

(우주선, 핵잠수함내의 냉동장치 이용)

4. 냉매

4.1 냉매의 정의

- 냉매(refrigerants) : 저온의 열원으로부터 열을 흡수(냉방효과)하여 고온의 열원으로 열을 운송하여 주위로 열을 방출(난방효과) 냉.난방효과를 얻는 작동유체

- 1차 냉매(primary refrigerant) : 증발 또는 응축의 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매 - 2차 냉매(secondary refrigerant) : 단상상태에서 감열 열전달을 통해 열교환하는 냉매

* 브라인(brine) : 스스로 상태변화를 하지 않고 물질이 저온으로 되는데 중개역할을 하는 부동액(2차냉매), 간접냉각식에 적용

* 브라인의 종류 : 염화칼슘용액, 염화나트륨 용액, 염화마그네슘용액, 글리세린, 에틸렌글리콜 등이 있다.

[1] 열역학적 특성

① 증발열이 클 것 : 잠열이 크면 냉동효과 커진다.

② 응고온도가 낮을 것. 응고하면 유동성 상실

③ 임계온도가 상온보다 높을 것. (낮으면 압축기 동력 과다 소요)

④ 저온에서도 증발압력이 대기압 이상일 것. (낮으면 냉동장치에 공기 유입 우려)

⑤ 응축압력이 가급적 낮을 것. (높으면 배관 내압강도를 올려야 하고, 압축기의 윤활유 변질우려, 체적효율 감소)

[2] 물리.화학적 특성

① 냉매증기의 전기저항이 클 것. 누전방지를 위해 전기저항이 커야 한다.

② 열전달 특성 좋을 것

③ 윤활유에 대한 용해도가 적절할 것 (냉동유와 냉매 혼합  압축기 윤활, 기밀유지)

④ 흡습성이 낮을 것. 냉매에 물이 포함되면 팽창밸브, 증발기 등이 얼어 냉매 흐름 방해 ⑤ 화학적으로 안정하며 변질되지 않을 것

⑥ 불활성이고, 부식성이 없을 것. 다른 물질과 화합되지 않는다.

(열흡수)

(열방출)

P-N형 열전소자 (Bi-Te, 안티몬-텔루트)

흡습성 : 냉매가 습기 를 빨아들이는 성질

[3] 안전 및 환경적 특성

① 인화 및 폭발성이 없을 것.

② 독성 및 자극성이 없을 것

③ 누설되어도 냉동장치에 손상을 주지 않을 것 ④ 환경에 대한 친화성 있을 것

* 오존층파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential) 및 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)가 낮아야 한다.

4.2. 냉매와 지구환경

[1] CFC 및 HCFC계 냉매의 환경문제

- 1987년 몬트리올 의정서(국제환경기구 UNEP) 제정 : CFC계는 열역학적 성질이 높으나 Cl는 외부에 파괴되지 않아 오랜 시 간이 존재하므로 오존층( )과 반응하여 일산화염소를 생성시켜 오존층파괴 위험이 있고 지구온난화 현상이 일어난다.

와 비교하면 적외선 흡수능력이 커서 대기중에서 수명이 길다는 심각성이 있다.

전세계적으로 CFC의 사용 및 생산규제에 대한 법 기준을 마련

- HCFC화합물도 CFC에 비해 오존층파괴지수(ODP)는 낮지만 Cl의 존재로 오존층을 파괴 [2] 대체냉매(HFC계)의 개발 및 적용

- 대기물질 중에 염화불소탄소(CFC-12; R-12)의 분자중 Cl(염소)가 오존층 파괴, 즉 성층권의 오존층과 반응하여 오존층의 두 께 감소 또는 오존층에 구멍을 형성함으로써 지표면에 다량의 자외선을 유입하여 생태계를 파괴하고, CFC의 열흡수능력이 크기 때문에 대기중의 CFC가스로 인한 지표면의 온도상승(온실효과)을 유발하는 물질로 판명됨에 따라 지구환경을 보호하 기 위해 신냉매(R-134a)를 대체하고 있다.

1) 장점

① 오존을 파괴하는 Cl(염소)이 없는 R-12(프레온12)의 대체냉매이다.

② 분자구조가 안정하여 다른 물질과 잘 반응하지 않는다.

③ 불연성, 독성이 없다. ④ R-12와 유사한 열역학적 성질을 가지고 있다.

2) 단점

① R-12와 같이 높은 응축온도에서의 냉동능력저하

② 시일재와 호스재질에 대한 팽윤성(澎潤性)과 투과성이 크다.

③ 현 압축기 오일(광물유)과 불용해성의 문제가 있다.

④ 수용해도가 크다(수분을 잘 흡수한다.)

⑤ 온실효과가 있어 향후 회수 및 재생에 문제가 있다.

- Cl은 오존층이 파괴되어 생태계 파괴

- 지구온난화에 의해 온실효과(기후의 이상변화, 생태계 및 삼림 훼손 등 )

지구 오존층을 보호하기 위해 CFC, He 사용을 금지한 국제 환경 협약기구

신규 대체 냉매 연구 :

4.3 냉매의 종류와 표기방법

일반적으로 할로카본, 탄화수소, 유기화합물 및 무기화합물

- 혼합냉매 : 공비(azeotrope) 및 비공비(zeotrope or non-azeotrope) 혼합냉매로 구분

* azeotrope : 공비혼합물(共沸混合物), 최고비점(沸點), 최저비점이 정해져 있어서, 분해하지 않고 일정한 성분비로 (아제오트로프) 증류할 수 있는 혼합액

- 할로카본계 : CFC계, HCFC계, HFC계(hydro-fluorocarbons) ① CFC계 : 염소(Cl), 불소(F), 탄소(C)로 구성된 화합물

② HCFC계: CFC의 구성원자 중에 수소가 한 개 이상 포함되어 있는 염화불화탄소 화합물 ③ HFC계 : 수소, 불소 및 탄소만으로 구성되어 있는 화합물로 오존층 피해는 없다.

