공조냉동기계기사 암모니아와 프레온가스 냉매 비교

냉매란?

 1. 정의 : 냉매는 대기압 하 쉽게 증발할 수 있는 물질을 말함.

 

2. 종류 : 직접 냉매와 간접 냉매가 있음.

  2-1. 직접 냉매 : 냉동 사이클을 직접 순환하는 냉매를 말함. → 잠열 교환, 상 변화가 있다.

  2-2. 간접 냉매 : 냉동 사이클을 직접 순한하지 않고 다른 장치에 있는 냉매를 말함. → '브라인 냉매'라고 하고 현열 교환

 

 3. 조건  :

  3-1. 대기압 내 증발, 응축, 액화가 용이해야함. (그래야 상변화를 통한 잠열 교환이 가능) 

  3-2. 임계온도가 상온보다 높아야하고 (높을 수록 좋고) 응고 온도가 낮을 수록 좋다.

        → 임계점을 넘어가면 상 변화가 안되기 때문, 응고 온도가 낮을 수록 증발기에서 뺏어오는 열이 많음.

  3-3. 증기의 비열 및 증발 잠열이 커야함 (단, 액체의 비열은 낮아야 함 → 기체로 상변화 시키기 위함임) 

   (근데, 브라인냉매 즉, 현열교환, 간접냉매는 액체의 비열이 높아야 함 → 상변화 하지 않고, 액체 그 자체로 열 교환을 하기 때문)

  3-4. 같은 냉동능력에 대한 비체적이 작아야 함. (밀도가 높아야 함)

  → 압축기 내부에 더 많은 입자가 들어가서 효율이 좋아진다고 생각

  3-5. 증기의 비열비가 작아야 함 (암모니아의 경우 k=1.3인데, 이러면 토출가스의 온도가 너무 높음, water jacket 사용)

 

 4. 냉매와 윤활유

  기본적으로 압축기 안에서 기계적인 윤활을 돕기 위해 윤활유가 들어가 있는데, 냉매가 압축기에서 액체로 들어와서 압축 된 다음에 기체로 바뀌다보면 윤활유가 액체 상태에서 섞인 상태에서 기체로 함께 변하기도 함. 즉, 냉매와 윤활유가 섞일 수 있음.

 

  4-1. 둘이 섞이면 증발온도가 증가한다 →  몰리에르 선도에서 증발기 라인이 위로 올라가면서 Δh가 감소하니까 냉동능력 떨어짐 

   (물에다가 라면스프 넣으면 끓는점 오르는 거라고 생각하면 됨)

  4-2. 섞이면 윤활작용이 떨어진다. (윤활유의 전체량이 기체에 섞여서 압축기에서는 줄었으니까)

  4-3. 섞이면 전열작용 저하 → 이게 섞였다가 배관에서 액화 되고 밑에 고여서 열전달을 방해할 수 있음

   (※ 너무 많아도 안됨, 기화가 안되어서 액체로 압축기 손상 가능성)

  4-4. 윤활유는 점도와 표면장력이 낮아야한다.

   (윤활이니까 당연히 점도는 낮아야하고, 표면장력이 높으면 압축기 liquid back이라는 현상이 발생한다.)

   (표면장력이 클 경우 윤활유 액체는 imcompressible이라서 압축기로 팡 때려버리면 주변에 손상을 줄 수 있음)

  4-5. 수분이 섞였을 때, 냉매가 반응하면 안됨.

  (프레온에 수분 섞이면 팽창 밸브 동결 폐쇄 등 일어날 수 있음)

  (암모니아는 증발온도가 증가함)

  4-6. 전기 절연도가 높아야 함. (압축기 펑 때렸는데, 아니면 외부 설비 썼는데 스파크 튀어서 불 나면 안됨)

  4-7. 패킹 재료를 부식시키면 안됨.

  4-8. 전열 면적이 모자랄 경우 Fin tube를 설치할 때가 있음. 단, 전열효율이 좋지 않은 냉매에 사용함.

