LiBr-LiNO3-LiCl 작동매체를 이용한 흡수식 냉난방기의 이론적 성능해석

주우성, 김희택, 오영삼*, 백영순*

한양대학교 화학공학과, *한국가스공사 연구개발원

Simulation of Performance Characteristics of an Absorption Chiller Using LiBr-LiNO3-LiCl System.

W.S. Ju, H.T Kim, Y.S. Oh*, Y.S Baek*

Dept. of Chemical Engineering, Hanyang University,

*KOGAS R&D Center

서  론

최근엔 쾌적한 생활추구에 의한 가정용 냉난방기 수요가 급격히 증가하여 전기 냉방 부하완화의 일환으로 가정용 흡수식 냉난방기 개발 노력들이 많이 요구되고 있다. 따라서 기기의 효율을 좌우하는 작동매체의 중요한 물성중 하나인 수증기 흡수성 향상은 매우 필요하다. 즉 작동매체가 고농도일수록 수증기 흡수성은 증가하나 이에 수반되는 안전성 문제가 발생되므로 수증기 흡수성 저하가 없는 고용해성 작동매체를 개발이 필요하다. 본 연구에서는 LiBr에 증기 흡수성, 내식성, 안전성 특성을 지닌 LiNO3와 LiCl을 첨가하여 4성분계 LiBr-LiNO3-LiCl -H2O에 대하여 58∼68wt% 농도에서 최적 몰비를 구하였고, 이들에 대한 증기압 측정하였으며, 이들의 물성치로부터 P-T-X Duhring Chart와 H-T-X Chart를 작성하여 이론적인 성능계수(COP) 구하여, 고성능 작동매체로서 가능성을 전산모사하였다.

이  론

Absorption Cycle of Double Effect Absorption Chiller

Fig. 1.는 이중효용 흡수식 냉난방기 공정도이며, 두 개의 재생기와 응축기, 증발기, 흡수기, 두 개의 열교환기로서 구성된다. 고온재생기에 용액가열 농축의 발생된 냉매증기를 저온 재생기의 용액가열에 재이용하는 것으로서 일중효용장치에서 응축기에 버리는 열을 유효활용하는 장치이다. 그러므로 성능계수는 일중효용장치에 비해 약 50%증가와 고온 재생기에 들어가는 열량(Qg)는 40%정도 감소하며, 폐열은 30%정도 감소를 기인 할 수 있다.[1]

P-T-X Duhring Chart

3성분계 LiBr-LiNO3-H2O와 4성분계 LiBr-LiNO3-LiCl-H2O의 용해도와 증기압 특성을 고찰하여 최적의 몰비를 찾았으며, 농도별로 측정된 증기압 결과를 아래의 Antonie type Equation(1)에 상관 관계지어 작동매체의 운전 가능한 온도 및 압력 범위의 P-T-X diagram Duhring Chart를 작성하였다.

Fig. 1. Schematic Diagram of the Double Effect Absorption Chiller.

[eqn: logP~ =~ sum from i=0 to 6 ~(Ai + 1000Bi over T-43.15 )~ X i]    (1)

Ai 와 Bi는 최소자승법에 의해 구하여진 상관관계수들로서 본 실험에서의 결과는 Table. 1. 2.에 나타내었다.[2]

Heat Capacity

4성분계 LiBr-LiNO3-LiCl-H2O의 여러 가지 농도를 공냉형 흡수식 냉난방기의 흡수기온도를 40℃로 가정하여 이때의 Cp를 Isoperibol Solution Calorimeter을 사용하여 측정하였다. Cp값은 온도따라 변화가 거의 없으므로 다양한 온도의 범위에서는 측정을 하지 않았다. 가열 과정에서 유입된 열량은 정확히 계산될 수 있으며 이 열량과 컴퓨터를 통하여 계산된 온도 변화는 다음 식을 통하여 용액의 비열을 계산하는데에 사용된다.

[eqn: C_p ~= ~( ~Q over DELTAT - epsilon ~ )~m]       (2)

여기서 Q는 heating 과정에서 유입된 열량의 총량이며, [eqn: DELTA T]는 이때의 온도 변화, m은 용액의 질량, Cp는 비열, [eqn: epsilon]은 장치가 가지고 있는 열용량이다.

