냉매
냉매(refrigerant)는 에어컨이나 히트펌프의 냉동사이클에 적용되는 작동 유체이다. 대부분의 경우에 반복적으로 액체에서 기체로 상전이(phase transition, 位相轉移) 또는 기체에서 액체로의 상전이를 발생한다. 냉매는 그의 독성과 가연성(flammability, 可燃性), 염화불화탄소(freon gas, CFC, 프레온 가스)와 수소염화불화탄소(Hydro Chloro Fluoro Carbon)로 엄격한 규제를 받고 있으며 이 중에서 CFC, HCFC 냉매는 오존층을 파괴하여 기후변화(climate change, 氣候變化)를 일으키는 주범으로 간주된다.
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역사[편집]
첫 세대 에어컨과 냉동기는 암모니아(ammonia), 이산화황(sulfur dioxide, 二酸化黃), 염화메틸(methyl chloride), 프로판(propane)과 같이 독성 또는 가연성을 띤 기체를 냉매로 사용하였으며 이들이 누설할 때 사망 사고를 일으킬 가능성이 있었다.
1928년에 미국의 기계와 화학 엔지니어 토마스 미즐리(Thomas Midgley Jr)가 처음으로 난연성, 무독성의 염화플루오린탄소(염화불화탄소, chlorofluorocarbon, Freon(R-12))를 개발하였으며 DuPont(현재 Chemours)이 소유한 상표를 클로로플루오로카본(CFC: chlorofluorocarbon), 하이드로클로로플루오로카본(HCFC: hydrochlorofluorocarbon) 또는 하이드로플루오로카본(HFC: hydrofluorocarbon) 냉매의 상표로 하였다. 합성방법이 개선됨에 따라 R-11, R-12, R-123 및 R-502와 같은 CFC는 시장을 지배하였다.
CFC의 단계적 폐지[편집]
1980년대 초반에 과학가들이 염화불화탄소(CFC)가 지구를 둘러 싼 오존층을 파괴한다는 사실을 발견하면서 1989년에 단계적으로 염화불화탄소를 폐지하는 몬트리올의정서(Montreal Protocol)를 체결하게 되었다. 오존층은 자외선(ultra-violet radiation)을 차단하여 지구를 보호해주는 역할을 한다. 그 때 수소염화불화탄소(HCFC)가 기후변화를 야기시킨다는 지적은 없었으며 오존파괴지수(ODP: Ozone Depletion Potential)가 CFC보다 낮다는 이유로 1980년대부터 R-22, R-123 같은 HCFC가 에어컨이나 칠러에 적용되어 주민생활에 사용되었다. 후에 수소염화불화탄소 역시 오존층을 파괴할 수 있는 영향을 미친다고 발견되어 폐지대상으로 되었다.
1990년대와 2000년대에 R-134a,R-143a, R-407a, R-407c, R-404a 및 R-410a (R-125/R-32 50:50 혼합물)와 같은 하이드로플루오로카본(HFC: hydrofluorocarbon)이 CFC와 HCFC의 대체물질로 시장에서 마케팅이 추진되었다. 하지만, HFC는 오존층을 파괴하는 물질이 아니었지만 대기중에 수십년 유지되는 이산화탄소(CO2)대비 천배 이상의 지구온난화지수(GWP: global warming potentials)를 갖고 있었다. 2010년부터 신규 제품에 탄화수소(Hydrocarbon)와 HFO((hydrofluoroolefin)를 가용 냉매로 하였으며 HFO 냉매에는 R-32, R-290, R-600a, R-454b, R-1234yf, R-514A, R-744 (CO2), R-1234ze 및 R-1233zd가 들어 있다. 이러한 물질들은 없거나 낮은 ODP와 GWP를 갖고 있어 천연 냉매라고도 불리우고 있다.
1992년에 환경조직 그린피스는 전 동부 독일의 냉장고 회사에 자금을 제공하면서 오존 대체 물질과 기후변화에 안전한 냉매의 연구를 추진하였다. 회사는 이소펜탄(isopentane)과 이소부탄(isobutane)의 탄화수소 혼합물질을 개발하였으며 그린피스와의 계약조건에 따라 특허를 제출하지 않았다. 이 덕에 많은 회사들에서 이를 적용하면서 널리 전파되었다. 미국에서는 정책과 기업 경영진에서 추진하는 정치적인 영향으로 인해 냉매 전환에 장애가 있었으나 듀폰과 다른 회사들은 미국환경보호국과 공동으로 기존 냉매를 차단하였다.[1]
1994년 11월 14일부터 미국환경보호국이 청정공기법(Clean Air Act)의 609 조항과 608 조항에 따라 허가 받은 기술자들에만 냉매의 판매, 소유 및 사용을 허가하였으며 1995년에 독일에서 CFC 냉매를 금지시켰다.
1996년에 유럽에서 유럽의 회사와 연구기관 그리고 산업전문가들을 조직하여 천연냉매에 주력하는 비영리조직 유람몬(Eurammon)을 설립하였다.
