2. 주요 냉매의 열물성

 냉동/공조 시스템 내에서 냉매의 열역학적 상태는 액체상태, 기체상태 및 기/액 공존상태가 있다. 냉매의 물성을 이해하려면 일반적인 유체의 물성을 다 고려하면 된다. 일반적으로 유체의 물성에는 물리적 성질, 화학적 성질, 그리고 열역학적 성질이 있다.

2.1 물리적 성질

 중요한 물리적 성질에는 비등점, 동결점, 임계상수, 용해도, 굴절율, 유전율 및 절연내력 등이 있으며, 이 모든 성질은 온도 및 압력에 따라 변화한다.

2.2 화학적 성질

 냉매는 냉동/공조 시스템 내에서 장기간에 걸쳐서 안정된 상태로 작동해야 하기 때문에 여러 가지 화학적 특성이 요구된다.(냉매의 구비 조건 참조) 주요냉매 중에서 현재 주류를 이루고 있는 할로카본 냉매에 대하여 화학적 특성을 설명하면 다음과 같다.

(1) 색깔 및 냄새

 냉매는 대부분 무색, 투명하다. 무기화합물인 암모니아와 SO2 등이 자극성 냄새를 강하게 내지만 할로카본은 대개 미소한 에테르 냄새를 푸기며 대기 중에서 희석되면 냄새가 없어진다.

(2) 화학적 안정성

 화학적 안정성이란 냉동기 내부에서 분해되거나 다른 물질과 결합하여 이물질을 만들지 않는 성질을 말한다. 냉동장치내의 냉매는 냉동기유, 미량의 수분 및 금속과 접촉되기 때문에 냉매 단독의 경우보다 안정성이 나빠지게 되며, 온도가 높으면 열분해가 일어나기 때문에 특히 고온용 열펌프의 경우에는 주의를 요한다. 열분해에 의한 주요 생성물은 HCl, HF 및 Cl2이지만, 공기와 혼합된 할로카본 가스는 고온의 철이나 화염에 접하게 될 때 격한 반응을 하여 독성이 강한 포스겐 가스를 발생한다. 또한 물과 공존하는 경우에는 가수분해를 일으키며, 특히 강철, 아연 및 알루미늄 등의 금속이 존재하는 곳에서는 할로카본 냉매의 안정성이 더욱 저하된다. 따라서 철, 동 및 기름이 존재하는 냉동장치 내에서 장기간 사용시 견딜 수 있는 최고온도는 다음과 같다.
 R11, R113 : 105℃       R12 : 120℃
 R22 : 130∼150℃        R13 : 150℃

  (*) 표준 대기압(101.325 kPa)에서의 비등점임.
   
(3) 대기중의 잔존 수명

 근년에 스프레이 분사제 및 발포제로 대기중에 방출되는 할로카본 방출이 급증함에 따라 CFC 및 HCFC는 지상 10km 이하의 대기권에서 분해되지 않고 성층권까지 확산되어서 원자상태의 Cl 및 ClO로 되어 오존층을 파괴하는 연쇄반응을 일으킨다. 1974년 미국 캘리포니아 주립대학의 Rowland와 Molina가 CFC 및 할론 가스가 성층권의 오존을 파괴한다는 논문을 발표한 후에(3) 미국과 영국 등 많은 선진국에서 실측을 통해 이를 확인하였다. 광분해의 반응 속도와 확산기구에 의해 계산한 대기권내 잔존수명은 CFC의 경우 100년 정도로 나타나 있다. 잔존수명이 10∼20년 이하인 HCFC는 대기권 상층부에서 OH기 등과 반응하여 H2O, HCl, HF 및 CO2 의 형태가 되어 지상으로 되돌아오기 때문에 오존층 붕괴에 미치는 영향은 매우 적지만, 수소를 전혀 포함하지 않아 대기권내 잔존수명이 매우 긴 CFC는 성층권으로 확산되어 오존층 붕괴를 일으킬 가능성이 매우 크다.

(4) 연소성 및 폭발성

 할로카본은 대개 불연성이다. 비교적 반응성을 가진 R22의 경우에도 인화점은 630℃ 부근이다.

