[논문]암모니아-물 흡수식 냉각기의 동적 해석

김병주

암모니아-물 흡수식 냉각기의 동적 해석
Dynamic Analysis of an Ammonia-Water Absorption Chiller 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.16 no.10, 2004년, pp.990 - 998

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Dynamic behavior of an ammonia-water absorption system was investigated numerically. Thermal-hydraulic model for a single-effect 3 RT chiller was developed by applying transient conservation equations of total mass, $NH_3$ mass, energy and momentum to each component. Transient variations of system properties and transport variables were analysed during start-up operation. Numerical analyses were performed to quantify the effects of bulk concentration and charging ratio on the system performance in terms of cooling capacity, coefficient of performance, and time constant of system. For an absorption chiller considered in the present study, optimum charging ratio and bulk concentration were to found to exist, which resulted in the maximum cooling capacity and COP. The time constant increased as the charging ratio increased, but decreased with the increase of bulk concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단효용(single-effect) 3RT 암모니아-물 흡수식 냉각기를 대상으로 과도상태 해석을 위한 열수력 모델(thermal-hydraulic model)을 개발하고 시동과정에서 각 요소의 상태량과 전달률의 변화를 해석하고자 한다. 그리고 체적농도와 충전비가 시스템의 성능계수, 냉각능력, 그리고 시간상수에 미치는 영향을 수치해석 기법을 통하여 정량적으로 규명하고자 한다.
본 논문에서는 단효용 3RT 암모니아-물 흡수식 시스템을 모사하는 열수력학 모델을 개발하고 과도상태에서의 시스템의 동적 거동에 대한 수치적 해석을 수행하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 단효용(single-effect) 3RT 암모니아-물 흡수식 냉각기를 대상으로 과도상태 해석을 위한 열수력 모델(thermal-hydraulic model)을 개발하고 시동과정에서 각 요소의 상태량과 전달률의 변화를 해석하고자 한다. 그리고 체적농도와 충전비가 시스템의 성능계수, 냉각능력, 그리고 시간상수에 미치는 영향을 수치해석 기법을 통하여 정량적으로 규명하고자 한다.

가설 설정

(1) 액상과 기상의 2상 혼합물은 열역학적 평형 상태로 공존한다.
(2) 재생기의 단열부와 비등부의 압력은 같다.
암모니아-물 흡수식 시스템의 동적 해석을 위하여 본 연구에서 설정한 초기조건 및 운전조건이 Table 2에 주어져 있다. 주위온도인 35℃에서 운전을 시작하는 것으로 가정하였으며 초기 시스템의 압력은 충전된 암모니아 수용액의 체적농도와 초기온도에 의해 결정된다. 수용액의 비등과정을 위한 열원은 천연가스의 연소과정에서 생성되는 연소가스이다.
팽창밸브에서의 부가손실계수 K는 오리피스로 가정하여 구하였으며 오리피스를 통한 2상유동 압력강하의 경우 Beattie⁽⁸⁾가 제시한 2상유동 마찰 배수를 적용하였다.