H-T-X Chart

앞에서 나온 Duhring Chart와 열용량을 바탕으로 H-T-X Chart를 작성하였으며, 아래의 (3)식에 상관관계 하였다.[3]

[eqn: H(X,T)~=~A(X)+B(X)T~+~C(X)T^2]    (3)

[eqn: A(X)=SUM from { i=0 } to { 4 } AiX^i],  [eqn: B(X)=SUM from { i=0 } to { 4 } BiX^i],  [eqn: C(X)=SUM from { i=0 } to { 4 } CiX^i]

여기서 H=enthalpy, kJ/kg, X=concentration, wt%, T=solution Temperature

Theoretical Coefficient of Performance(COP)

흡수식 냉난방기의 성능계수는 (3)식에 의해 구하여지며, 용해도, 증기압, Cp regression Coefficient와 H-T-X Chart Coefficient를 상관관계하여 이론적인 성능계수인 COP를 구하였다. 이론적인 COP 계산시에는 흡수기와 재생기에서 나오는 용액을 열역학 평형상태를 유지하며, 응축기에 나오는 냉매와 증발기에서 나오는 냉매는 포화액체상태, 포화증기상태라고 가정하였다. ( Pg=Pc, Pa=Pe )

[eqn: COP = {refrigeration ~rate} over {rate~ of~ heat~ addition~ at ~g enerator}]        (4)

일반적으로 흡수식 일중효용 경우 COP값은 1이하이며, 이중효용은 1이상이다. 흡수Cycle에서의 이론적인 COP는 모든단계는 주어진 조건에서 평형에서 운전된다는 가정하에서 물질수지와 에너지 수지에의해서 계산되어질 수 있다. 따라서, 흡수제와 냉매의 열역학적 특성은 Cycle의 각단계에서 나타내어질것이다.

Heat Exchanger

열교환기의 효율은 다음과 같이 정의된다.

[eqn: {T_{hot, i n} - T_{hot, o u t}} over { T_{hot, i n} - T_{"cold", i n} } ~ = ~ { T_{c old, o u t} - T_{c old, i n}} over {T_{hot, i n} - T_{" cold", i n} }~ = ~epsilon]  (0≤□≤1)  (5)

본 연구에서는 제 1열교환기의 효율을 80%, 제 2열교환기의 효율을 85%로 가정하여 계산하였다.

결과 및 고찰

본 연구에서 LiBr-LiNO3-LiCl-H2O 작동매체에 대해서 이론적인 성능계수(COP)를 계산하였다. Fig. 2. 3.에 증발기온도(Te)를 5, 7℃, 흡수기온도(Ta)는 40, 45, 50℃의 경우 재생기온도(Tg)를 변화시켜 COP를 구하였다. 같은 흡수기온도(Ta)에서는 재생기온도(Tg)가 증가함에 따라 COP가 증가하는 것을 알 수 있었다. 같은 재생기온도(Tg)에서는 흡수기온도(Ta)가 증가하면 COP는 감소하였으며, 같은 흡수기온도(Ta)와 동일한 재생기온도(Tg)에서는 증발기온도(Te)가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다.

그러나 기존의 LiBr계의 COP보다 조금 낮은 결과를 얻었지만, 흡수기와 재생기사이에서의 작동범위는 조금 증가한 것으로 나타났다.

Nomenclature

H :	Enthalpy per unit mass [kg/kg]	X :	Concentration [wt%]
Q :	Heat load	m :	weight [g]
COP :	Coefficient of Performance	T :	Temperature
Tg :	Temp. of Generator	Te :	Temp. of Evaporator
Ta :	Temp. of Absorber	Tc :	Temp. of Condenser

참고문헌

1. Iyoki, S., Iwasaki, S., Uemura, T. : Int. J. Refig. 17, 3, (1994)

2. 박영, 김진수, 이흔 : Theories and Applications of Chem. Eng., 2, 1. (1996)

3. Byong-Hun Min : HWAHAK KONGHAK, 34, 2. (1996)

Table. 1. Coefficients for the Equation of Vapor Pressure

Correlation. (LiBr-LiNO3-H2O)

	Constant		Constant
A0	4.29276157981×102	B0	-2.070639689684×102
A1	-1.1765739467×10	B1	0.91679671219201×10
A2	8.19314031867×10-2	B2	-8.7956341275329×10-2
A3	3.00351743193×10-3	B3	-7.0093108025066×10-4
A4	1.40806223338×10-3	B4	-4.3467130180843×10-6
A5	-1.14525237192×10-6	B5	4.05132619143475×10-7
A6	7.927113093093×10-9	B6	-2.90737393888254×10-9

Table. 2. Coefficients for the Equation of Vapor Pressure Correlation.(LiBr-LiNO3-LiCl-H2O)

	Constant		Constant
A0	50.882943139×102	B0	-9.2473408135663×102
A1	-3.631244488×102	B1	5.932943171357812×10
A2	9.567152	B2	1.240132095229021
A3	-1.005714326329×10-1	B3	3.505125216418553×10-3
A4	7.2882472650905×10-6	B4	2.140025228212295×10-4
A5	7.2611436264516×10-6	B5	-2.85776119472898×10-6
A6	-3.7631579258947×10-8	B6	1.112385496455855×10-8

Fig. 2. COP vs Tg in a Double

Effect Absorption Chiller at Te=5℃.

Fig. 3. COP vs Tg in a Double

Effect Absorption Chiller at Te=7℃.