Vol. 18, No. 5, pp. 55-59, October 2014
냉매 R-22에 함유된 수분 감습지 연구
A Study on the Humidity Paper for Indicating Moisture Absorbed in R-22
김시영*†․주창식**
Si-Young Kim*† and Chang-Sik Ju**
(접수일 : 2014년 8월 11일, 수정일 : 2014년 9월 2일, 채택확정 : 2014년 9월 2일)
Abstract: This study performed experimental research to visualize the moisture content absorbed in R-22,
refrigerant of refrigerator. Sulfuric acids were mixed with bromothylmol blue solution to make indicating solutions, and humidity papers were prepared by impregnation of the indicating solutions into solid supporters. Prior to the impregnation, small amount of lithium chloride was added into indicating solution. Moisture measuring cell was composed to test sensitivity of the humidity papers. Color changing characteristics of the humidity papers were also examined at various moisture contents in R-22.Color of the humidity paper varied linearly with the moisture content in R-22 in the range from 150 ppm to 300 ppm. The humidity papers showed complete color change to yellow at the moisture content of 300 ppm within 8 hours.
Key Words：R-22, Humidity, Refrigerator, Moisture, Color change
*†김시영(교신저자) : 부경대학교 기계시스템공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-629-6191
**주창식 : 부경대학교 화학공학과
*†Si-Young Kim(corresponding author) : Dept. of Mechanical System Engineering, Pukyong National University.
E-mail : [email protected], Tel : 051-629-6191
**Chang-Sik Ju : Dept. of Chemical Engineering, Pukyong National University.
1. 서 론
냉동기 회로 내에서 냉매가 순환되는 동안에 응축과 증발을 반복적으로 수행하게 되고, 이 과 정에서 냉매에 수분의 함량이 점차적으로 증가하 게 된다.
냉매에 흡수된 수분은 쉽게 동결되고 그 입자 가 성장하면 밸브 등, 냉동기 장치의 운전의 고장 원인이 된다.
이러한 이유로 냉매 중의 수분은 가능한 신속 하게 감지하여 제거하여야 한다. 현재 주로 사용 되고 있는 냉매 중의 수분 감지 방법은 냉동기 회
로 내부에 수분 감지용 감습지를 부착하여 그 색 상변화의 신호에 따라 운전을 제어하게 된다.
냉동기 회로에 수분 감지기용으로 부착되는 감 습지1-3) 는 주로 다공질의 세라믹이나 부직포 또 는 압지에 습도지시 감습 물질을 균일하게 함침 시킨 구조4—8) 로 제조된다. 그리고 사용된 습도지 시 용액의 종류와 습도지시 용액을 함침 시킨 매 체의 종류7-8) 에 따라 색상이 변화한다.
그러나, 냉동기 운전의 효율적인 운전 및 에너 지 절감9) 을 위하여 어떤 종류의 감습지가 어느 습도 영역에서 어떤 냉매에 적합한 색상 변화를 나타내는지에 대한 체계적인 조사와 관련 자료가
확보되어 있지 않은 실정 이어서, 냉매의 용도에 적합한 습도지시지를 선택하고 사용하는 것은 매 우 중요하다.
본 연구에서는 습도 감습지 가 냉매의 종류10-11) 에 따라 어느 범위의 습도 영역에서 어떤 색상의 변화를 나타내는지, 냉매 중의 수분 함량에 따라 감습지의 색상이 어떻게 변하는지 알기 위하여 냉매 중의 수분 함량을 변화시킬 수 있는 장치를 제작하고, 이 장치들을 사용하여 새로운 시험용 수분지시 용액을 제조하여 이를 부직포와 압지에 각각 함침 시킨 후 수분 농도에 따라 변색 실험 을 수행하였다. 그리고 변색 실험을 통하여 냉매 중의 수분 함량 변화에 따라 감습지의 색상을 나 타내는 변색표를 제작하여 그 색상 변화 감도를 검토 하였다.
2. 실험적 배경
2.1 변색 용액
습도지시 용액을 압지나 부직포 또는 다공질의 세라믹에 함침시켜 제조한다. 이 때 사용하는 습 도지시 용액의 조성과 함량에 따라 변색 습도의 범위, 변색 시간 등이 결정된다. 일반적으로 습도 지시 용액의 구성은 주 지시제, 보조 지시제 및 첨가제로 구성된다.
주 지시제로 염화 코발드 수용액이 많이 사용 되고 있었으나, 근래에 와서 환경적인 문제가 지 적되면서 대체물질들의 개발이 활발하게 이루어 지고 있으며 본 실험에서는 브로모티몰블루를 사 용하였다.
보조 지시제는 수분 함량에 따라 색상이 변화 는 수소이온 농도를 조절해 주는 초산, 염산, 황산 및 가성소다 등의 산 또는 알칼리성 시약들을 사 용되고 있으나 본 실험 에서는 에틸 알콜을 사용 하였다.
그리고 첨가제로는 조해성 무기 혹은 고분자 화합물을 많이 사용하고 있으며 물질의 종류와 함량에 따라 감습지가 변색하는 상대습도의 값이 달라지므로, 이들을 결정하는 것이 무엇보다도 중 요하며 본 실험에서는 염화 리튬을 사용하였다.
