초록 ▼

I. 제 목 에어콘용 혼합냉매 개발연구 II. 연구개발의 목적 및 필요성 CFC(Chlorofluorocarbon)화합물이 성층권의 오존층을 파괴하는 주요인으로 밝 혀짐에 따라 Montreal Protocol에 의해 전세계적으로 그 생산과 사용이 규제되고 있다. CFC의 대체물질로는 그 동안 다양한 종류의 HCFC (Hydrochlorofluoro- carbon) 및 HFC (Hydrofluorocarbon)계 화합물들이 제시되었으나, HCFC계 화합물 역시 상당한 정도의 오존 파괴능을 지니고 있는 것으로 알려짐에 따라 1995년

I. 제 목 에어콘용 혼합냉매 개발연구 II. 연구개발의 목적 및 필요성 CFC(Chlorofluorocarbon)화합물이 성층권의 오존층을 파괴하는 주요인으로 밝 혀짐에 따라 Montreal Protocol에 의해 전세계적으로 그 생산과 사용이 규제되고 있다. CFC의 대체물질로는 그 동안 다양한 종류의 HCFC (Hydrochlorofluoro- carbon) 및 HFC (Hydrofluorocarbon)계 화합물들이 제시되었으나, HCFC계 화합물 역시 상당한 정도의 오존 파괴능을 지니고 있는 것으로 알려짐에 따라 1995년 12월 의 제7차 몬트리올 의정서 가입국회의에서는 HCFC계 화합물마저 규제대상에 포함 시켜 선진국에서는 2030년, 개발도상국에서는 2040년까지 그 사용을 전폐하기로 합 의한 바 있다. 본 연구는 제2단계 CFC 대체물질 개발사업의 일환으로 에어콘용 혼합냉매 개 발 을 그 목표로 하고 있다. 에어콘의 작동유체인 냉매의 상황을 살펴보면, 자동차 용 에어콘 냉매로는 기존의 CFC- 12를 대신하여 오존층 파괴위험이 전혀 없는 HFC- 134a로 이미 대체가 거의 완료된 상태에 있다. 반면에 가정용 에어콘의 냉매 로는 HCFC- 22가 주로 사용되고 있으나, HCFC계열 화합물 역시 장기적으로는 생 산 및 사용규제가 예정되어 있는 바, 적절한 대체냉매의 개발이 불가피하게 요구되 는 상황에 직면하고 있다. HCFC- 22의 경우, CFC- 12의 대체물질인 HFC- 134a와는 달리 지금까지도 마땅 한 대체물질은 발견되지 않고 있기 때문에 HCFC- 22의 대체물질은 현재까지 알려 져 있는 여러 가지 냉매를 적절히 혼합하여 HCFC- 22와 유사한 성능을 갖도록 만 드는 것이 거의 유일한 해결방안으로 인식되고 있다. III. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구에서는 독자적인 HCFC- 22 대체용 혼합냉매를 개발하기 위하여 다양한 종류의 냉매 혼합물에 대해 열역학적 및 실험적 냉동성능을 평가하는 한편, 냉매 혼합물의 상평형 자료 확립을 위한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 수행된 주요 연구내용은 다음과 같다. 가. 혼합냉매 특허현황 및 기술동향 조사분석 나. 냉동사이클 모델링에 의한 냉동성능 평가용 Simulator 개발 다. 2성분계, 3성분계, 4성분계 냉매혼합물의 열역학적 냉동성능평가 라. 약 2kW 용량의 냉동성능평가 장치의 완성 마. 전산모사 결과 선정된 냉매혼합물의 실험적 성능평가 바. 냉매혼합물 상평형 측정장치의 완성 사. 