재흡수식 열펌프의 성능과 동적모사

박 준 형, 양 대 륙

고려대학교 화학공학과

Simulation of the resorption heat pump

June-Hyoung Park, Dae Ryook Yang

Dept. of Chemical Engineering, Korea University

서 론

세계적으로 석유에너지 가격이 올라가면서 에너지 절약의식이 날로 고조되고 있다. 특히, 우리나라와 같은 비산유국과 에너지원의 해외의존도가 높은 나라에서는 효과적인 에너지 관리에 많은 관심을 두고 있다.

효과적인 에너지 관리는 새로운 에너지 자원의 개발과 사용중인 에너지의 효과적 이용으로 구분할 수 있으며 실제 효과적 이용을 위해 각종 열기기의 효율 향상, 단열기술의 개발 등과 같은 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 맥락에서 폐열 회수에도 많은 관심을 두고 있다.

현재 선진국 여러 나라에서는 100℃ 이하의 낮은 폐열회수를 위한 열펌프에 많은 연구가 수행되어 실용화되어 있다.

열펌프는 저온열원으로부터 열을 흡수하여 고온열원으로 열을 방출시키는 장치로 공급되는 에너지를 열에너지의 형태로 변환시키는데 유용하게 이용된다.

열펌프는 크게 압축식과 흡수식으로 구분이 가능하며 압축식은 작동 유체를 compressor로 압축함으로써 즉, 기계적인 힘을 이용해서 구동하게 된다. 흡수식열펌프는 냉매의 흡수제로의 흡수 현상을 이용하게 된다. 흡수식 열펌프는 다시 제 1종 흡수식 열펌프 ( absorption heat pump )와 제 2종 흡수식 열펌프 ( heat transformer )로 구분 가능하다.

이 론

흡수제와 냉매의 working pair로 LiBr과 H2O를 사용하는, 저온 폐열 회수를 위한 흡수식 열펌프의 개략도는 figure 1과 같다. 제 1종, 제 2종 흡수식 열펌프와 상이한 점은 unit의 구성에 있다. 사용되고 있는 흡수식 열펌프는 발생기 ( generator ), 응축기 ( condenser ), 증발기 ( evaporator ), 흡수기 ( absorber ), 용액 열교환기 ( solution heat exchanger )와 같은 5개의 unit으로 구성되어 있다. 그러나, 재흡수식 열펌프는 증발기와 응축기가 없고 또 다른 흡수기와 발생기로 구성된다.

각 unit에서는 열 및 물질 전달 현상이 일어나고 있으며 국부적으로는 상당히 복잡한 현상이 일어나고 있다. 하지만, 시스템의 순환이 정상상태에 도달하게 되면 발생기로부터 유입되는 폐열과 가열 열원은 흡수기의 온수를 상승시키게 된다. 재흡수식 열펌프의 순환 사이클은 다음과 같다.

흡수기 1에서의 용액은 발생기 1로 보내지게 되고 발생기 1에서는 가열 열원으로 용액에 열량을 공급하게 되고 이로 인해서 용액은 H2O의 증기를 발생시킨다. 발생된 증기는 흡수기 2의 용액에 흡수되게 된다. 이 때, 증기가 용액에 흡수되면서 열이 발생하게 되고 이 열은 흘려보내지는 온수의 온도를 상승시키게 된다. 증기를 흡수한 용액은 다시 발생기 2로 보내지게 되고 발생기 2에서는 폐열을 가해서 다시 H2O의 증기를 발생시키게 되고 이 증기는 흡수기 1에 흡수되게 된다. 각 용액의 순환 중에 에너지의 효율을 높이기 위해서 용액열 교환기를 통해서 열교환이 이루어지게 된다.

재흡수식 열펌프의 동적 모사를 위해 필요한 열역학적 data들은 다음과 같다.

· 용액의 enthalpy

· 용액의 vapor pressure

· 용액의 비열

· 용액의 점도

· 물의 증발열

[eqn: {DELTA``H_2}over{DELTA``H_1}````=````({1````-````T_r`_2`}over{1````-````T_r`_1})^0.38]  ,latent heat ( 100℃ ) = 2257 J / g

흡수기와 발생기에서의 열 교환은 용액을 tube위에 분사시킴으로써 이루어지는 model을 채택하였다.

열 전달에 있어 정의되어지는 individual heat transfer coefficient는 다음과 같다.