제안 방법

재생기 벽체의 온도는 재생기 주위에 유동하는 열원(연소가스)으로부터 재생기 벽체로의 열전달률과 재생기 벽체로부터 암모니아 수용액으로 전달되는 상변화 열전달률의 차이에 의하여 결정할 수 있다. 연소가스가 유동하는 공간에서 재생기 벽체에는 환형 휜이 가공되어 있으며 연소가스의 유동에 의한 열전달계수는 완전발달 난류유동 조건에서 계산하였다.
이론/모형
- 액막의 열전달계수는 액막의 레이놀즈수를 고려하여 Yih의 상관식으로부터 계산하였다.⁽¹⁴⁾ 관내측의 암모니아 수용액의 열전달계수는 코일형의 관에 대한 Seban과 Mc-Laughlin의 상관식을 이용하여 결정하였다.⁽¹⁵⁾ 용액냉각 흡수기도 증발기와 유사한 구조이므로 동일한 방법이 사용되었다.
- (9) 재생기 벽체의 온도를 이용하여 암모니아 수용액의 비등열전달계수는 Chen이 제시한 방법으로 대류비등과 핵비등의 복합적인 영향을 고려하여 결정하였다.^(10,11)
- 그리고ϕ는 질량유속, 비체적, 그리고 2상유동 마찰배수(friction multiplier)이다. 2상유동 마찰배수에 대하여 Lockhart and Mar- tinelli⁽⁷⁾의 상관식을 사용하였다. 사용하는 2상유동 마찰배수의 특성에 따라 각 요소에서의 압력강하는 달라질 수 있으나 그 변화량는 시스템의 고압부과 저압부의 압력차에 비하여 매우 작으므로 냉동용량이나 성능계수에 미치는 영향은 미약할 것으로 예측된다.
- , 기본적으로 흡수과정은 물질전달의 측면에서 응축과정과 아주 다르나 외부 냉각공기로의 열전달률이 흡수과정을 지배한다는 가정하에 흡수 열전달률에 대하여도 Shah의 상관식을 사용하였다. 관군에 대한 공기측의 열전달계수는 Gray와 Webb의 상관식을 사용하였다⁽¹³⁾
- 로 정의되며 여기서 a와 x는 기공률과 건도이고 하첨자 f와 g는 각각 액상과 기상을 나타낸다. 기 공률과 건도의 관계는 Lockhart와 Martinelli의 실험결과를 기초로 하여 Butterworth⁽⁵⁾가 제안한 상관식을 사용하였다.
- 내부 열교환 기능을 수행하는 IHXG, IHXA, 그리고 IHXRe 모두 코일형으로 가공된 원관이고 관내측의 경우 상변화가 없는 암모니아 수용액의 단상 열교환이므로 열전달계수는 Seban과 Mc- Laughlin의 상관식을 이용하여 결정하였다.⁽¹⁵⁾
- 독립된 검사체적인 각 요소에서 암모니아 수용액의 상변화와 열 및 물질전달이 발생하므로 2상유동 및 전달특성에 대한 정확한 해석이 필수적이다. 본 논문에서는 2상유동에 대하여 분리유동 모델(separated flow model)을 적용하였으며 본 해석에 사용한 주요 가정은 다음과 같다.
- 암모니아 수용액의 열역학적 상태량은 포화상태인 경우 Ziegler and Trepp⁽⁶⁾이 제시한 상관식으로부터 계산하였다.
- 관내측에는 암모니아 수용액이 유동하며 관외측에는 냉수가 산포되어 액막을 형성하고 자중으로 흘러내리며 열교환을 수행한다. 액막의 열전달계수는 액막의 레이놀즈수를 고려하여 Yih의 상관식으로부터 계산하였다.⁽¹⁴⁾ 관내측의 암모니아 수용액의 열전달계수는 코일형의 관에 대한 Seban과 Mc-Laughlin의 상관식을 이용하여 결정하였다.
- 응축기와 공기냉각 흡수기는 평판 횐이 장착된 관군(tube bank)이며 관내 응축과정에 대하여 Shah의 상관식을 사용하여 관내 응축열전달계수를 결정하였다⁽¹²⁾, 기본적으로 흡수과정은 물질전달의 측면에서 응축과정과 아주 다르나 외부 냉각공기로의 열전달률이 흡수과정을 지배한다는 가정하에 흡수 열전달률에 대하여도 Shah의 상관식을 사용하였다. 관군에 대한 공기측의 열전달계수는 Gray와 Webb의 상관식을 사용하였다⁽¹³⁾
- 시스템을 구성하는 각 검사체적에 대하여 식 (1)~(4)의 지배방정식을 적용하고 구성 관계식을 대입하면 각 검사체적의 온도, 압력, 농도 혹은 기공률, 그리고 유량에 대한 미분방정식들을 유도할 수 있다. 이 미분방정식들을 Runge-Kutta- Merson⁽¹⁶⁾ 방법으로 시간에 대한 수치적분을 수행하여 시스템의 동적 해석을 수행하였다. 수치 계산 과정에서 시간 증분은 종속변수의 상대오차가 5x10^-5 이하가 되도록 자동적으로 조정하였으며 모든 변수의 변화율이 10-7 이하일 때 정상 상태에 도달한 것으로 판정하였다.

성능/효과

(1) 열수력학 모델은 암모니아-물 흡수식 냉각기의 각 요소의 상태량과 열 및 물질 전달률의 변화를 예측할 수 있으며 그 결과는 상용화된 암모니아-물 흡수식 냉각기의 일반적인 정상상태 운전특성 및 성능과 부합하고 있다.
(3) 시스템의 시간상수는 초기농도가 증가하면 감소하고 충전비에 대하여 선형적으로 증가한다.
(3) 열 및 물질교환기에서 작동유체의 엔탈피는 길이방향으로 선형적으로 변화한다.
이 미분방정식들을 Runge-Kutta- Merson⁽¹⁶⁾ 방법으로 시간에 대한 수치적분을 수행하여 시스템의 동적 해석을 수행하였다. 수치 계산 과정에서 시간 증분은 종속변수의 상대오차가 5x10^-5 이하가 되도록 자동적으로 조정하였으며 모든 변수의 변화율이 10-7 이하일 때 정상 상태에 도달한 것으로 판정하였다.

후속연구

암모니아-물 흡수식 시스템은 열전달 특성과 유지 및 관리의 용이성이 뛰어나고 빙점 이하의 낮은 온도에서도 운전이 가능하며 공냉화와 소형화에 적합하다. 암모니아의 유독성과 폭발성이 제한적 요소이나 시스템의 안전 및 안정화 기술의 개발과 함께 향후 암모니아-물 흡수식 시스템의 보급은 지속적으로 확대될 것으로 예측된다.

참고문헌 (16)

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상세보기
Dittus, F. W. and Boelter, L. M. K., 1930, Univ. of California Pub., Eng .. Vol. 2, p.443
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상세보기
Gray, D. L. and Webb, R L., 1986, Heat transfer and friction correlations for plate fin an tube heat exchangers having plain fins, Heat Transfer, Vol. 6, pp.2746-2750
Yih, S. M., 1986, Modeling heat and mass transport in falling liquid films, Edited by Cheremisinoff, N. P., Handbook of Heat and Mass Transfer, Vol. 2, pp. 111-210
Seban, R. A. and McLaughlin, E. F., 1963, Heat transfer in tube coils with laminar and turbulent flow, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 6, pp. 387-395.
Lance, G. N., 1960, Numerical methods for high speed computer, lliffe & Sons, pp. 54-57

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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