열펌프 시스템의 평판형 흡수기에서의 운전조건에 따른

박막모드와 기포유동모드의 열전달특성비교

이재철, 이기봉, 전병희, 박찬진*, 김성현

고려대학교 화학공학과, 시립인천전문대학 환경공업과*

Comparison of heat transfer in plate type absorber

of heat pump system between falling film and bubble modes

Jae-Cheol Lee, Ki-Bong Lee, Byung-Hee Chun, Chan-Jin Park*, Sung-Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University,

Dept. of Environ. Eng., Junior College of Inchon*

서론

1992년 몬트리올 협정에서는 CFC 및 HCFC의 사용을 각각 1997과 2002년부터 전면 금지시키기로 하였으며, 1997년에는 2008∼2012년까지 전세계 온실가스 배출량을 5.2% 줄이는 것을 골자로 하는 교토 선언이 합의되었다. 인류에 직면해 있는 환경, 에너지 문제를 타개하기 위한 많은 연구 중 흡수식 열펌프는 환경친화적인 자연냉매를 사용하는 열구동 시스템으로 다시 주목을 받고 있다. 흡수식 열펌프 시스템은 가정용 및 소형 산업용으로 NH3/H2O 시스템과 대형 산업용으로 H2O/LiBr 시스템이 상용화되고 있다. 흡수식 열펌프의 구성요소 중 흡수에 의하여 고온의 열을 얻을 수 있는 흡수기는 대표적으로 박막유동과 기포타입유동 시스템이 사용되고 있으며, 이에 본 연구에서는 NH3/H2O 시스템의 동일한 평판형 흡수기에서의 박막유동과 기포타입유동 시스템의 벽면을 통한 냉각수쪽으로의 흡수열의 전달 특성을 비교 분석하여 여러 가지 변수 중 지배적인 변수를 찾아 각각의 구조에 대한 우수한 운전조건을 도출하고자 한다.

실험

흡수기 실험에 사용된 ammonia gas는 98% 이상의 순도(성강가스(주))이며, ammonia 용액은 Kanto Chemical사의 29% 시판시약을 사용하였다.

흡수기에 설치된 흡수판의 크기는 11.2(가로)×26.4(세로)×3(두께) mm로 적은 유량에서도 층류를 얻기 위해서 sand paper로 처리한 판을 사용하였다. 또한 흡수기 내부의 온도 상태를 확인하기 위해서 5개의 thermocouple을 등간격으로 설치하였고, 용액의 흐름상태를 확인하기 위하여 정면에 sight glass를 넣었다.

흡수기에 주입되는 용액은 solution tank에 500W의 cartridge heater 3개를 설치하여 예열시키고 input line에 500W, embedded type의 cartridge heater를 설치하여 원하는 온도로 조절하였다. 실험장치에서 thermocouple에 의해 측정된 온도는 data aquisition system에 의하여 컴퓨터에 on-line으로 저장되고, 채취된 sample은 conductivity를 측정하여 실험으로 구한 standard curve로부터 농도를 분석하였다.

실험은 흡수기에 0, 10, 20, 30% ammonia 수용액을 각각 20℃, 0.3kg/min로 유입시키고 ammonia gas의 유속을 변화시켰으며, 또한 solution의 영향을 관찰하기 위해 1, 5, 9L/min의 일정한 gas 유속에 대하여  0.1-0.5 kg/min로 ammonia 수용액의 유속을 변화시켜 진행하였다. 이 때 각 조건에서 흡수기를 falling film mode와 bubble mode로 운전하면서 각각의 결과를 정리하였다.

흡수기 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같고, Fig. 2에서와 같이 평판형 흡수기에 ammonia 용액과 gas를 counter current로 흘려주면서 실험하였다.

Fig. 1 Experimental absorption system  Fig. 2 Schematic diagram of falling film and

bubble modes

결과 및 토론

일반적으로 일정한 경계면 영역에서만 물질전달이 일어나는 film mode보다는 수용액 속으로 직접 분산되어 들어가는 bubble mode에서 물질전달 및 흡수열 발생량이 더 많으며 이 결과는 실험을 통해서도 나타났다.

그러나 발생하는 흡수열이 bubble mode가 많다고 하더라도 냉각수 영역으로 전달되는 열량이 film mode보다 우수하다고 할 수는 없으며 오히려 실험을 수행한 대부분의 영역에서 film mode가 우수한 것으로 관찰되었다. 이것은 gas의 유속, solution의 유속, 흡수기내의 농도차, 온도차등 여러 가지 변수가 복합적으로 관계된 열전달에서는 각각의 mode에 따라 효과적인 운전조건이 있음을 시사하는 것으로, 본 실험에서는 gas의 유속, solution의 유속을 농도에 따라 변화시켜가며 각각의 mode에 대한 지배적인 변수를 찾아보았다.

Fig.3, Fig.4은 일정한 solution에 대한 gas유속의 변화에 따른 heat transfer coeffient의 변화를 나타낸 것이다. Film mode의 경우 gas flow rate의 증가에 따라 충분한 개선이 보이지 않으나, bubble mode의 경우 급격한 개선을 보이고 있다.

