HFC152a/Propane 혼합냉매의 기-액 평형에 관한 실험적 연구

Abstract

현재 사용 중인 대체 가능한 냉매들로 개발된 HFCs 냉매가 지구온난화의 원인을 제공하고, 교토 의정서에 의해 규제 물질로 선정되었다. 따라서 선진국들을 중심으로 친환경적인 특성을 갖는 자연냉매를 이용한 연구와 시스템 개발이 이루어지고 있는 실정이다. 대체냉매의 개발에 있어 기존의 냉매를 사용하던 냉동 시스템에 대체냉매를 그대로 사용하는 것이 제일 좋지만, 기존에 사용하던 냉매에 대하여 시스템의 수정 및 변화는 불가피하며, 이에 따라 대체냉매의 물성치를 고려한 시스템의 재설계와 제작이 필요하다. 시스템의 재설계와 제작 과정에서 대체냉매의 열역학적 물성 및 전달 물성에 대한 정확한 자료가 필요하다. 또한 대체냉매로서 제시되고 있는 냉매들 중의 다수는 2성분 또는 3성분으로 구성된 냉매들이 어서, 이와 같은 혼합냉매의 물성에 관한 연구가 필요하다. 혼합냉매의 열역학적 물성을 추산하기 위해서는 혼합물을 구성하는 순수물질 상호간의 관계에 대하여 연구가 필요하며, 기-액 평형 자료는 반드시 요구된다. 기-액 평형 실험방법에는 크게 정지법, 유동법, 순환법이 있다. 본 연구에서는 이들 방법 중 순환법을 기초로 하여 실험장치를 구성하였으며, 실험장치는 크게 평형장치, 시료 채집 및 분석장치, 냉매공급장치로 구성되어 있다. 이 중 가장 핵심부분은 평형장치이며, 평형셀과 마그네틱 펌프로 구성되어 있다. 실험 자료를 이용하여 열역학적 물성을 추산할 수 있는 상태방정식에는 여러 가지 방정식이 있으나 본 연구에서는 Carnahan-Starling-DeSantis(CSD), Peng-Robinson(PR), Relich-Kwong-Soave(RKS) 상태방정식을 이용하여 혼합냉매의 기-액 평형을 계산하였다. 혼합냉매의 기-액 평형 연구는 HFC 계열의 안정성과 탄화수소의 우수한 열역학적 특성을 상호 보완하고자 HFC 계열의 HFC152a와 탄화수소 계열의 Propane으로 선정하였다. 본 연구에서 HFC152a/Propane 계에 대해서 0℃~40℃의 온도범위에서 0.2~0.8 몰분율에서 45개의 기-액 평형 값을 얻었다. 실험에서 얻은 기-액 평형 자료를 이용하여 각 상태방정식에 대한 상호작용계수를 제시하였다. 상호작용계수는 넓은 실험조건에서 활용할 수 있도록 모든 실험조건을 이용하여 온도에 대한 1차식으로 근사화하여 제시하였다. 상태방정식에 의한 오차를 살펴보면 상태방정식으로 계산된 압력의 대수평균오차는 CSD 상태방정식의 경우 계산된 압력의 대수평균오차는 2.469 %이며 기상 몰분율의 대수평균오차는 2.717 %이고, PR 상태방정식의 경우 계산된 압력의 대수평균오차는 2.297%이며 기상 몰분율의 대수평균오차는 3.217%이고, RKS 상태방정식의 경우 계산된 압력의 대수평균오차는 2.337%, 기상 몰분율의 대수평균오차는 3.217%이다. Propane 몰분율 0.73 근방에서 공비점이 나타났다.