(5) 독성

 냉매의 독성 등급은 미국 보험업자 연구소(UL)(4)의 독성분류 등급을 이용하며 그 정의는 다음과 같다.
1 : 공기중 농도가 0.5∼1%일 때, 5분내에 사망하거나 치명적인 상해를 주는 것. 예) SO2
2 : 공기중 농도가 0.5∼1%일 때, 30분내에 사망하거나 중대한 상해를 주는 것. 예) NH2
3 : 공기중 농도가 2∼2.5%일 때, 1시간 내에 사망하거나 중대한 상해를 주는 것. 예) CCl4, CHCl3
4 : 공기중 농도가 2∼2.5%일 때, 2시간 내에 사망하거나 중대한 상해를 주는 것. 예) CHCl3
4∼5 : 분류 4와 5의 중간. 예) 에탄, 프로판, 부탄
5a : 독성이 4보다 작고 6보다 큰 것. 예) CO2, R11, R22, R502
5b : 5a보다 독성이 약간 적은 것. 예) 에탄, 프로판, 부탄
6 : 농도가 20%인 공기 중에 2시간 있어도 아무런 피해가 없는 것. 예) R12, R114, R115
할로카본 중에서 염소나 브롬 혹은 수소를 포함한 것은 독성이 강하지만, 불소를 포함한 것은 독성이 약하다. 또 독성이 없는 것도 공기중의  농도가 높아지면 산소 결핍에 의한 질식을 일으키므로 통풍이 잘 안 되는 장소에서 사용할 때에  주의해야 한다.

2.3 열역학적 성질

 순수물질의 열역학적 성질 중 가장 중요하며 기본적인 성질은 압력-체적-온도 관계이다. 냉동/공조기에는 증기압에 따라 저압, 중압, 고압 냉매가 쓰이며, 저압 냉매의 경우 기존냉매로는 R11, 대체냉매로는 R123이 쓰이고 있으며, 중압 냉매의 경우 기존냉매로는 R12, 대체냉매로는 R134a가 쓰이고 있으며, 고압냉매의 경우 기존냉매로는 R22, 대체냉매로는 R407C, R410A가 쓰이고 있으며, 수송냉동의 경우 기존냉매로는 R502, 대체냉매로는 R404A가 가장 많이 쓰이고 있다. 이에 본 장에서는 9가지 기본 냉매의  열역학적 물성치 표와 몇몇 p-h선도를 제시하고자 한다. 그림 2.1-2.8은 기존냉매와 대체냉매의 p-h 선도를 보여준다.(5)

(1)온도와 압력, 비등점 및 임계온도

 냉매에 따라서 같은 온도에서도 그 포화압력은 매우 다르며, 포화압력에 로그를 취한 값과 온도의 역수는 근사적으로 직선 관계를 가진다. 압력이 표준대기압(101.325kPa)일 때의 포화온도를 비등점이라고 하며, 이 비등점은 냉매의 특성을 나타내는 대표적인 수치로 다음과 같은 특성을 가진다.

① 비등점이 낮은 냉매는 압력이 높다.
② 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 압축기의 행정체적이 적다. 즉, 동일한 행정체적의 압축기에 대하여 냉동능력이 크다.
③ 비등점이 낮은 냉매는 일반적으로 저온용으로 적당하다.
④ 비등점이 낮은 냉매는 저압 및 고압 사이의 압축비가 적다.

 임계온도란 포화액체와 포화기체가 공존하는 점에서의 온도로, 이 온도 이상에서는 압축을 해도 응축이 일어나지 않으며, 냉매의 경우 임계온도가 높을수록 좋은데, 그 이유는 대개 임계온도가 높은 냉매일수록 성능계수가 좋기 때문이다.


 그림 2.1  R-11의 P-h 선도


그림 2.2  R-123의 P-h선도


그림 2.3  R-12의 P-h선도


그림 2.4  R-134a의 P-h선도


그림 2.5  R-22의 P-h선도


그림 2.6  R-407C의 P-h선도


그림 2.7  R-502의 P-h선도


그림 2.8  R-404A의 P-h선도

(2) 증발잠열

 어떤 일정한 온도 하에서 냉매 1kg이 포화액체에서 포화증기로 변할 때에 흡입하는 열량을 그 온도에서의 증발잠열이라고 하며 단위는 kJ/kg이다. 증발온도(증발압력)가 높아지면 증발잠열은 감소하며 임계온도에서는 0이 된다.

(3) 비열비

 일반적으로, 정압비열 Cp와 정적비열 Cv의 비가 큰 냉매는 압축기 토출가스 온도가 높다.

(4) 압축기 체적 용량

 이 값은 압축기 흡입 단위 체적당 냉동능력으로 단위는 kJ/m3이며, 냉동 사이클에서 매우 중요한 값이다. 기본적으로 이 값은 냉매의 비등점에 의하여 결정된다. 이 값이 큰 냉매는 소형의 압축기를 사용할 수 있다. 예를 들어 R22와 R410A를 비교하면, R410A용 압축기의 행정체적은 같은 온도조건에서 R22용 압축기 행정체적의 60% 정도만 되면 동일한 냉동능력을 낼 수 있다.

(5) 성능계수

 성능계수는 사용하는 냉매에 따라 조금씩 다르지만, 동일한 온도 조건하에서는 냉매에 따라 큰 차이를 보이지 않는다. 표 2.12는 동일한 증발 및 응축 온도에서 주요 냉매의 이론적 성능을 비교하여 보여주고 있다.(5)