가정용 흡수식 냉난방기의 H2O-LiBr-LiNO3-LiCl-ZnBr2 신작동매체의  물성측정 및 분석

윤혁민, 김희택

한양대학교 공학대학 화학공학과

Measurement and Analysis on the Physical Properties of New working Fluid using H2O-LiBr-LiNO3-LiCl-ZnBr2 used in Domestic Chiller

Hyoc-Min Youn, Hee Taik Kim

Dept. of Chemical Engineering, Hanyang Univ., 425-791 Ansan, Korea

서론

최근 환경문제가 세계적인 공동의 관심사가 되고 있다.그 중에서도 프레온(CFC)에 의한 오존층 파괴 문제에 대한 국제적인 규제 시기가 가까워 지면서, 냉방기 산업에서 물이나 암모니아와 같은 환경에 무해한 냉매를 사용하는 흡수식 냉방기에 대한 관심이 높아지고 있으며, 또한 흡수식의 열원으로 전력수요와 상충되는 동고하저 현상이 나타나는 가스를 이용 여름철 냉방기의 동력원을 전기에서 가스로 전환시켜 에너지 수급문제 해결측면에서 큰 관심을 불러 일으키고 있으며, 이미 중·대형 건물에 대한 가스 냉난방기의 보급은 해마다 증가하고 있다.  흡수식 냉난방기의 보급이 확대되면서 적용범위가 수냉공조용 열원기기에 한정되어 있는 것을 공냉화, 소형화에 적용하기 위한 연구가 계속 진행중이다.  이에 따른 새로운 냉매와 흡수제 개발이 중요한 과제로 인식되고 있고, 특히 흡수식의 고효율화, 소형화를 위해 새로운 작동매체에 대한 많은 연구가 진행중에 있다. 본 연구에서는 기존의 H2O-LiBr계에 증기 흡수성, 내기성 특성을 지닌 LiNO3와 LiCl을 첨가한 H2O-LiBr-LiNO3-LiCl계에 용해도를 향상 특성이 우수한 ZnBr2[1]를 첨가한 H2O-LiBr-LiNO3-LiCl-ZnBr2용액의 물성 특성들에 대해 연구를 행하였다.[1] 우선, H2O-LiBr-LiNO3-LiCl계는 기존의 발표된 논문의 몰비를 토대로 하여 ZnBr2를 68∼80wt %범위에서 첨가하여 용해도 특성을 고려하여 최적의 몰비를 구하였고 최적 몰비의 용액에 대하여 68∼80 wt% 범위에서 용해도 측정과 증기압 측정을 행하였다.[2]

이론

흡수식 냉난방기 시스템은 고진공하에서 수용성 작동매체를 지닌 폐쇄회로로 구성되어 있는데, 시스템의 증발부 코일 외부에 흐르는 냉매는 코일 내부의 냉수로부터 증발 잠열을 빼앗아 증발하므로서 냉각되어진다. 생성된 냉매 증기는 흡수부로 유입, 코일 외부의 작동매체 흐름에 흡수되어진다. 즉, 흡수부의 작동매체에 의해 생성된 낮은 압력은 증발기에 전달되어 활발한 냉매 증발이 이루어진다.이러한 2중효용 흡수사이클은 증발기,흡수기, 고온재생기, 저온재생기, 응축기로 구성되어 있다. 증발기는 응축기에서 보내진 냉매액을 고진공하에서 냉수코일 표면에 산포시키면 코일내에 흐르는 물로부터 증발잠열을 빼앗아 저온에서 증발할 때 냉수를 제조한다. 흡수기는 증발기를 고진공시키기 위해 증발기에서 재생한 냉매증기를 저온 재생기로부터 저온열교환기를 지난 농용액에 흡수시키기 위해 증발기를 고진공으로 유지시키며 냉동능력을 유지시킨다. 고온재생기는 흡수기로부터 저온,고온 열교환기를 통해 보내진 희용액은 고온재생기에서 가열되어 냉매증기를 발생시키고, 용액의 농도를 높여준다. 저온재생기는 고온재생기에서 일단 농축된 중간용액을 고온재생기에서 발생된 냉매증기를 열원으로 하여 한번 더 농축시켜 냉매증기를 발생시키고 농용액을 만든다.응축기는 저온재생기에서 발생된 냉매증기는 여기서 냉각수에 의해 냉각되어 응축되고 저온재생기에서 응축된 냉매액과 혼합시킨다. 신작동매체는 작동범위가 LiBr-H2O계와 비교할 때 꽤 광범위하여야 하고, 결정화가 없고, 낮은 증기압을 가져야 한다. 기존의 물-LiBr-

LiNO3-LiCl계 (5:1:2 mole ratio)에 ZnBr2를 넣어서 각각 농도를 변화시키며 용해도를 행하여서, 물-LiBr-LiNO3-LiCl계에 비해 용해도 특성이 크게 향상되는 것을 확인하였고, 희석열이나 엔탈피와 같은 용액특성을 계산할 수 있는 증기압 데이터를 실험을 통해 얻었다.

