가정용 흡수식 냉방기의 신용액 물성 측정 및 분석

주우성, 김희택, 오영삼*, 백영순*

한양대학교 화학공학과, *한국가스공사 연구개발원

The Measurement and Analysis on the Physical Properties of

New Working Fluid used in Domestic Absorption Chiller

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

Deprt. of Chemical Engineering, Hanyang University, *KOGAS R&D Center

서  론

여름철 전력 과부하 완화, 지구환경문제 및 가스 수요공급의 균형유지 측면에서 가스 흡수식 냉방기 보급이 요구 되고 있으며, 최근엔 쾌적한 생활추구에 의한 가정용 냉방기 수요가 급격히 증가하여 전기 냉방 부하완화의 일환으로 가정용 흡수식 냉방기 개발 노력들이 많이 이루어지고 있다. 따라서 기기의 효율을 좌우하는 작동매체의 중요한 물성중 하나인 수증기 흡수성 향상은 매우 필요하다. 즉 작동매체가 고농도일수록 수증기 흡수성은 증가하나 이에 수반되는 증기 흡수성과 안전성 문제가 발생되므로 수증기 흡수성 저하가 없는 고용해성 작동매체를 개발이 필요하다. 본 연구에서는 LiBr에 증기 흡수성, 내식성, 안전성 특성을 지닌 LiNO3와 LiCl을 첨가하여 3성분계LiBr-LiNO3-H2O 와 4성분계 LiBr-LiNO3-LiCl-H2O에 대하여 58∼68wt% 농도에서 최적 몰비를 구하였고, 이들에 대한 증기압 측정하였으며, 이들의 물성치로부터 Duhring Chart를 작성하여 고성능 작동매체로서 가능성을 실험하였다. [1]

실  험

본 실험에 사용된 시료로는 99+% LiBr(Aldrich)와 첨가제로 무기물 98+% LiNO3 (Aldrich)와 99+% LiCl(Aldrich)를 사용하였으며, 농도범위는  58∼68wt%에서 각각의 몰비를 변화하면서 3성분계 LiBr-LiNO3-H2O와 4성분계 LiBr-LiNO3- LiCl-H2O의 용해도와 증기압 특성을 고찰하였다. 본 실험에사용된 용해도와 증기압측정 장치는 그림 1.2에 나타내었다. 용해도 측정은 visual polythermal 방법에 의하여 결정화온도를 측정하였으며, 장치로서 평형cell, 항온조, thermometer등의 주요 3개 부분으로 구성되었다. 평형cell내에 원하는 농도로 제조된 시약을 넣은 후 예상 결정생성온도보다 약10℃정도 높은 온도에서 모든 cluster를 모두 제거한 후 0.1℃/min의 냉각속도로 온도를 하강시키면서 첫결정이 생성되는 온도를 3회 측정하여 평균치를 취하였다. [2]

흡수용액의 증기압은 약 2800 Pa 이상의 압력범위에서 boiling point method를 이용하여 측정하였다. 증기압측정시 측정용액을 플라스크 내에 넣은 후 진공 펌프를 이용하여 시스템내를 진공으로 유지시킨후 원하는 압력에서 온도를 조금씩 상승시키면서 시스템의 압력과 온도가 변하지 않을 때 그대의 평형압력과 온도를 취하였으며 시스템의 압력을 조극씩 증가시키면서 용액의 온도가 160℃가 넘지 않을때까지 측정하였다.[3]

농도별로 측정된 증기압 결과를 아래의 Antonie Equation으로 상관 관계지어 작동매체의 운전 가능한 온도 및 압력 범위의 P-T-X diagram Duhring Chart를 작성하였다.[4]

[eqn: log(P)~ =~ sum from i=0 to 5 ~(Ai + 1000Bi over T-43.15 )~ X i]

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

결과 및 고찰

본 연구에서 제작 사용한 물성 시험장치인 용해도와 증기압 측정의 신뢰도확인을 위하여 순수한 물과 임의의 용액에대하여 측정한 결과 Perry's handbook와 ASHREA등과 같은 문헌치와 잘 일치하고 있음을 확인하였다.  따라서 흡수식냉방기의 작동법위의 농도에서 물성 향상을 위해 3성분계 LiBr-LiNO3-H2O혼합물과 4성분계 LiBr-LiNO3-LiCl-H2O 혼합물의 용해도와 증기압을 측정 실험한 결과 3성분계의 경우 LiBr 성분 5몰에 대해 LiNO3 성분을 1~7몰로 첨가량을 변화시킴에 따라 혼합물의 결정 생성온도는 점점 감소하는 경향을 보이고 있으나, LiNO3 성분이 1몰 이상에서는 차이가 없는 것으로 나타나 LiBr과 LINO3의 최적 몰비는 5 : 1로 보여진다. 그러나 LiNO3 첨가는 증기압에 대해서는 별 영향을 주지 못하는 것으로 나타났으나 이러한 물성으로부터 구한 Duhring 선도로부터 작동범위를 기존보다 넓힐수 있음을 알 수 있었다. 한편 앞서 언급한 3성분계의 최적조건에서 증기압이 낮고 안전성이 우수한 LiCl 성분을 첨가한 4성분계의 경우는 LiNO3 1몰에 대해 LiCl 성분을 1~4몰로 변화시켰을때 LiCl 첨가의 영향은 2몰까지는 용해도 용해도 증가에 큰 영향을 주지 못하나 2몰 이상에서는 결정생성온도가 급격히 증가됨을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Iyoki, S., Yamanaka, R., Uemura, T. : Int. J. Refig., 16 (3), 191, (1993).

2. Iyoki, S., Iwasaki, S., Uemura, T. : J. Chem. Eng. Data, 38, 3, (1993).

3. Iyoki, S., Iwasaki, S., Uemura, T. : J. Chem. Eng. Data, 35, 4, (1990).

4. 오영삼, 주우성, 박달령, 조원일, 백영순 : 에너지 공학회 추계학술대회 (1996)

Table. 1. Coefficients for the Equation of Vapor Pressure Correlation.

	Constant		Constant
A0	15.5819×102	B0	-93.8604×10
A1	-51.8270	B1	40.4378
A2	-3.3475×10-1	B2	-2.7437×10-1
A3	2.3407×10-2	B3	-7.6518×10-3
A4	-1.6351×10-5	B4	5.5517×10-5
A5	-4.7400×10-6	B5	1.2362×10-6
A6	3.4414×10-8	B6	-1.135×10-8