Fig.5, Fig.6은 solution의 유속을 변화시킴에 따른 heat transfer coefficient를 나타낸 것으로, solution의 유속 증가에 따른 film mode에서의 heat transfer coefficient가 급격히 증가함을 볼 수 있으며, bubble mode의 경우에 film mode보다 변화 폭이 크지는 않지만 일정하게 계속하여 증가함을 볼 수 있다. 또한 gas 유속 변화에 대한 결과 또한 다시 관찰할 수 있다. Film mode의 경우 gas 유속 변화에 대해서는 큰 변화가 관찰되지 않으나 bubble mode의 경우 gas유속이 변화함에 따라 heat transfer coefficient의 확연한 증가를 볼 수 있다.

위의 gas 또는 solution 유속 변화실험에서 solution의 농도에 따라서도 진행하였으나 solution의 농도의 열전달에 대한 영향은 크게 관찰되지 않았으며 그 경향성 또한 특별히 발견되지 않았다.

Fig.3 Gas flow rate Vs. Heat transfer       Fig.4 Gas flow rate Vs. Heat transfer

coefficient (0% ammonia solution)          coefficient (30% ammonia solution)

Fig.5 Solution flow rate Vs. Heat transfer  Fig.6 Solution flow rate Vs. Heat transfer

coefficient(film mode)                     coefficient(bubble mode)

여러 가지 변수가 동시에 작용하는 복잡성을 지닌, 벽면에 대한 heat transfer coefficient에 대하여 dimensionless analysis를 통하여 간단한 correlation으로 정리하여 보았다.

〈Film mode의 경우〉

Nu = 0.01369*(Re,sol)0.5103*(Re,gas)0.02461*(dX/Xs)0.14380*(dT/Ts)0.2977

〈Bubble mode의 경우〉

Nu = 3.133*(Re,sol)0.2519*(Re,gas)0.2995*(dX/Xs)0.08636*(dT/Ts)0.06851

·Nu = Nussel number

·Re,sol = Reynolds number of solution

·Re,gas = Reynolds number of ammonia gas

·dX/Xs = (gas concentration - solution concentration)/solution concentration

·dT/Ts = (gas temperature - solution temperature)/solution temperature

위 두 식을 정량적으로 비교할 수는 없으나, film mode의 경우 Re,sol가, Bubble mode에서는 Re,sol & Re,gas가 heat transfer coefficient의 지배변수임을 알 수 있다.

- Re,sol : Re,sol는 film, bubble mode 모두의 지배변수이며 Re,sol가 증가함에 따라 벽면부터 형성된 thermal boundary layer를 깨어주어 열전달에 대한 저항을 줄여주기 때문이다. 특히 film mode의 영향이 더 크게 나타났다.

- Re,gas : Re,gas는 bubble type에서는 영향력 있는 facter로서 작용하지만 film type에서는 그 영향이 거의 나타나지 않았다. 일반적으로 Pr가 액체막에서는 1이상이며 위 실험에서도 4에서 7정도의 값이 나왔으며 thermal boundary layer가 hydrodynamic boundary layer보다 훨씬 아래에 존재하는 상태에서 film mode의 경우 경계면 위를 통과하는 gas가 벽면의 thermal boundary layer를 깨어주기가 쉽지 않다. 그에 비해 bubble mode에서는 액체 속을 통과하는 gas가 thermal boundary layer를 충분히 깨줄 수 있다.

- dX/Xs : 열전달에 있어 solution의 농도는 두 mode에서 다 그다지 큰 변수로 작용하지 않으며 일관된 경향성이 나타나지 않았다.

- dT/Ts : Re,sol과 Re,gas에 비해서는 그 영향이 적다고 할 수 있으나 Film mode의 경우  그 영향을 무시 할 수 없을 정도의 변수로 작용하고 있다. Film mode은 벽과 용액사이의 계면과 기체와 용액사이의 계면으로 두 층이 형성되어 있으므로, 기체의 온도의 변화는 벽면 쪽으로 향하는 열전달의 증진 또는 방해 요인이 충분히 될 수 있다.

∴ Re,gas를 증가시키며 상대적으로 Re,sol가 낮은 영역에서 운전한다면bubble mode 흡수기에서 film mode 흡수기보다 우수한 열전달 효과를 얻을 수 있다.

감사

본 연구는 과학기술부 온실가스저감기술개발사업단의 과제로 수행되었으며, 연구비를 지원한 사업단에 감사드립니다.

참고문헌

1. 강용태: □흡수식 냉동기 및 열펌프 워크샵□, 한국정밀화학공업 진흥회(1999)

2. Herold K. E., Radermacher R. and Klein S. A.: "Absorption Chillers and  Heat Pumps", CRC Press(1996)

3. Kang Y. T., et al. 1998. "Experimental correlation of combined heat and mass transfer for NH3-H2O falling film absorption". International Journal of Refrigeration, Vol. 22, pp 250-262

4. 이기봉, et al. 2000. □운전조건에 따른 평판형 흡수기의 흡수능 및 온도거동에 관한 연구□. 화학공학의 이론과 응용, 제6권 제1호, pp 1537-1540

5. McCabe W. L., J. C. Smith and P. Harriott(1993). Unit Operations of   Chemical Engineering, pp 331-333, pp 336-337, McGraw-Hill, Singapore