흡수식 냉동기용 암모니아 수용액의 전도도 측정

이형래, 은희춘, 김선영, 구기갑, 김병주*

서강대학교 공과대학 화학공학과

*홍익대학교 공과대학 기계공학과

Conductivity Measurement of Ammonia Aqueous Solution

for Absorption Refrigerator

H.-R. Lee, H.-C. Eun, S.-Y. Kim, K.-K. Koo, B.-J. Kim*

Dept. of Chemical Engineering, Sogang University

*Dept. of Mechanical Engineering, Hongik University

서론

최근 하절기 냉방기 사용 급증으로 전력수급의 불균형이 심화되고 있다. 가스열원을 이용하는 열구동 방식의 흡수식 냉동 체계는 합리적인 에너지 이용으로 동하절기 전력부하 편차를 감소시켜 주고, 날로 강화되고 있는 증기 압축식 냉동기의 환경규제에 대처할 수 있는 대안으로서, 현재 활발한 연구가 진행되고 있다[1].

흡수식 냉동기의 흡수냉매로 가장 많이 사용되고 있는 작동매체로는 LiBr/H2O와 H2O/NH3가 있지만, LiBr/H2O 작동매체는 흡수제인 LiBr가 갖는 결정화 등의 특성으로 인하여 시스템의 소형화, 공냉화에 많은 어려움이 따르고 있는 실정이다. 최근에는 LiBr/H2O가 갖는 제한요소로 인하여 H2O/NH3에 관한 관심이 집중되고 있다. 이때 냉매로 이용되는 암모니아는 열 및 물질전달 특성이 우수하고, 증발온도의 범위가 넓기 때문에 냉방은 물론 냉동영역까지의 응용이 가능한 것으로 알려져 있다.

보다 효율이 높은 냉동기 개발과 냉동기의 적절한 유지, 보수 및 관리를 위해 측정하는 냉동기 운전조건으로는, 각 핵심요소에서의 온도·압력조건과 흡수기·재생기에서의 작동매체의 농도조건을 꼽을 수 있다. 각 핵심요소에서의 온도 및 압력값은 실제 사이클(in-line)상태로부터 정확한 측정이 가능한 상태이지만, 작동매체의 농도값 측정은 용액을 시스템 외부로 추출해야하는 적정법(titration method)을 이용하고 있는 실정이다. 이때 H2O/NH3 흡수 시스템은 5-20기압의 고압에서 운전하게 되므로, 암모니아 수용액을 대기압 상태로 추출하면 플레싱(flashing)등에 의하여 그 조성변화는 필연적으로 발생하게 된다. 열역학으로부터 규정하는 2성분 수용액의 농도값이란, 온도·압력과 더불어 그 용액의 성질을 결정하는 열역학적 상태량이기 때문에, 흡수용액의 농도를 부정확하게 측정한다면 온도·압력 데이터의 정확한 측정은 의미가 없게 되며, 그 오차범위 또한 상당히 증가하게 된다. 따라서 흡수용액의 농도값 측정은 시스템 외부가 아닌, 시스템 내부(in-line)에서 온도·압력과 함께 보다 정확하게 수행되어야만 적절한 냉동기 관리가 가능하다고 할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 소형화, 공냉화가 가능한 H2O/NH3 냉방 시스템의 효율적인 유지, 관리 및 그 안전성을 높이기 위하여 암모니아 수용액의 농도를 실시간(real time)·원거리에서 계측하는 기법을 개발하여, 실제 냉동 사이클에 적용은 물론, 기타 암모니아를 이용하는 모든 공정과 기기에 응용해 보고자 한다. 암모니아 수용액의 농도와 상관관계를 갖는 pH, 밀도[2], 굴절률[3] 등의 물리화학적 측정법을 비교하여, 적절한 농도측정 방법으로 전도도(conductivity)[4]를 선택하였으며, 이의 측정을 통하여 암모니아 수용액 농도와의 상관관계를 도출하고자 한다.

실험장치 및 방법

가연성의 암모니아는 인체에 독성이 강한 자극적인 물질로, 그 취급에 상당한 유의를 하여야 하며, 고압(5-30기압) 실험조건에서 안전성을 확보하여야만 한다. 또한 암모니아 수용액은 동(銅) 관련 재질에의 부식성이 강한 물질이므로, 제작하고자 하는 장치의 재질에 상당한 제약이 따른다. 따라서 전도도 측정장치 제작과 튜브 등은 부식에 강한 316 SUS와 Titania를 이용하였고, 이음 부분은 TFE 계열의 고분자 화합물인 teflon을 이용하였다.

본 연구에서 제작한 고압용기와 전극의 형태를 Fig. 1에 나타내었다. 측정용액을 넣게 되는 고압용기는 내부직경(I.D.) 50mm에, 약 130ml 부피이고, 부식에 강한 Titania를 이용하여 제작하였다. 상용되는 전도도 측정장치의 전극은 백금시편에 구리선을 연결한 형태로 암모니아에의 부식성이 있음은 물론, 고압 상태에서의 측정이 어렵다. 그래서 암모니아 수용액의 부식에 강하고, 비교적 안정적인 셀 상수(cell constant)를 가지고 있는 백금(Pt) 전극을 봉 형태로 제작하여 45.1mm 간격으로 설치하였으며, 백금 전극의 순도는 고압측정에의 기계적인 강도를 고려하여 77wt%로 정하였다.

