브라인

[정종태]

1. 브라인의 종류

"브라인"이라고 하는 명칭은 원래 "염수(鹽水)"를 말한다.

염류를 물에 녹이면 물의 동결온도가 낮아지며 이것을 "빙점강하"라고 한다.

냉동에서 사용하는 브라인에는 염화칼슘 또는 염화나트륨(소금)이 많았으나 에틸렌글리콜계나 프로필렌글리콜계의 수용액도 금속에 대한 부식성을 억제할 수 있으므로 많이 사용된다. 또한 R-11 등 동결 온도가 낮은 냉매를 염의 수용액은 아니지만 브라인이라 부르며 사용하기도 한다.

2. 염화칼슘 브라인의 특성

염화칼슘 브라인의 특성을 [그림 1]에 나타내었다.

염화칼슘의 농도는 "물과 염화칼슘의 합계중량에 대한 염화칼슘의 중량"을 %로 나타낸다.

[그림 1]에서 동결점 곡선은 브라인의 온도를 낮출 때 얼음을 석출하기 시작하는 온도를 연결한 선이다.

A상태의 브라인을 냉각하면 B점의 온도에서 얼음의 석출이 시작되며 석출된 얼음만큼 염화칼슘의 농도가 상승한다.

냉각을 계속하면 B∼E 곡선(동결점 곡선)을 따라 농도가 상승하고 온도는 낮아진다. 용액과 얼음과의 평형에서는 자유도의 수는 2이므로 대기압에서 온도를 지정하면 용액의 농도가 정해진다. 이 온도와 농도의 관계가 동결점 곡선이다. 또한 물에 염화칼슘을 녹일 때 염의 양이 많으면 모두 녹지 못하고 여분은 염의 알맹이 상태로 남는다. 더 이상 용해하지 않는 상태를 그 용액의 "포화상태"라고 한다. 포화상태의 농도와 온도의 관계는 [그림 1]의 N~E로 나타난다.

동결점 곡선과 포화농도 곡선은 E점에서 하나로 만난다. E점의 고체를 "공정체(共晶體)"라고 한다.

염화칼슘 브라인의 공정점은 -55℃고 농도는 29.9%이다.

[표 1]는 염화칼슘브라인의 용액표이고 [표 2]는 염화나트륨(소금)브라인의 용액표이다.

표 중의 "보메도"란 액체의 비중을 나타내는 수치로 다음과 같다.

보메도 = 144.3 - 144.3/비중

브라인 온도가 낮은 상태에서는 공기 중의 수분을 응축시켜 흡수하므로 점점 희박하고 가볍게 된다. 그러므로 비중을 측정하여 비중이 낮아졌으면 희박해진 브라인을 빼내고 염화칼슘을 추가해서 적절한 농도로 유지해야 한다.

염화칼슘 브라인, 염화나트륨 브라인은 금속에 대한 부식성이 있으므로 부식방지제를 첨가해서 사용한다.

3. 브라인의 체적비열과 소요 유량의 계산

일반적으로 브라인의 사용방법은 [그림 4]의 M∼E선과 N∼E선 사이에 있는 액체 상태를 사용하고 그 현열을 이용한다.

브라인 중에 염의 알맹이, 또는 얼음조각이 섞여 있는 상태는 일반적으로 사용하지 않는다. 냉동부하에 대해서 브라인의 체적유량을 결정하려면

q : 냉동부하(kcal/h)

Vb : 브라인의 체적유량(ℓ/h)

γ : 브라인의 비중(kg/ℓ)

c : 브라인의 비열(kcal/kg℃)

tb1 tb2 : 냉동장치의 입구, 출구에 서의 브라인 온도(℃)라 할 때,

q = Vb γ c ( tb2 - tb1)

이므로 γ·c의 값을 구해두면 편리하다.

동일한 냉동부하 q에 대해서 γ·c의 값이 클수록 브라인 유량은 적어진다. 염화칼슘, 염화나트륨브라인인 경우 농도가 높으면 γ·c의 값은 적어진다. 브라인 유량을 될 수 있는한 적게 하여 브라인펌프의 동력을 감소시킨다.

브라인배관의 직경을 가늘게 설계하기 위해서 될 수 있는 한 농도를 묽게 해서 사용하는 것이 좋다. 그러나 냉동기의 증발온도와 동결점이 너무 접근하면 동결을 일으킬 가능성이 있으므로 보통 동결점을 증발온도보다 5∼6℃ 정도 낮게 하고 있다.

γ·c의 값을 "체적비열"이라고 하며, 「kcal/ℓ℃」의 단위를 갖는다.

마지막으로 [그림 5]에 염화칼슘브라인의 체적비열을 나타내었다.