실험

본 실험에 사용된 시료로는 99+% LiBr, 98+% LiNO3, 99+% LiCl을 사용했고, 첨가 무기물로 98+% ZnBr2를 사용했다. 본 실험에서는 농도범위를 68∼80wt%에서 주어진 몰비에 첨가 후 용해도와 증기압의 특성을 고찰하였다. 시료의 용해도는 visual polythermal method[3]을 이용하여 측정하였다. 결정화 온도 측정은, LiBr 및 첨가 무기물을 완전히 용해시키기 위하여 자석교반기를 이용하여 적절히 혼합하면서 결정화 온도보다 약 10∼15℃정도 높은 상태로 1시간 동안 유지시킨다.  이렇게 완전 혼합이 이루어진 용액의 온도를 냉각 속도 0.1℃/min으로 제어하면서 최초 결정의 생성을 관찰한다. 최초의 결정이 생성되는 순간의 온도가 주어진 용액의 결정화 온도이다. 첫 결정이 생성되는 온도를 3회 측정하여 평균치를 취하였다. 장치를 이용한 증기압 측정 방법은 boiling point method를 이용하여 증기압을 특정하였다.  우선 측정 용액을 플라스크 내에 넣은 후 진공 펌프를 이용하여 시스템 내를 진공으로 유지시킨 후 원하는 압력에서 온도를 조금씩 상승시키면서 시스템의 압력과 온도가 변하지 않을 때 그 때의 평형압력과 온도를 취하였으며 시스템의 압력을 조금씩 증가시키면서 용액의 온도가 160℃가 넘지 않을 때까지 측정하였다.[4] 농도를 변화시키며 측정한 증기압 결과는 아래의 Antoine Eq.으로 상관 관계지어 작동 매체의 운전 가능한 온도 및 압력 범위의 Duhring Chart를 작성하는 데 이용한다. Ai와 Bi는 최소자승법에 의해 구한 상관계수로 본 실험의 결과는 Table 1에 나타내었다.

[eqn: log(P)= SUM from { {i}=0} to {6} (Ai + 1000Bi over {T-43.15}) X i]        (1)

결과 및 고찰

흡수식 냉난방기 작동매체중 가장 중요한 성질인 용해도와 증기압 물성 향상을 위해 LiCl, LiNO3를 첨가한 샘플용액을 제조했다. 여기에 물-LiBr-LiNO3-LiCl-

ZnBr2 계는 물-LiBr-LiNO3-LiCl계의 성능 향상을 위해서 제안했으며 계의 최적의 혼합비는 샘플 용액의 결정화 온도 측정을 통해 얻었다. Fig.1에서와 같이, 실험 결과 기존용액에 ZnBr2를 1.0∼4.0의 몰비로 첨가했을 때 ZnBr2의 첨가양이 증가할수록 용해도 상승효과가 점점 크게 나타났다. 최적 혼합비는 결정화 온도와 부식성을 통해 얻게 된다. 본 실험에선 부식성 실험을 행하지는 않았으나, ZnBr2 시료의 고비용과 부식성을 고려하였다. 결과적으로 LiBr-LiNO3-LiCl의 적당한 혼합비는 5:1:2:2.5로 결정하였으며 이는 이미 발표된 논문과도 일치한다.[5] 용해도 특성을 나타낸 Fig.3은 이미 발표된 작동매체의 data와 실험data를 비교한 것이다. 결정화 온도가 이미 발표된 것들보다 훨씬 상승한 것을 알 수 있다. LiBr-LiNO3-LiCl의 data와 비교해서 10wt%정도 높은 농도 상승효과를 보았고, Uemura의 data와 비교해서는 약 50℃ 이상의 낮은 결정화 온도 특성을 나타낸다. 물-LiBr-LiNO3-LiCl용액에 의해 나타낸 용해도 특성은 재생기로부터 고농도용액의 결정화 없이 흡수기 온도로 냉각될 수 있는 가능성을 보여준다. 증기압 data는 Fig.4에 log P vs 1000/(T-43.15)의 형태로 나타내었다. 이 증기압 data는 흡수냉동기등의 흡수기 설계에 유용하다.

참고문헌

[1] Iyoki,S.,Uemura T.:ASHRAE TRANSACTIONS, 3419, Vol.96, Part2 (1990)

[2] 주우성,김희택,오영삼,백영순. J. of Korean Ind & Eng. Chemistry, Vol.9

.No.1,(1998)

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

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

[5] C. O. Adegoke & W. B. Gosney : Rev.Int. Froid, Vol.14 Janier, 39, (1991)

[6] 주우성 : 한양대학교 , (1997)

[7] Iyoki, S. : Rev. Int. Froid, Vol.16. No.3, (1993)

Table.1 Coefficients for the Equation of Vapor Pressure Correlation

	Constant		Constant
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6	-1.479325764×102 6.586140386 -7.442062813×10-2 9.546362642×10-5 -9.233104424×10-6 2.502157925×10-7 -1.480743161×10-9	B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6	-2.399334081×10 1.101238516 -1.476325776×10-2 4.113854155×10-5 -8.468259451×10-7 2.478577612×10-8 -1.761285496×10-10