냉동공학 3장

1. 냉매란 무엇인지 설명하시오.

- 냉매(refrigerant)란 일반적으로 냉각 작용을 일으키는 모든 물질을 의미하며, 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 주위로부터 열을 흡수하면서 증발하고, 고온부(응축기)에서 열을 방출하면서 응축ㆍ액화되는 작동유체를 의미한다. 일반적으로 증발 또는 응축 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를 1차 냉매, 상변화 과정없이 단상 상태에서 (현)열교환하는 브라인 등의 냉매를 2차 냉매라 한다. 따라서, 1차 냉매는 피냉각물체로부터 직접 열을 흡수하게 되며, 1차 냉매로부터 냉각된 매체(2차 냉매)가 피냉각물을 냉각할 경우, 이 때 사용된 매체가 2차 냉매이다.

2. 냉매로서 구비하여야 할 일반적인 조건에 대해 설명하시오.

1) 물리적 조건

(1) 증발압력이 대기압보다 높을 것 ⇒ 증발업력이 대기압보다 낮으면 장치내로 공기가 침입하기 쉽고, 공기가 침입하면 고압이 상승하고 윤활유가 산화되어 재료를 부식시키는 등 냉동장치에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

(2) 응축압력이 낮을 것 ⇒ 응축압력이 지나치게 높으면 냉매가 누설되기 쉽고, 토출가스 온도가 상승하여 체적 효율이 감소하고, 압력손실이 크게 된다.

(3) 임계온도가 상온보다 상당히 높을 것 ⇒ 임계온도가 상온보다 낮으면 저온의 냉각매체를 사용하지 않으면 고압으로 압축하여도 냉매증기는 응축되지 않고 압축기의 효율이 저하한다.

(4) 응고점이 낮을 것 ⇒ 증발온도가 낮아지면 냉매가 응고되어 냉동효과를 얻을 수 없다.

(5) 증발잠열이 크고, 액체의 비열이 작을 것 ⇒ 액체의 비열이 크면 팽창밸브에서의 교축(throttling)과정으로 인해 냉매액이 냉각될 때, 액을 냉각시키기 위하여 증발하는 냉매량의 비율이 커지게 된다. 이로 인해 증발기내에서 증발하게 될 냉매량이 감소함과 동시에, 증발기내 압력손실이 커지게 된다.

(6) 비체적ㆍ점도ㆍ표면장력이 작을 것 ⇒ 비체적이 작으면 압축기 피스톤 압출량이 작아질 수 있고, 수액기의 용량도 작아질 수 있다. 또한, 점도가 낮으면 관이나 밸브에서 통과저항이 작아지고, 관이나 밸브의 크기를 작게 할 수 있다. 표면장력이 작으면 냉매액이 증발할 때 열교환기 표면이 잘 적셔서 전열작용이 좋아지는 결과를 얻을 수 있으므로 냉동장치의 효율이 향상된다.

(7) 전열성능이 양호할 것 ⇒ 열전도율 및 연전달율이 크게 되면, 증발기, 응축기 및 열교환기 등의 전열면적 혹은 온도차가 작게 되고, 냉동장치의 효율이 좋아진다.

(8) 누설발견이 용이할 것 ⇒ 물리적 방법이나 화학적 방법으로 쉽게 검지할 수 있으며, 사고를 사전에 방지할 수 있다.

(9) 전기가 통하지 않고 전기절연물을 침식하지 않을 것 ⇒ 전기가 통하지 않으면 밀폐형 압축기에서 냉매액 속에 모터를 설치할 수 있다.

(10) 수분이 냉매 중에 흡입되어도 냉매나 장치에 악영향이 없을 것

(11) 비열비(Cp / Cv)가 작을 것 ⇒ 비열비가 작으면 압축하여도 가스온도가 많이 상승하지 않으므로 압축비를 크게 잡을 수 있다.

(12) 패킹재료에 대하여 영향을 미치지 않을 것

(13) 터보 냉동기의 경우에는 냉매가스의 비중이 클 것 ⇒ 터보 냉동기와 같이 냉매가스의 속도 에너지를 압력 에너지로 바꾸어 가스를 압축할 경우에는 가스의 비중이 클수록, 즉 동일 속도에서 가스 무게가 무거울수록 큰 압력이 생긱게 되므로 냉매가스의 비중량이 큰 냉매가 적합하다.

2…(생략)

(1) 독성이 없을 것

(2) 악취 및 자극성이 없을 것 ⇒ 냉매 누설시 인체에 독성이 없어야 한다.

(3) 가연성 및 폭발성이 없을 것 ⇒ 프로판과 같은 탄화수소계 냉매는 폭발성과 가연성이 아주 높기 때문에 냉매로서 부적합하다. 그러나 유럽을 비롯한 몇몇 나라에는 냉매 주입량이 작기 때문에 가정용 냉장고 등에 사용하고 있다. 또한 탄화수소계 냉매의 폭발성을 줄이기 위해 프레온계 냉매와 혼합한 혼합냉매를 사용하기도 한다. 암모니아는 공기과 체적비 기준으로 16∼25%정도 함유