흡착식 열펌프용 열전도성 블록의 제조 및 특성 연구

은 태 희, 한 종 훈, 이 건 홍

포항공과 대학교 화학공학과

Manufacture and characteristics of heat conductive blocks for adsorption heat pump

Tai-Hee Eun, Jong-Hun Han, Kun-Hong Lee

Dept. of Chem. eng. Pohang Univ. of Sci. and Tech.

서론

흡착식 열펌프는 흡착제로서 실리카겔, 제올라이트, 활성탄, 활성알루미나 등을 사용하고 작동유체로서 비프레온계 냉매인 물, 메탄올, 암모니아 등을 사용한다. 흡착식 열펌프는 무공해성 및 고안전성을 가지고 있으므로, 지구 환경 문제에 대한 대처기술로 또 현재 까지 미 이용되고 있는 80℃이하의 폐열회수 시스템으로 주목 받고 있다[1]. 그러나 흡착식 열펌프는 작동시 고체-기체 흡착반응에 의한 발열 및 흡열현상이 수반되며, 미세 기공을 가진 흡착제 입자층은 열전도도가 매우 낮아 생성된 열을 쉽게 발산하지 못하므로 국부적으로 흡착제의 온도가 높아져 반응속도가 급격히 저하된다. 이는 흡착제의 재생과정에서도 마찬가지이며, 이러한 열 전달의 제약으로 인해 기체의 확산속도도 느려지게 된다. 본 실험에서는 흡착제인 실리카겔에 열전도도가 높은 팽창 흑연을 섞어 바인딩하는 방법으로 열전도도 및 흡착제측벽에서의 열 전달 계수를 향상시킨 고효율의 흡착 블록을 만들고, 성형된 만들어진 블록에 대하여 열전도도, 흡착량 및 물질전달 특성을 관찰하였다.

실험

실험에 사용된 블록은 입자의 크기가 250 ∼ 500□인 실리카겔(W.R. Grace & Co.-Cpmm. Davison 408) 과 600℃에서 10분간 열처리한 팽창흑연(expanded graphite)을 여러 가지 비율로 섞어 몰드와 프레스를 이용하여 성형하였다. 성형체는 80℃ 에서 1시간 열처리를 거친 다음 진공 오븐(Precision scientific Inc., Model 5831 Vacuum oven)에 넣어 압력 0.018bar, 온도 145℃에서 2시간 이상 열처리를 하여 물을 제거하였다. 성형된 블럭의 열전도도는 전이 일차원 열류 기법(Transient one-dimensional Heat Flow Technique)을 이용하여 측정하였으며  실험에 사용된 시편은 약 6×7×10mm의 직육면체 형태이며, 실험 조건은 진공, 30℃이다. 흡착량은  quartz spring balance (De Leone Corp., 4501-11)를 사용하여, 실리카겔-팽창흑연 혼합비(weight based)를 달리한 시편에 대해 303K, 318K, 333K, 353K의 온도에서 평형흡착량을 측정하였다. 기체투과도 측정에 사용된 기기는 Automated Capilary Flow Porometer(PMI) 이며 사용된 유체는 공기, 압력 범위는 0.1∼40 psi이다. 기체투과도는 실리카겔-팽창 흑연의 혼합비, 성형 압력을 달리한 시편에 대해 행하였다.

결과 및 토론

1. 열전도도

열전도도의 측정은 시편을 슬랩(slab)으로 가정하여 heat equation을 풀어 수학적인 해를 구하고, 시편과 써미스터 경계면에서의 시간에 따른 온도 변화를 측정하여 구한 해와 비교하게 되며 직선성이 좋은 영역에서 linear regression 을 통해 열전도도를 구하게 된다[2]. 실험을 통해 구한 블록의 열전도도는 Fig.1. 과 같다. 블록의 열전도도는 복합체 내 팽창 흑연의 무게 비에 크게 의존하는 경향을 보인다. porous system의 경우 복잡한 크기와 모양의 기공과 기공내부의 물질 및 solid particle로 이루어져 있기 때문에 열전도도를 계산하거나 예측하기는 어렵다. 그러나 실리카겔-팽창흑연 블록의 경우 팽창흑연의 열전도도가 실리카나겔이나 수증기 및 공기의 열전도도에 비해 현저히 높기 때문에 실리카겔 만으로된 흡착 블록(Packed bed type)의 유효 열전도도[3]보다 향상됨을 알 수 있다.( Table 1.)