   : NH3 > 물 > 프레온 > 공기 

   ex) NH3가 냉매로 흐르고 있고, 수냉시키고 있다? → 바깥쪽으로 fin 을 설치 (로우핀 튜브)

   ex) 프레온이 냉매로 흐르고 있고, 수냉 시키고 있다? → 안쪽으로 fin을 설치 (이너핀 튜브)

  4-9. 화학적 조건

  둘다 안정적, 부식X, 열화X, 독성X, 인화성X, 냄새X 무해 등의 조건을 가져야 함.

 

암모니아 vs 프레온 (문제로 잘 나온다고 함)

1. NH3

 1-1. 독성, 가연성이 있음 → 산업용으로 쓰임 (가정용X)

 1-2. 전열효율이 매우 높다.

 1-3. 응고점이 비교적 높음 (-77℃) → 초 저온용으로 곤란하다.

 1-4. 비체적이 큰 편이다. (= 밀도가 작다) → 단위 시간당 냉매순환량이 작음. 배관 지름이 작아도 됨.

  (이게 아까 위에서는 비체적이 작을 수록 좋다고 했는데, 그건 압축기에서 압축 효율을 따질 때이고, 이거는 냉동기 전체에서 봤을 때, 전열효율이 좋은 상태에서 비체적이 커버리니까, 단위 시간당 냉매가 적게 흘러도 똑같은 냉동성능을 보이는 것임. 그래서 설비가 작아질 수 있는 것 → 경제적)

 1-5. 포화압력이 높지 않아서 냉동기 설치가 용이함

 1-6. 비열이 k가 크다. → 토출가스의 온도가 높다. water jacket을 사용해야 한다. 

 압축기 내부도 온도가 높은 상태라 윤활유 탄화 등 손상에 주의를 해야함.

 1-7. 경제적으로 우수하여 대형, 산업용으로 사용함.

 1-8. Fe, Al 부식성이 없어서 강관을 사용한다. (동관쓰면 안됨, 부식됨)

 1-9. 절연저항이 낮으므로 모터를 개방형으로 쓴다. (밀폐식 냉동기X)

  아까 위에서 절연저항이 높아야 된다고 했는데, 암모니아는 절연저항이 낮아서 밀폐식 냉동기로서 모터를 압축기 내부에서 돌리면 터질 수 있다는 것이다.

 1-10. 천연고무 패킹사용 (인조고무를 부식시킨다.)

 → 자연 물질 같아 보이는 NH3는 천연재료 이렇게 생각하면 됨.

 1-11. 공기(기밀시험) 시, 잔류 암모니아를 꼭 없애야 한다.

 1-12. 염기성이다. (알카리성)

 1-13. 윤활유와 잘 용해되지 않는다.

 1-14. 그러나, 수분이 윤활유와 함께 있다면 에멀젼현상 (우유빛 거품이 발생)을 볼 수 있다.

 1-15. 오일보다 비중이 작다. → 부유관을 하부에 설치한다. (오일이 밑에 가라앉을 수 있게)

 1-16. 압축기와 응축기 사이 '유 분리기'를 사용해서 다시 압축기로 돌려보낸다.

  → 다만, k가 높은 까닭에 토출온도가 높아서 응축기에 가까운 쪽에 유 분리기를 설치한다.

   (직접 압축기로 가는게 아니라 한 번 거쳤다가 간다.)

 

 2. 프레온 냉매

  2-1. 할로겐화 탄화수소계 냉매를 프레온 냉매라고 한다.

  2-2. 독성X 가연성X 무색 무미 무취

  2-3. 500℃까지 열에 대해 안전하다. (무반응) 

  2-4. 다만, 800℃가 넘어가면 COCl2( 포스겐 가스), CO(일산화 탄소)가 발생하므로 주의해야한다.

  2-5. 통풍이 안되는 실내에 다량 유출 시 질식이 가능하다.

  2-6. 전열효율이 나빠서 핀 튜브를 보통 설치한다.

  2-7. 물 용해도가 낮다.