[eqn: h_i````=````0.023````{k}over{d}````Re^0.8````Pr^0.3]

overall heat transfer coefficient는 다음과 같다.

[eqn: U````=````{1}over{{1}over{h_i}````+````{x_w}over{k_m}({D_i}over{D_m})````+````{1}over{h_o}({D_i}over{D_o})}]

발생기 1에 대한 에너지와 물질 관계식은 다음과 같다.

[eqn: {d````(````M_G`_1````C_P````T_G`_1````)}over{d````t}````=````m_2````h_2````-````m_3````h_3````-````m_18````h_18````+````Q_2]

[eqn: {d````(````M_G`_1````X_3````)}over{d````t}`````=````m_2````X_2````-````m_3````X_3]

[eqn: m_3````=````m_2````-````m_18]

[eqn: Q_2````=````m_11````(````h_11````-````h_12````)````=````(````U````A````)_G````T_LMTD]

나머지 unit에 대한 관계식의 기본 개념은 동일하다.

모사 방법

LiBr - H2O solution의 온도, 비율, 압력의 관계를 기본으로 정상상태의 값을 계산한다. 이를 기본으로 각 unit의 vapor pressure의 차이에 의해서 이동되도록 하는 valve의 coefficient를 찾는다. 초기 온도에서부터 정상상태까지의 변화를 보기 위해서 unit의 온도가 급격하게 변화하지 않는 범위내에서 실시하였다. 이는 LiBr - H2O의 용액에서 결정화 부분이 발생할 수도 있기 때문이다.

본 연구에서는 초기 온도 25℃에서 정상상태에 도달할 때까지의 변화와 정상상태에 도달한 후, 폐열의 온도 변화와 유량 변화를 가하였을 때의 변화와 성능 변화에 대해서 알아보았다.

결과 및 고찰

본 연구에서는 초기 온도에서 정상상태까지의 변화를 관찰한 후, 폐온수의 조건을 변화시켜 이 후의 경향성을 살펴보았다. figure 1은 폐온수의 온도를 정상상태에 도달한 후 10%를 감소시킨 후, vapor flow의 변화이다. figure 2는 figure 1과 같은 조건에서의 각 unit의 온도 변화이다. figure 3은 폐온수의 유량을 20℃를 감소시킨 후, vapor flow의 변화이다. figure 4는 figure 3과 같은 조건에서의 각 unit의 온도 변화이다. 폐온수 온도 10% 감소에 대해 [eqn: m_18]은 11.3%, [eqn: m_17]은 10.7% 감소하였다. 폐온수 유량 20% 감소에 대해  [eqn: m_18]은 4.5%,[eqn: m_17]은 2.9% 감소하였다. 폐온수 온도 10% 감소에 대해 성능계수 (COP)는 0.445에서 0.414로 감소하였다. 폐온수 유량 20% 감소에 대해 성능계수는 0.426으로 감소하였다. 폐온수 유량보다는 폐온수 온도가 시스템의 성능에 많은 영향을 미친다. 각 unit의 온도는 폐온수의 변화에 대해 발생기 1의 온도만이 상승하고 나머지 unit의 온도는 감소하였다. 재흡수식 열펌프의 일정한 성능을 유지하기 위해서 온도의 변화에 대해 유량을 조절할 수 있다.

참고문헌

1. Akihiro Ohgata,Yuh Yamashita,Hirokasu Nishitani, Computers chem. Engng 21

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2. Byong-Hun Min, Clean Technology 3 (1997), pp. 82-87

3. A.E.Dence, C.C.Nowak, H.Perez-Blanco, IEEE (1996), pp. 1041-1046

4. R.M.Barragan, C.Heard, V.M.Arellano, International J. of energy

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5. M.R.Patterson, H.Perez-Blanco, ASHRAE Trans. 20 (1988), pp.2059-2077

6. G.Grossman, ASHRAE Trans. 91 (1985), pp. 2047-2061

figure 1. 재흡수식 열펌프의 개략도

figure 2.t=1000에서 폐온수 온도 10%    figure 3.t=1000에서 폐온수 온도 10%

감소시 vapor flow의 변화               감소시 unit의 온도 변화

figure 4.t=1000에서 폐온수 유량 20%     figure 5.t=1000에서 폐온수유량 20%

감소시 vapor flow의 변화                감소시 unit의 온도 변화