다양한 종류의 2성분계 냉매혼합물에 대한 상평형 측정실험 실시 IV. 연구개발결과 가. 지금까지 선진국 및 국내에 등록된 약 1,000건 이상의 혼합냉매 특허를 조사 하여 성분별, 국가별, 연도별로 체계적으로 Database화함으로써, 본 연구개 발 내용이 기존특허와의 중복성을 사전 탈피할 수 있도록 하는 한편, 새로운 특허도출을 위한 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다. 나. 냉동사이클을 모델링 함으로써 혼합냉매의 냉동성능을 미리 예측할 수 있는 Simulator를 독자적으로 개발하고, 이를 활용하여 기존특허와 중복되지 않는 범위 내에서 모든 경우의 수를 조합한 냉매조성물에 대해 냉동성능을 평가함 으로써 19종의 3성분계 및 39종의 4성분계 HCFC- 22 대체용 냉매혼합물을 새로이 개발하였다. 다. 약 2 kW 용량의 냉동성능 평가장치를 제작/설치하여 선정된 후보군의 냉동 성능을 실험적으로 측정하여 HCFC- 22, R- 407C 및 R- 410A 등의 성능과 비 교함으로써 냉매혼합물들의 실제냉동성능을 확인하였고, 이러한 실험결과를 바탕으로 개발된 HCFC- 22 대체용 혼합냉매를 총 14건의 특허로 국내외에 출원하였다. 라. R- 32/600a, R- 134a/600a, R- 152a/600a, R- 23/600a, R- 143a/600a, R- 125/600a, R- 227ea/600a, R- 23/32, R- 23/125, R- 23/134a, R- 32/125, R- 32/134a, R- 32/143a, R- 32/152a, R- 32/227ea, R- 125/152a, R- 134a/143a, R- 227ea/134a, R- 227ea/152a, R- 143a/152a 등 다양한 2성분계 냉매혼합물에 대해 상평형 측 정 실험을 실시하여 VLE 자료를 확보하는 한편, 공비조성을 확인하였다. V. 향후 활용계획 가. 본 연구결과 특허로 출원된 냉매혼합물은 일단 기존특허와의 중복성 탈피에 일차적인 주안점이 주어져 있으며 아울러 HFC계와 탄화수소계 냉매, 혹은 HFC계와 제3세대 냉매혼합물을 다수 포함하고 있다. HFC계 냉매가 오존 층 파괴능은 없으나 지구온난화지수가 높아 장차 규제될 예정으로 있으므로 폭발위험에 대한 안전성 문제로 논란이 되고있는 탄화수소와 적절한 비율로 조합하여 사용될 경우 일석이조의 효과를 기대할 수 있다. 즉, HFC계와 탄화수소계를 혼합함으로써 HFC의 사용을 감소시킴과 동시에 탄화수소의 폭발위험을 줄일 수 있게 됨으로써 향후 활용의 여지는 높다고 판단된다. 나. 혼합냉매에 대한 물성자료는 미국 NIST에서 REFPROP이라는 프로그램으로 비교적 양질의 자료를 공급하고 있으나, 신규냉매의 경우 물성자료 확보에 상당한 애로를 느끼게 된다. 따라서 여러 가지 물성 중 제일 비중이 높은 상평형 Data를 직접 측정할 수 있는 장치를 제작하였고, 얻어진 자료는 국제 저명 학술지에 10여건 이상 게재됨으로써 장치 및 Data의 신뢰성 또한 검증 받은 셈이 되었다. 혼합물의 상평형 자료는 비단 냉동공조분야 뿐만 아니 라 화학공정의 여러 분야에서도 필수적으로 요구되는 자료이므로 장치 및 확 보된 자료의 활용도는 앞으로 더욱 더 높아질 것으로 사료된다.