Fig. 1. Apparatus for Conductivity Measurement (unit : mm)

그리고, 전극과 용기 사이의 절연을 위하여 전극과 용기 뚜껑사이의 이음새는 teflon을 NPT형태로 제작하여 패킹하였다. 측정용액과 전극의 접촉면적이 변하면 전도도가 변하게 되므로, 일정한 접촉면적을 유지하기 위하여 전극의 적절한 길이를 노출시킨 채, 테프론 코팅(teflon coating)으로 절연시켰다. 또한, 수용액상에 용해되어 있는 암모니아 이온의 용기 벽면을 통한 이동을 막기 위하여 용기 벽면을, 전극과 마찬가지로, teflon 재질의 내부 용기로 절연시켰다.

30wt% 이상의 고농도 암모니아 수용액은 암모니아의 상온·상압 하에서의 특성상, 측정용기에서 직접 제조하여야 하는데, 그 제조 방법은 다음과 같다. 먼저 농도를 알고 있는 암모니아 수용액을 밀폐된 측정용기에 담근다. 이후 암모니아 가스를 밀폐 측정용기 내에 불어넣어, 온도를 조절하면서 가스를 용액에 용해시킨다. 이때 암모니아 가스 실린더로부터의 가스 유출압력을 높여주기 위하여 가스 실린더에 열선을 감아 온도를 올려주고, 암모니아 가스의 밀폐용기에서의 용해도를 증가시키기 위하여 측정용기는 온도를 낮추어야 한다. 제조된 암모니아 수용액의 농도는 측정된 온도, 압력에서 기-액 평형이라는 가정아래 계산하였다. 용액의 온도측정은 측정 용기의 중앙에 위치한 직경 1/16□ RTD를 이용하였다 (Fig. 2).

Fig. 2. Schematic Diagram for Conductivity Measurement System

실험결과 및 토의

H2O/NH3 계를 이용하는 흡수식 냉동기에서의 흡수용액의 농도 측정방법은 현재 여러 가지 방법이 개발되어 이용되고 있다. 이 중 적정법(titration method)은 용액의 화학적 성질을 이용하고 경제적이면서도 비교적 취급이 간단하다는 장점을 가지고 있어, 가장 널리 이용되고 있다. 이 방법은 산-염기 적정에서와 같이, 중화반응의 종말점을 지시약을 이용하여 관찰하게 되며, 소비된 산(acid)용액의 부피로 흡수용액의 농도를 계산하게 된다. 하지만, 흡수용액을 적정하기 위해서는 흡수식 냉동 사이클로부터 흡수용액의 적정량을 추출하여야 한다는 문제점을 안고 있어, 측정되는 용액의 농도에 대한 오차는 상당하게 된다.

또 다른 측정방법으로는, 빛의 용액 농도에 따른 굴절률의 변화를 측정하는 방법이 있다. 이 측정법은 광원(light source)과 측정센서(probe)만이 필요하므로 설치가 간단하지만, 광원으로부터의 빛의 양에 민감하게 반응하는 휨 각도(bending angle)의 결정 및 fiber의 제작은 상당한 기술을 요하는 것으로 알려져 있다.

본 연구에서 중점을 두고 있는 전도도(conductivity)를 이용한 암모니아 수용액의 농도 측정방법은, 암모니아 수용액이 전해질 용액이라는 점에 착안하였다.  암모니아 수용액의 전기저항은 암모니아 농도에 의존한다. 따라서 용액의 전기저항을 측정하고 그 역수인 전도도를 구하면 암모니아 수용액의 농도를 얻을 수 있다. 이 방법은 전극을 사이클 내부에 설치하기만 하면 그 측정이 가능하기 때문에, 장치가 소형이며 취급이 간단하다는 장점이 있다. 따라서 흡수 냉동 사이클에의 적용 가능성은 상당하지만, 아직까지 암모니아 수용액의 전기 전도도를 이용한 농도 감응 평가에 대한 문헌은 없는 상태이다.

전극은 판 형태와 봉 형태의 두 가지가 있는데 본 연구에서는 고압 용액의 측정에 용이하도록 봉 형태를 선택하였다. 전극의 셀 상수(C)는 암모니아 수용액의 전도도 측정에 적합한 1.0으로 설정하였다. 봉 형태의 전극은, 판 형태의 전극과는 달리 용액에 접하는 전극 면적이 비교적 적어 안정화에 걸리는 시간이 거의 없고 전류 흐름을 방해하는 전극외벽에서의 기포발생 현상이 발견되지 않아 전도도를 이용한 흡수용액 농도 측정에의 높은 가능성을 기대할 수 있었다.

본 연구에서는 고압용 측정용기와 백금전극을 이용한 암모니아 수용액의 전기 전도도 기초 실험을 통하여 온도, 압력과 농도에 대한 전도도(conductivity) data base를 구축하고자 한다. 또한 흡수식 냉동기에의 실제 적용을 위하여 흡수기 및 재생기 등의 핵심요소에 설치할 농도 측정장치를 설계하고 그 적용 가능성을 검토하고자 한다.

참고 문헌

1. 정종연: 에너지 저널, 6, 85(1994)

2. K.-K. Koo, H.-R. Lee, S. Jeong, Y.-S. Oh, D.-R. Park, Y.-S. Baek: J. of Chemical & Engineering Data, 43(5), 722(1998)

3. T. Takeo, H. Hattori: Japanese J. of Applied Physics, 21(10), 1509(1982)

4. T. Kashihara: Bulletin of the Electrotechnical Laboratory, 58(10), 847(1994)