향상된 흡수기 모델에 의한 흡수식 열 펌프 시스템의 성능 평가

이찬호, 송현섭, 김성현, 현재천

고려대학교 화학공학과

Performance Evaluation of Absorption Heat Pump based on an Advanced Absorber Model

Chan Ho Lee, Hyun-Seob Song, Sung Hyun Kim, Jae Chun Hyun

Dept. of Chemcal Engineering, Korea University

서론

흡수식 열 펌프는 열 매체의 용액에의 흡수와 상 변화에 따른 흡수열 및 잠열을 이용하는 것으로 활용할 수 있는 온도 범위가 넓기 때문에 폐열 활용 등을 통해 에너지를 절약 할 수 있으며 오존층 파괴의 주범으로 알려진 CFC를 냉매로 사용하지 않는 환경 친화적인 시스템이다. 이러한 장점으로 인해 흡수식 시스템은 상업화가 H2O/LiBr와 NH3/H2O계에서 오래 전에 이루어 졌으나 아직까지 압축식 냉방기와 비교하여 상대적으로 그 효율이 낮아 널리 보급되어 있지 않다. 따라서 기존 흡수식 시스템의 성능을 개선하려는 연구가 실험과 모델 모사를 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존의 연구에서 주로 사용해 온 모델은 계산의 편리성을 위해 흡수기 내부가 균일한 상태로 평형에 도달한다고 가정함으로써 물리적인 현상을 잘 묘사하지 못하는 한계를 가지고 있다[1,2]. 따라서 본 연구에서는 NH3/H2O 시스템을 대상으로 하여 흡수기 내부에서 용액 흐름 방향과 냉매가 용액 중으로 흡수되는 방향에서 생기는 변화를 고려하는 모델을 개발하였고 이 모델을 이용하여 흡수기로 들어가는 약 용액의 온도(T10)와 흡수기 내부에 형성되는 박막의 두께(d)에 따른 전체 시스템 성능 계수(COP)의 변화를 분석하였다.

이론적 고찰

NH3/H2O 시스템의 흡수 현상은 가장 간단한 박막 형태의 Laminar Flow의 경우에도 열 및 물질 전달을 동시에 고려해야 한다. 최근 Grossman 등이 NH3/H2O 시스템의 흡수현상에 대해 비교적 정교한 모델을 제시하고 수치모사를 수행하였으나 이를 이용하여 단지 열 및 물질전달 계수를 구하는 데 이용하였을 뿐 전체 시스템의 성능 계수를 계산하는데 이용하지는 않았다[3]. 따라서 전체 시스템의 성능을 평가하기 위해 기본 시스템을 Fig. 1과 같이 결정하면 성능계수(COP)는 식 (1)과 같이 정의되고 열 펌프의 각 구성요소에서 외부와의 열 교환을 할 때 발생하는 에너지 손실을 무시하면 COP를 식 (2)와 같이 시스템 내부의 Enthalpy로 표시할 수 있다.

COP ≡[eqn: { {Q }_{A } } over { {Q }_{G } + {Q }_{E } }]                                                   (1)

=[eqn: {{ D}_{6 }*({H}_{6}-{H}_{10})+ { D}_{7 }*({H}_{10}-{H}_{7})} over {{ D}_{6 }*({H}_{6}+{H}_{3}-{H}_{4}-{H}_{10})+{ D}_{7 }*({H}_{10}-{H}_{7})}]             (2)

이때 용액의 Enthalpy는 온도와 농도의 함수이므로 COP를 계산하기 위해서는 온도 뿐 아니라 농도도 알아야 한다. 따라서 흡수기를 아래 가정을 도입하여 수치 모사 한 후 그 결과로부터 강 용액의 농도를 결정하고 이로부터 전체 시스템의 성능 계수(COP)를 얻었다. 수치 모사를 수행할 때 에너지 식에 냉매 흡수에 의한 열 전달 항을 추가하여 흡수 열을 고려하였고 계면에서 용액과 냉매의 증기상이 이루는 평형 상태가 용액이 흐르는 방향으로의 온도 변화에 영향을 받는 것 또한 고려하여 계산하였다.

(1) 암모니아 기체와 용액은 계면에서 평형상태이며 용액 흐름 방향으로의 온도       변화에 영향을 받는다.

(2) 용액의 밀도를 제외한 모든 물성은  일정한 값을 갖는다.

(3) 냉각수의 온도는 용액의 초기 온도로 일정하게 유지된다.

(4) 용액은 평판형 흡수기 표면에서 박막을 형성하고 층류 흐름을 유지한다.

(5) 흡수기 내부의 압력은 고압으로 일정하다.

Finite Difference Method(FDM)를 이용하여 해석하였으며 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.

수치모사를 위해 사용한 시스템 계수들의 값은 다음과 같다.

Parameter	Reference value
박막 두께[m]	0.001 ∼ 0.0015
흡수기 길이[m]	0.3
흡수기 입구에서 용액의 온도[℃]	20 ∼ 40
흡수기 입구에서 용액의 조성	0.3087
흡수기 내부 압력[mmHg]	5320(=7atm)

결론

기존의 균일한 평형을 가정한 모델로는 흡수기로 들어가는 용액의 온도나 형성되는 휠름의 두께가 전체 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는지를 평가할 수 없었다. 따라서 본 연구에서 보다 정교한 모델을 제안하고 위에서 언급한 변수들이 전체 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 3은 흡수기로 들어가는 약 용액의 온도에 따른 전체 시스템 성능 계수(COP)의 변화를 보여주고 있다. 일반적으로 용액의 온도가 상승할수록 전체 시스템의 성능은 떨어지는 것을 볼 수 있는 데 이것은 용액의 온도가 증가하면 냉매의 흡수를 방해하여 흡수기의 효율이 감소하기 때문인 것으로 생각된다.  Fig. 4는 박막의 두께에 따른 전체 시스템 성능 계수(COP)의 변화를 보여주고 있다. 이 경우도 마찬가지로 막 두께가 증가하면 냉매의 흡수를 방해하여 흡수기 효율이 감소함으로써 전체 시스템의 성능을 떨어뜨리는 것으로 생각된다. 또한 용액 온도에의한 영향과 비교하여 박막의 두께가 전체 시스템 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있으며 이것으로부터 실제 흡수기 내부의 휠름을 형성할 때 그 박막의 두께를 제어하는 것 또한 중요하다는 것을 알 수 있다.

참고문헌

1. Sun, D. W. □Comparison of the performances of NH3-H2O, NH3-LiNO3 and NH3-NaSCN absorption refrigeration systems" Energy Convers. Mgmt. 39(5-6) 357-368 (1998)

2 민병훈, □메탄올-글리세린을 이용한 재 흡수 열 펌프 연구□ Clean Technology 3(1), 82 (1997).

3. Gommed, K., G. Grossman & M. Koening "Numerical Model of Ammonia-Water Absorption inside a Vertical Tube" Proc. of the Int. Sorption Heat Pump Conf. 275 (1999)

Fig. 1 Basic Diagram of Absorption Heat Pump(AHP) System

Fig. 2 Mass fraction profiles in the liquid.

Fig. 3 Effect of absorber inlet liquid  temperature on COP

Fig. 4 Effect of film thickness in absorber on COP