[2] 냉매의 표기방법

① 메탄, 에탄 및 프로판계 냉매는 ===> CHF-*** ===> R-xyz로 표시 100단위 숫자 : x는 탄소(C) 원자수에서 1을 뺀 값

10단위 숫자 : y는 수소(H) 원자수에서 1를 더한 값 1단위 숫자 : z는 불소(F)의 원자수

* C, H, F, Cl로 구성된 냉매는 염소(Cl)원자의 수 : 일반식 2x-y-z+5

* 비공비 혼합물 : 2개 이상의 냉매가 혼합하여 상변화(증발, 응축)시 조성비가 변한다..

* 에탄계는 수소(H)원자 대신에 할로겐 원소(F, Br, Cl, I 등)로 치환한 할로겐원소의 안정도에 따라 냉매번호 우측에 a, b를 붙인다.

② 비공비 혼합냉매 : R-400번대 (조성비가 변함), ③ 공비 혼합냉매 : R-500번대(조성비가 일정) ④ 유기화합물 냉매 : R-600번대(부탄, 이소부탄 등)

⑤ 무기화합물 냉매 : R-700번대(암모니아, 물, 공기, 이산화탄소, 이산화황 등) ⑥ 불포화 유기화합물 냉매 : R-1000번대(에탄계)

[3] 냉매의 특성

1) 할로카본(halocarbons)

- 포화탄화수소를 할로겐족 원소인 F, Br(브롬), Cl 및 I(요오드) 등으로 치환한 냉매 - CFC, HCFC 및 HFC계의 냉매

- R-12냉매(구냉매) 대신에 대체냉매로 R-134a, R-152a 등을 사용 2) 비공비 혼합물(non-azeotrope refrigerant mixtures)

- 두 개 이상의 냉매가 혼합되어 각각 개별적인 성질로 등압의 증발 및 응축과정에서 조성비가 변하고, 온도가 증가 또는 감소 되는 온도구배로 나타나는 냉매 (열교환기의 열효율 개선에 이용)

- R-404A, R-407A,R-407B, R-407C등:누설시 혼합물의 조성비가 변하여 취급이 어려움 - 대체 비공비 혼합냉매 : R-410A, R-410B(R-32/R-125의 혼합냉매)

3) 공비혼합물(azeotrope refrigerant mixtures)

- 서로 다른 둘 이상의 순수물질을 특정비율로 혼합하여 등압의 증발 또는 응축과정 중에 기체와 액체의 성분비가 변하지 않 으며, 온도가 변하지 않은 혼합냉매(500번대 냉매)

4) 탄화수소

- 수소와 탄소만으로 구성되는 냉매

- R-50(메탄), R-170(에탄), R-290(프로판), R-600(부탄) 등

- 독성이 없으며, 화학적으로 안정하고, 미네랄계 오일(광물유)과 적절한 용해도 특성을 가진다.

오존층파과지수(ODP), GWP(지구온난화지수)가 매우 낮다.

- 단점 : 가연성이 문제

* 표 2-4 각종 냉매의 주요열물성치 (교재 p.34)

* 할로겐족 원소 : 비금속 원소이며 전자를 얻기 쉬 워 강력한 산화작용을 나타낸다. 반응성이 매우 높으며 자연상태에서 유리상태로는 존재하지 않으며 금속 염의 상태로 존재

5) 무기화합물

① 암모니아(R-717)

- 산업용 증기 압축식 및 흡수식 냉동기에 많이 사용 - 작동압력이 높고 독성 및 가연성이 크다.

② 물(R-718) 

- 빙점이 높고 비체적이 크므로 압축기의 능력(체적유량, 압축비 등)이 커야 한다.

- 흡수식 냉동, 대형 냉수제조 시스템 등에 이용 ③ 공기(R-729)

- 역 Brayton 사이클 적용으로 소요동력이 크고 성적계수가 낮다.

(높은 성능계수를 올리기 위해서 압력비를 낮게 해야 하기 때문에) - 식품냉동기, 저온냉동기, 항공기 및 차량 냉방 등에 사용

5. 냉동기유(미네랄계 오일)

(1) 사용목적

① 마찰에 의한 마모 방지, ② 마찰열을 냉각, 제거작용 ③ 마찰을 줄여 기계효율 증대 및 동력소모 방지. ④ 유막을 형성하여 누설 방지 ⑤ 개스킷, 패킹 등의 축봉재료를 보호

(2) 구비조건

① 응고점이 낮을 것 ② 인화점이 높을 것

③ 점도가 적당할 것 ④ 저온에서 왁스가 분리되지 않을 것

⑤ 고온에서 탄화되지 않을 것 ⑥ 냉매와 분리성이 좋고, 화학반응이 일어나지 않을 것 ⑦ 수분 및 산류 등의 분순물이 함유되지 않을 것

⑧ 전기 절연내력이 클 것 ⑨ 산화되지 않을 것

[표 2-4] 각종 냉매의 주요 열물성치

P.34 - R-134a : Tetra-fluoro Ethane, - R-12 : Di-Chloro Di-fluoro Methane - R-22 : Mono-Chloro Di-fluoro Methane

2

- R-13 : Mono-Chloro Tri-fluoro Methane - R-14 : Carbon Tetra-fluoro

- R-21 : Di-Chloro Mono-fluoro Methane - R-113 : Tri-Chloro Tri-fluoro Ethane - R-114 : Di-Chloro Tetra-fluoro Ethane

2

용해도가 높아 흡수식 냉동기에 적용