1997년에 FC와 HFC를 기후변화를 대상한 기본협약 교토의정서(Kyoto Protocol)에 포함시켰으며 2000년에 영국에서 R22와 같은 HCFC 냉매를 오존 규제 대상품목에 넣었다.[2]
온실기체 관련 문제 해결[편집]
천연 냉매를 CFC, HCFC, HFC의 대체 냉매로 적용하는데 관한 관심이 커가면서 2004년에 그린피스는 코카-콜라, 유니래버(Unilever) 그 뒤에 펩시코(Pepsico) 및 기타 회사와 손을 잡고 냉매 천연화 회사 연합체를 구축하였다. 4년 뒤에 유니래버의 벤앤제리스(Ben & Jerry's)와 제너럴일렉트릭(General Electric)가 미국에서 천연 냉매의 생산과 사용을 추진하는데 동조하기 시작하였다. 추측으로는 냉장고와 에어컨의 75%가 천연 냉매로 바뀔 가능성이 있다.
2006년에 유럽에서 불소화 온실 기체(FC, HFC)를 대상한 규제를 실행하여 천연 냉매(탄화수소와 같은)로의 전환을 촉진하였다. 2010년에 일부 냉매가 기분 전환 약제(recreational drugs)로 사용되었다고 보고되면서 흡입제 남용(inhalant abuse)이라 불리우는 극히 위험한 현상이 발견되었다.
2011년부터 EU는 HFC-134a와 같이 자동차 에어컨에 사용되는 GWP 150 이상의 냉매를 단계적으로 폐지하기 시작하였으며 미국 환경보호국도 같은 해에 천연 냉매 제조사들에 혜택을 주기로 하였다.
비영리조직 드로우다운(Drawdown)의 2018년 연구결과는 적절한 냉매의 관리와 처분 방식을 기후 영향 솔루션 리스트에서 가장 유효한 방식으로 간주하였으며 그 영향은 미국에서 17년간 배출한 이산화탄소를 제거하는 것과 다름 없었다.
2019년에 CFC, HCFC, HFC가 인위적인 장기 온실 기체가운데서 10% 정도의 직접 복사강제력(Radiative forcing)에 책임이 있다는 추정이 나왔으며 같은 해에 유엔환경규획에서 자율 지침서를 발행하였다. 하지만 많은 나라들에서는 여직까지 '키갈리 수정안(Kigali Amendment)'에 관한 비준을 내리지 않고 있다.
2020년에 R-32 또는 R-600(이소부탄)을 적용한 주택용 에어컨, R-1234yf를 적용한 자동차 에어컨 시스템, 상용 냉동을 대상한 칠러, R-1234를 적용한 에어컨디셔닝, C02(R-744)를 적용한 상용 냉동으로 HFC(R-404a, R-134a, R-410a를 포함한)의 대체가 추진되었다.[2]
이상적인 냉매의 특징[편집]
- 이상적인 냉매는 부식성이 없고 독성이 없어야 하며 난연성이어야 한다.
- 오존층의 파괴(ozone depletion)를 일으켜서는 안 되고 지구온난화지수(global warming potential)가 없어야 한다.
- 목표 온도보다 약간 낮은 비등점(비록 압력을 조절하는 방식으로 비등점을 조절할 수는 있지만)
- 고기화열
- 액체형태의 적정한 밀도
- 기체형태의 상대적으로 높은 밀도(역시 압력을 조절하는 방식으로 밀도 조정이 가능하지만)
- 높은 임계온도[2]
냉매의 분류[편집]
냉매에는 3가지 분류가 있다.
- 클래스 1: 냉매의 잠열을 사용하여 상전이를 이용하여 냉각을 추진하는 냉매를 가리킨다.
- 클래스 2: 온도의 변화나 현열(sensible heat)을 이용하여 냉각을 추진하는 냉매를 가리키며 열량은 비열 용량(specific heat capacity)에 온도 변화를 곱하여 얻는다. 이들에는 공기, 염화칼슘 브라인(calcium chloride brine), 염화나트륨 브라인(sodium chloride brine), 알콜 기타 유사한 부동액들이 들어 있다. 클래스 2 종류의 냉매는 클래스 1 종류의 냉매에서 온도의 인하를 접수하고 낮은 온도를 냉각이 필요한 곳으로 전달하는데 있다.
- 클래스 3: 그룹은 액화제 또는 냉각 매체의 흡수증기를 함유한 용액으로 구성된다. 이러한 용액은 본질적으로 액화할 수 있는 증기를 운반하며 증기는 용액의 열을 흡수하여 냉각 효과를 생성한다. 이는 여러 분류에 편입될 수 있다.[2]
각주[편집]
- ↑ Sigrid Totz, "Der Greenfreeze - endlich in den USA angekommen", Greenpeace, 2011-12-28
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 "Refrigerant", Wikipedia
참고자료[편집]
- "Refrigerant", Wikipedia
- NewBis, 〈냉매의 원리와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-26
같이 보기[편집]