Table 1. Thermal conductivities of material and adsorption bed

	silica-gel grain(□s)	air(□a)	water vapor (□w)	silica-gel packed bed (□e)	silica-gel & expanded graphite block(□e)
열전도도 (W/mK)	1.52	0.026	0.017	0.26	4∼11

2.흡착량

흡착 압력을 일정하게 유지한 상태에서 흡착제의 온도를  변화시키면서 평형 흡착량을 측정하였으며 블록내 팽창흑연의 무게비를 달리한 각각의 블럭에 대한 평형 흡착량은 Fig.2. 와 같다.  팽창 흑연의 경우 흡착량(0.03 g H20/g graphite)이 작고 혼합비가 작기 때문에 실리카겔-팽창 흑연 블럭의 전체 흡착량은 블럭 내 실리카겔만의 흡착량과 같다고 볼 수 있다. 따라서, 혼합비가 2:1일 경우는 30℃, 포화압력에서 흡착량의 현저한 감소를 보인다.

3. 기체 투과도

복합체의 혼합비, 성형 압력을 달리하여 기체투과도를 실험한 결과는 Fig.3. 과 같다. 기체 투과도는 성형압력이 작을때에는 유체가 흐를 수 있는 대부분의 통로(channel)를 팽창 흑연이 제공해서 팽창 흑연의 혼합비가 커짐에따라 기체투과도가 커진다. 그러나 성형압력이 커짐에따라 팽창흑연이 판상형태로 눌리므로 기체투과에 저항을 주게되어 기체투과도 값이 급격히 줄어든다. 단일 크기의 기공을 가지는 막의 경우는 단일한 값의 투과도를 가지지만, 실리카겔-팽창 흑연 복합체의 경우는 복잡한 기공 구조를 가지므로 압력차에 대해서 투과도가 민감하게 변한다. 이러한 이유로 넓은 범위의 투과도 값을 가지게 되며 실험을 통해 측정된 투과도는 10-11∼10-13m2 으로 제올라이트와 팽창흑연의 복합체의 기체투과도[4]와 비교해 보면 비슷한 값을 가진다.

흡착식 열 펌프가 좋은 성능을 가지기 위해서 블록이 가져야할 특성으로 열전도도 1W/mK이상, 측벽에서의 열 전달 계수 200W/m2K 이상 그리고 기체 투과도 10-12m2이상이 제안되고 있으며[5], 이를 기초로 최적의 블럭의 성형 조건을 잡아야 한다. 실리카겔-팽창 흑연 복합체는 물질 전달 및 열 전달 특성이 복합체 내의 팽창 흑연의 무게 비에 가장 크게 의존하므로 잘 설계된 블록은 흡착식 열펌프의 성능을 크게 향상시킬수 있을 것이다.

참고문헌

1.	조순행 외, 흡착제를 이용한 에너지 절약 시스템 개발, 과학기술처(1990)]

2.	Log,T.: "Rev. sci. Instrum.", 64(7), 1956(1993)

3.	Bjurstrom,H., Karawaki,E. and Carlsson,B.: "Int. J. Heat Mass Transfer", 27, 2025(1984)

4.	Meunier,F.: "Heat Recovery systems & CHP.", 13, 289(1993)

5.	Guilleminot, J.J, Chalfeb,J.B. and Choister,A.: "International Adsorption Heat Pump Conference", AES-vol.31, 401(1993)