  2-8. 하지만 물이 함께 있으면 팽창밸브의 동결현상이나 동관을 부식시킬 수 있다. (동가루) → 전열 불량화, 압축기 고장 등 야기

  2-9. 근본적으로 Fe나 Al같은 강관을 부식시키므로 동관을 사용한다. (Mg가 2%이상 함유된 금속 부식)

  2-10. 비열비 k가 낮으므로 토출가스 온도가 낮다. 공냉으로 사용할 수 있다. 가정용으로 많이 쓴다.

  2-11. 천연고무 부식 → 패킹에 인조고무 사용  

   프레온가스 뭔가 인조적으로 만든 것 같으니까 인조고무도 사용 해야한다고 생각하면 된다.

  2-12. 임계점이 매우 높다. 응축 능력이 양호함.

  2-13. 응고 온도가 낮아서 초저온에도 사용이 가능함.

  2-14. 윤활유와 용해가 잘됨. (냉매가 계속 일부 오일을 머금고 있어서 냉동기 전체적인 윤활에 도움이 된다.)

  → 다만, 압축기 내 윤활이 조금 저하될 수 있음. 너무 섞이면

  2-15. 유 분리기를 압축기랑 가까운 1/4지점에 설치한다. (토출가스 온도가 낮으니까 영향이 없음)

  2-16. 압력이 높고 온도가 낮을 수록 윤활유와 용해가 잘 된다. 

  (기체분자가 쪼그라들어서 뭔가 인력이 강해진다고 생각하자.)

  2-17. 냉매 + 윤활유 상태의 장점은

   2-17-1. 어는점 내림이 발생함 (응고점이 낮아짐 → 더 저온에서 열교환하니까 더 많이 열을 뺏어올 수 있음) 

   2-17-2. 장비 사이사이에 급유하는 것이 용이함.

  2-18. 냉매 + 윤활유 상태의 단점은 

   2-18-1. 끓는점 오름이 발생함 (증발압력이 낮아짐 → 냉동효과가 떨어짐) 

   2-18-2. 압축기에서 유출이 좀 될 경우 유압이 안 오름 

   2-18-3. 마네식(밑에서 위로 흐르는 증발기)에서 오일이 고일 수 있다고 함. - 추가 설비 필요

  2-19. 오일 포밍 현상이 발생 (냉동기를 껐을 때, Oil + 프레온 액체 섞일 수 있는데) 이 때, 압축기를 팍 가동 시키면 거품이 생길 수 있음. → 배관이나 압축기에 오일헤머링 현상이 발생할 수 있음)

  2-20. 오일 포밍을 방지하기 위해서는 전극봉 등으로 35℃ 이상 가열해야함. (+터보 냉동기는 6~80℃ 유지해야함)

  2-21. 부하를 서서히하고 벨브 조절을 서서히 조작해야함.

 

NH3	프레온가스
전열효율 높다.	낮다. → 핀 튜브 쓴다.
단위 냉동 능력당 냉매순환량 적다 → 비체적 크다	많다.
강관을 사용한다.	동관을 사용한다.
천연고무로 패킹한다.	인조고무로 패킹한다.
유분리기 응축기 근처다.	유분리기 압축기 근처다.
윤활유와 용해 잘 안된다.	잘 된다.
비열비 크다.  → water jacket	작다.
물 용해도 크다.	작다.
열 안정성 낮다	열 안정성 크다. (다만 800℃ ↑ 이면 포스겐 가스 COCl2 발생)

 

프레온 냉매 구성 및 호칭 방법

 1. 프레온 냉매 개념 : C, H, F Cl 로 이루어진 할로겐화 탄화수소임 (순서 중요)

 2. 네이밍 룰

  C는 100자리에서 +1 

  H는 10자리에서 -1

  F는 1자리에서 그대로

  CL : 남는거 갖다 붙힌다.

 

 ex) R-012 

 C = 0+1 = 1

 H = 1-1 = 0 

 F = 2 = 2 

 Cl 그려보면 나머지 붙을 수 있는 공간이 2개임

 

 CF2Cl2 이렇게 된다.