Abstract ▼

I. Title Development of Refrigerant Mixtures for Air Conditioner II. Significance Production and use of CFCs have been regulated under international agreement, Montreal Protocol, because of their high ozone- depleting potentials. HCFCs and HFCs have been suggested as strong candidates for the repla

I. Title Development of Refrigerant Mixtures for Air Conditioner II. Significance Production and use of CFCs have been regulated under international agreement, Montreal Protocol, because of their high ozone- depleting potentials. HCFCs and HFCs have been suggested as strong candidates for the replacement of CFCs. However, HCFCs were also revealed to have significantly high ozone depleting potentials. Thus, It has been finally decided in the Vienna Meeting of 1995 that HCFCs also have to be phased out by 2030 in the developed countries and by 2040 in the developing countries, respectively. As a result, it became a very urgent issues to search and/or develop HCFCs alternatives. HCFC- 22 has been widely used as refrigerant in the room air conditioner. While HFC- 134a was found to be a very ideal CFC- 12 alternative, HCFC- 22 alternative has not been unfortunately found yet. It is generally accepted that the only choice to replace HCFC- 22 is to mix two or more refrigerants together so that the mixture can bear the similar performance to HCFC- 22. This work is aimed to develop and suggest several different kinds of HCFC- 22 alternatives which are free of ozone depleting potential. III. Scope and Contents of the Research In this study, extensive theoretical and experimental investigation have been attempted in order to develop HCFC- 22 alternatives. The main works can be summarized as follows. A. Review of patents and research trend on refrigerant mixtures B. Development of refirgeration cycle simulator for predicting the performance of refrigerant C. Thermodynamical evaluation of various refrigerant mixture candidates D. Establishment of refrigerant evaluation system in the capacity of 2 kW E. Experimental evaluation of selected refrigerant mixtures. F. Establishment of vapor- liquid equilibrium measurement system G. Measurement of vapor- liquid equilibrium for various refrigerant mixtures IV. Results and Suggestion A. More than 1,000 patents regarding refrigerant mixtures have been collected, classified and analysed in terms of composition, nation and year etc. B. The simulator which can predict theoretically the performance of given refrigerant mixtures has been developed and tested for various refrigerant systems. As a result, 19 different kinds of ternary and 39 different kinds of quaternary refrigerant mixtures have been found as HCFC- 22 alternatives. C. The performance of selected refrigerant mixtures has been compared with those of HCFC- 22, R- 407C and R- 410A using 2 kW scale refrigerant evaluating system. Based on the theoretical and experimental observations, we have filed our research results as patents in Korea and USA. D. VLE data for the binary systems of R- 32/600a, R- 134a/600a, R- 152a/600a, R- 23/600a, R- 143a/600a, R- 125/600a, R- 227ea/600a, R- 23/32, R- 23/125, R- 23/134a, R- 32/125, R- 32/134a, R- 32/143a, R- 32/152a, R- 32/227ea, R- 125/152a, R- 134a/143a, R- 227ea/134a, R- 227ea/152a, and R- 143a/152a were measured in a circulation- type equilibrium apparatus. From these experiment we obtained VLE and azeotropic data for various binary systems. E. The research results are expected to be used as important technical information in the refrigeration industry.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 요약문...3
• SUMMARY...6
• CONTENTS...8
• 목차...11
• 그림목차...14
• 표목차...21
• Part I : HCFC-22 대체 혼합냉매의 성능평가 연구...26
• 제 1 장 서 론...27
• 제 2 장 기술문헌 조사분석...29
• 제 1 절 HCFC의 규제...29
• 제 2 절 HCFC 대체냉매 연구동향...32
• 1. HFC계 혼합냉매...32
• 2. 자연냉매...33
• 3. 이산화탄소...42
• 4. 제3세대 냉매...43
• 제 3 절 혼합냉매 특허현황...45
• 1. 특허 등록현황...45
• 2. 특허현황 분석기준...62
• 3. 국가별 및 성분수별 특허현황...64
• 4. 연도별 특허현황...66
• 5. 성분종류별 특허현황...66
• 제 3 장 혼합냉매의 열역학적 성능평가...69
• 제 1 절 냉동사이클의 모델링...69
• 1. 대체냉매의 성능평가...69
• 2. 냉동사이클 전산 모사...70
• 3. 대체냉매 선정기준...73
• 제 2 절 2성분계 냉매혼합물의 성능평가...84
• 제 3 절 3성분계 냉매혼합물의 성능평가...89
• 제 4 절 4성분계 냉매혼합물의 성능평가...110
• 제 5 절 결과요약...141
• 제 4 장 혼합냉매의 실험적 성능평가...142
• 제 1 절 실험장치 및 방법...142
• 1. 실험장치...142
• 2. 실험조건...145
• 3. 실험방법...146
• 4. 성능평가대상 냉매혼합물의 종류...147
• 제 2 절 실험결과 및 검토...153
• 제 3 절 실험결과 요약...189
• 참고문헌...190
• 부록...192
• Part II : HCFC-22 대체용 냉매혼합물의 물성평가 연구...210
• 제 1 장 서 론...211
• 제 1 절 연구배경...211
• 제 2 절 연구방향...212
• 제 2 장 이 론...213
• 제 1 절 기-액 상평형...213
• 1. 기-액 상평형의 이론적 배경...213
• 2. 상태방정식으로부터 기-액 평형 계산...215
• 3. 기-액 상평형 diagram...220
• 4. 상태방정식...223
• 제 2 절 공비혼합물...230
• 1. 공비혼합물의 특성...230
• 2. 공비혼합물의 분류...232
• 제 3 장 상평형 실험...236
• 제 1 절 실험장치...236
• 1. 시료 주입부...239
• 2. Equilibrium Cell...239
• 3. 온도, 압력 측정 장치...242
• 4. 항온장치 (Water Bath)...242
• 5. 기상 및 액상 순환 Pump...243
• 6. 기체 및 액체 Sampling Valve...244
• 7. 데이터 분석장치...244
• 제 2 절 실험방법...245
• 제 3 절 실험대상물질의 선정...246
• 제 4 절 Data Calibration 및 분석조건...250
• 1. Data calibration...250
• 2. 분석조건...253
• 제 5 절 상평형 실험결과 및 고찰...254
• 1. 상평형 실험의 건전성 평가...254
• 2. 상평형 실험결과 및 토론...260
• 제 4 장 대체 냉매 혼합물의 상평형 계산...292
• 제 1 절 CSD 상태방정식에 의한 계산...293
• 제 2 절 SRK 상태방정식에 의한 계산...299
• 제 3 절 Peng-Robinson 상태방정식에 의한 계산...302
• 제 4 절 PRSV 상태방정식에 의한 계산...314
• 제 5 장 결 론...322
• Nomenclature...323
• 참고문헌...324
• 부록...329
• I.Calibration Data...330
• II. Thermodynamic Data...347