본 실험에 사용된 이들 조해성 물질들은 조해 성을 나타내는 고유의 상대 습도가 알려져 있어, 이를 이용하면 변색이 일어나는 상대습도를 추정 할 수 있어 습도지시 용액의 제조에 매우 유용하 고. 기존 대상 냉매에 따라 사용되는 여러 조해 성 물질의 종류와 감도를 Table 1에 나타나 내었 다.
2.2 흡습지 선택
감습지에는 수분 함양에 따라 변색되는 지시 용액을 적절하게 함침시켜 제조한다. 습도지시 용 액은 제시된 방법으로 조제하고 지지물질로는 다 공질의 ceramics, 압지 및 부직포를 사용한다. 주 로 지지제로서 압지(Sorg Paper Company의 Bluebird)가 많이 사용되고 있으며 필터지 (Whatman No. 4 등의 filter paper)도 감습지 의 지 지물질로 사용 한다.
다공질의 ceramics에 수분지시 용액을 함침시켜 감습지 를 제조하기도 하며 주로 사용되는 다공 질 물질은 수분을 흡수하는 성질이 있는 silica에 적당한 binder( bentonite), 혼합하여 paste를 제조한 후 건조와 소성 과정을 거쳐 제조한다.
Table 1 Deliquescent materials and their deliquescent points.
Materials Deliquescent Point Remarks
lithium chloride 11 %Deliquescent points are presented in
relative humidity potassium
chloride 23 % magnesium
chloride 33 % potassium
carbonate 43 % magnesium
nitrate 52 % sodium bromide 57 % nickel nitrate 67 %
strontium
chloride 72 % sodium
carbonate 90 %
다공질의 ceramics를 사용하여 감습지 를 제조 할 경우에는 습도지시 용액 속으로 다공질의 ceramics를 담그는 것이 가장 보편적인 방법이나 다공질의 ceramics에 습도지시 물질이 함침되면, 먼저 상온 상압에서 수분을 충분히 건조시킨 후 120 ℃ 정도의 건조기에서 완전히 건조시켜 감습 지를 제조한다. 제조된 감습지는 습도에 민감하므 로 건조제를 넣은 밀폐용기에 넣어 수분을 철저 히 배제시킨 상태에서 보관, 사용하여야하며 본실 험에서는 압지와 부직포를 각각 사용하였다.
3. 실 험
순환 냉매 중에 함유된 수분의 양에 따라 감습 지의 색상이 어떻게 변화하는지를 연속적으로 조 사하기 위하여 흡습 지시 용액을 제조하고 흡습 장치를 구성하여 흡습 실험을 수행하였다. 냉매로 는 냉동 현장에서 많이 사용되고 있는 R-22를 사 용하였으며, 변색 실험은 냉매가 냉동기의 냉매가 액체 상태의 위치에 설치되는 점을 감안하여 액체 인 경우에 대해서 실험하여 색상표로 제작하였다.
3.1 지시용액 제조
습도지시용액의 제조는 브로모티몰블루 (bromcresol blue) 85mg을 에틸알코올 100mL에 녹 인 용액을 만든 다음, 이 용액에 황산을 브로모티 몰블루를 기준으로 0.1∼6.0wt% 혼합하고, 습도에 따라 변색이 가능하도록 하였다. 그리고 지시용액 담지체의 제조는 증류수 20g에 실리카 또는 실리 카 기초물질 5g을 혼합하여 겔상을 형성시킨후 70℃에서 건조한후 400∼700℃에서 소성 하였다.
그리고 습도지시용액의 함침 제조된 습도지시용 액에 염화리튬을 브로모티몰블루를 기준으로 0.1
∼1.0wt%의 범위로 부가하고 교반하여 용해한 후, 이 용액에 미리 제조된 담지체를 3시간 이상 함침 한 후 80℃에서 3시간 이상 건조하여 습도지시제 를 침지 함침 하였다.
상기 과정에서 제조된 감습지는 건조한 상태에 서 짙은 보라색이며 포화 수분 상태에서는 노란 색으로 변색이 되는 과정을 확인 한 후 냉매 흡습
장치 및 실험을 통하여 상대습도에 따라 점진적 으로 변화되는 변색과정을 조사 하였다.
3.2 흡습 장치 및 실험
본 실험에서 사용한 냉매 흡습 장치의 개략도 를 Fig. 1에 나타내었다. 냉매에 함유된 수분 함량 에 따라 감습지의 색상변화를 측정하기 위해서, 측정용 cell을 silicone rubber로 밀봉하고 냉매 R22 탱크는 냉동기의 응축기 파이프 온도인 점을 감 안하여 20 ㎫, 그리고 온도는 25 °C 로 고정 하였 다. 그리고 탱크와 감습지 밀폐 용기(Cell) 와는 유량 조절용 valve를 사용하여 연결하였다. Cell 내부에는 타사 제품과 비교할 수 있도록 3개의 감 습지를 설치할 수 있는 지지대를 배치하였다.
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus.