 

 ex) R-113

 C=1+1 = 2

 H=1-1 = 0

 F = 3 = 3

 CL은 나머지 그려보면 3개 붙을 수 있음

 

 C2F3Cl3

 

 3. 프레온 냉매의 응고점과 비등점

냉매종류	응고점(어는점)	비등점(끓는점)
R-11	-111.7
R-12 (이원 냉동사이클 고온)	-158.2	-29.8
R-13 (이원냉동사이클 저온)	-181	-81.5
R-21	-135	-
R-22 (이원 냉동사이클 고온)	-160	-40.8
R-113	-31.1
R-114	-93.9

 

이게 R-13의 경우 응고점도 매우 낮고, 비등점도 매우 낮기 때문에 '초저온용'으로 사용한다.

이원 냉동사이클에서 위와 같은 쓰임새를 가지고 있는 특징을 가지고 있다고 한다.

 

 4. 혼합냉매

  4-1. 프레온 가스의 경우는 냉매끼리 섞어서 혼합 냉매를 만드는데 아래의 두 종류가 있다.

  4-2. 종류

   4-2-1. (단순) 혼합냉매 - 이 경우 두 냉매의 특성이 보존됨. 한 냉매 특성의 효과를 증가시키려는 목적임.

   4-2-2. 공비혼합냉매 - 딱 정해진 비율로 냉매를 섞으면 마치 새로운 냉매가 만들어진 것 처럼 행동함.

    R-500 (R-152 + R-012)

    R-501 (R-012 + R-022)

    R-502 (R-115 + R-022)

    R-503 (R-023 + R-013) 

 → 일오이 일이 일이 이이 일일오 이이 // 이삼 일삼 !

  

 

* 추가적으로

 - 1 냉동톤 3320kcal/h

 - 제빙톤 1.65RT

 - 결빙시간 h = 0.56*t^2 / (-tb) : t는 얼음의 두께 / tb는 브라인온도 라고 함

 - 플래시 가스 : 냉매가 증발해 버린 현상,

                        '압축기'라인에서 포화액선과 팽창벨브 출구 측의 차이 만큼임

                        그래서 응축기 출구와 증발기 출구를 열교환 시켜서 응축기에서 나오는 온도를 더 내림으로써 해결하기도 함.

  → 액관이 너무 길 때, 마찰 저항에 의해 냉매가 증발해버림

      직사광선이 노출되거나 단열이 안되어서 증발해버림

      벨브가 막혀서 팽창벨브가 아닌 곳에서 교축될 때

 

 - 압축비 : 

  1. 압축의 종류

   1-1. 건포화 압축 : 이론적으로는 이상적인 압축 사이클임 (현실에 존재하지 않음) 

   1-2. 과열 압축 : 부하가 증가하여 냉매 순환량이 줄어들 수 있음. (그러나 엥간하면 과열압축으로 감)

      → 과열 될 수록, 비체적 감소, 온도 증가, 요구되는 일 증가

   1-3. 습포화 압축 : 부하가 감소할 때 발생하는 현상임 (32℃의 증발기 실내였는데, 17℃가 되는 등)

      → 단, 남은 액체가 liquid back 현상에 의해 압축기 손상이 있을 수 있으므로 매우 지양함.

  

  2. 압축비와 압축질량

   2-1. 응축 압력은 낮을 수록 좋다.

   → 응축 압력이 낮으면, 증발기에서의 Δh = Q가 커지므로, 냉동효과가 커진다.

 

   2-2. 증발 압력은 높으면 좋을 때도 있다.

   → 증발 압력이 높으면, 압축기에서의 일 W가 작아지기 때문

 

   2-3. RT = V/C = 피스톤 흡입량(m^3/hr)/상수 라는 식이 있음.

   2-4. 왕복동 압축기의 속도 = pi D^2 / 4 * L N R * 60

    L은 피스톤이 왕복하는 길이, N은 피스톤 개수, R은 RPM 

   2-5. 체적 압축 효율 = 실제 압축량 / 이론압축량

   이론 압축량은 압축기가 100% 압축을 해야하지만, 냉매를 100%압축하는 것이 현실 세계에서 불가능 하므로 압축기 피스톤이 쭉 눌러도 남는 부피가 조금 생기는데, 얘네는 계속 압축 당한다 = 재팽창체적이라고 한다.

   (이를 계산하기 위해 top clearance 및 side clearance를 고려한다.)