실험은 먼저 Cell 내부의 공기와 수분이 냉매로 충분히 교체될 수 있도록 약 10분간 냉매를 흘려 보낸다. Cell 내부가 냉매로 완전히 교체되면 cell 의 valve들을 모두 닫고, micro syringe를 사용하여 10 μl 용량의 수분을 cell 내부로 주입시켰다.
수분 주입이 완료된 후 약 30분 동안 cell을 방 치함으로서 수분이 완전히 기화하여 냉매와 혼합 되게 한다. 수분과 충분히 접촉하여 감습지의 색 상이 더 이상 변화하지 않게 되면 그 색상을 해당 수분에서의 색상으로 간주한다. 감습지의 색상을 digital camera로 촬영하여 그 수분에서의 색상으 로 하였다.
Cell 내부의 용량을 측정하여 수분함량이 각각 1%, 3%, 5%, 8%, 그리고 10%가 되도록 수분을 주입하여 동일한 실험을 각각 행하였다.
4. 결과 및 검토
본 실험에서는 냉동 회로에 설치된 수분 감지 기의 수분지시카드가 냉매 중의 수분 함량에 따 라 색상이 어떻게 변화하는지를 가시화하는 실험 적 조사를 체계적으로 행 하였다.
냉매로는 현장에서 많이 사용되고 있는 R-22를 채택하고, 냉매 중의 수분을 조절하여 일정하게 유지할 수 있는 측정용 pyrex cell을 설계 제작 하 였다.
냉동 회로에서 냉매는 기체 상태와 액체 상태 로 반복적으로 변화하므로, 냉매가 기체 상태 및 액체 상태로 있을 때 냉매에 함유된 수분의 함량 에 따른 감습지의 색상 변화를 조사하여 Fig. 2와 3에 나타내었다.
Fig. 2는 압지를 사용하여 제작된 감습지의 색 상 변화를 조사한 결과이고, Fig. 3은 부직포를 사 용하여 제작된 감습지의 색상 변화를 조사한 결 과이다.
Fig. 2 Color change of humidity paper made of blotting paper.
Fig. 2와 Fig. 3을 보면, 두 종류의 수분지시카 드 모두 냉매 중의 수분이 함량이 300 ppm이 되 면 색상이 노란색으로 완전히 변화하는 것을 알 수 있다. 그러나 300 ppm 이하의 수분 함량에서
수분지시카드의 색상이 변화하는 것을 관찰해 보 면, 낮은 수분 함량(약 150 ppm 이하)에서는 지지 물질로 압지를 사용해서 제작된 감습지의 경우 색상 변화가 약간 불안정한 상태를 나타내는 것 을 알 수 있었다.
냉매 중의 수분 함량에 따른 감습지의 색상 변 화와 수분지시지의 변색에 소요되는 시간, 즉감도 이다.
수분 흡습 감도를 측정하기 위해서, 수분감습지 를 일정한 수분 함량을 지닌 냉매에 노출된 후 시 간의 경과에 따른 색상 변화를 조사하였다.
수분 흡습지드가 냉매 중의 수분에 노출되었을 때, 완전히 색상이 변화하는데 소요되는 시간은 두 가지 수분지시카드 모두가 약 8시간이 소요되 는 것으로 나타났다. 냉매 중의 수분이 냉동회로 에 지장을 초래하는 수분 함량보다 훨씬 낮은 값 에서 교체되므로 된다. 따라서 교체되는 수분 함 량의 안정율을 고려한다면 수분함량의 위험을 표 시하는 시간으로 충분하고 볼수 있다.
Fig. 3 Color change of humidity paper made of nonwaven fabric.
5. 결 론
냉동기 냉매 회로에 설치하는 수분함량을 지시
해 주는 수분 감습지를 제작하고 순환 냉매 중의 수분 함량에 따라 색상이 어떻게 변화하는지를 조사하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
1) 압지를 사용해서 제조한 감습지와 부직포를 사용하여 제조한 수분 감습지의 수분 함량에 따 른 색상 변화를 냉매 R-22를 대상으로 조사한 결 과, 두 종류의 수분지시카드 모두 냉매 중의 수분 함량이 300 ppm이 되면 색상이 노란색으로 완전 히 변화하는 것을 확인 알 수 있었다.
2) 색상 변화의 과정을 관찰해 보면, 냉매 중의 수분 함량이 약 150 ppm 이하에서는 압지를 사용 해서 제작된 수분 감습지의 경우 색상 변화가 다 소 불안정한 색상 변화를 보이나 그 이상의 영역 에서는 정상적인 색상 변화를 볼 수 있었다.
3) 수분 흡습지가 냉매 중의 수분에 노출되었을 때, 수분지시 카드의 색상이 완전히 변화하는데 소요되는 시간은 2 가지 감습지 모두가 약 8 시간 이 소요되는 것으로 나타났으므로 시간 단축을 위한 추가 설계가 있어야 할 것으로 생각된다.
후 기
이 논문은 2014학년도 부경대학교의 자율창의 학술연구(2014년 : C-D-2014-0187) 지원에 의하여 수행된 연구 결과입니다.
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