[논문]흡착식 냉동기의 열 및 물질전달에 관한 실험적 연구

권오경; 윤재호; 주영주; 김용찬; 김종하

문제 정의

본 연구에서는 흡착식 냉동기의 작동 매체로서 실리카겔-물계를 사용하고 흡착과정 중에서의 흡착 특성을 알아보기 위해서 나 관과 핀 튜브에서 실 리카겔의 입자크기에 따른 흡착률, 열 유속 및 질량 유속에에 대한 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 흡착식 냉동기의 작동 매체로서 실리카겔-물계를 사용하고 흡착과정 중에서의 흡착능력의 특성을 알아보기 위해 나 관(Bare tube) 과 핀 튜브(Fin tube)에서 실리카겔의 입자크기에 따른 흡착률과 열 유속 및 질량 유속에 대한 실험을 수행하였다. 또한 핀 튜브에서는 핀 피치(Fin pitch)에 대한 영향을 파악하였다.

가설 설정

A : 열교환기의 면적 Cm?]

제안 방법

(3) 은 실리카겔 A타입과 제오라이트 13X에 대해서 열 및 물질전달 특성을 파악하였으며, Ng et al."'은 수분 균형 방법 (moisture balance method) 등을 사용하여 실리카겔 A, 3A, RD 타입에 대한 등온특성을 파악하였다.
'°은 흡착성능에 영향을 주는 실리카겔 입자반경, 베드 높이, 흡착제의 충 진방법 등에 연구를 수행하였으며, Boelman et al.(2) 은 10kW 냉동능력을 가지는 실리카겔-물계 흡착식 냉동기에 대해서 여러 가지 작동조건을 변화시켜서 시스템의 성능을 실험적으로 파악하였다.
본 연구에서는 흡착식 냉동기의 작동 매체로서 실리카겔-물계를 사용하고 흡착과정 중에서의 흡착능력의 특성을 알아보기 위해 나 관(Bare tube) 과 핀 튜브(Fin tube)에서 실리카겔의 입자크기에 따른 흡착률과 열 유속 및 질량 유속에 대한 실험을 수행하였다. 또한 핀 튜브에서는 핀 피치(Fin pitch)에 대한 영향을 파악하였다.
2에 나타내었다. 실 험장치의 구성은 냉매인 증기(물)를 생성하는 스 팀 제너레이터(증발기), 탈착 시 증기의 응축을 위한 응축기는 1/4” 튜브 6m를 감았으며 내부에는 냉각수가 흐르고 튜브 외부에는 탈착 시에 발생하는 수증기가 응축되어 액주계로 모이도록 설계하였다. 또한 실리카겔이 충전되어 있는 bed (test section)와 열교환기, bed 내의 항온유지를 위한 항온조기, 원활한 탈착 진행을 위한 진공펌프, 그 외 각종 밸브와 SUS 배관으로 이루어져 있다.
충전 층 내부의 온도측정은 T 타입 열전대를 사용하였으며, 열전대 보정을 시행한 후 실험을 수행하였다. 실험구간 내의 열전대의 위치는 높이 5mm, 30mm, 80mm, 105mm에 설치하였으며, 수평 방향으로 3포인트씩 총 12포인트의 열전대를 심어서 각 열(row)마다의 평균값을 취하여 대표 값으로 사용하였다. 압력은 충 전 층 전후 입, 출구에서 각각 측정하였다.
5는 충전 층의 온도변화에 따른 흡착률을 시간에 따라 나타낸 것이다. 실험에 사용된 입자 크기는 0.25~ 1.18mm이며, 충전 층의 온도는 25, 35, 45℃인 경우에 흡착률을 측정하였다. 흡착률의 진행 과정은 Fig.
4는 실 리 카겔 입 자크기에 따른 홉착률을 시간에 따라 나타낸 것이다. 실험에 사용된 입자 크기는 0.25~1.18, 1.7-3, 3.35mm의 3종류이며, 충전 층의 온도는 25℃, 압력은 25kPa인 나 관에서 홉착률을 측정하였다. 모든 입자에서 흡착이 시작되는 초기에 흡착이 급격하게 진행되다가 흡착 진행 후 약 400sec 이후에 홉착평형이 일어났으며 입자크기가 작은 경우가 흡착률이 크게 나타났다.
8은 핀튜브의 핀피 치에 따른 흡착률을 시간에 따라 나타낸 것이다. 실험에 사용된 핀 튜브 의 핀 피치는 2.3, 2.8 mm이며, 입자크기는 0.25- 1.18mm에서 흡착률을 측정하였다. 핀에 의한 열 및 물질전달의 향상으로 핀 튜브가 나 관에 비해서 흡착률은 약 21% 정도 나타났으며 핀 피치가 작은 2.
실험은 흡착과 탈착을 교대로 전환시키면서 실험을 수행하였다. 먼저 흡착과정에서 흡착 시 증 발기의 히터를 75℃로 증가 시켜 그 온도가 안정 상태에 도달하였을 때, 밸브를 열어 냉매 증기가 실리카겔에 흡착되도록 하였다.
실험구간 내의 열전대의 위치는 높이 5mm, 30mm, 80mm, 105mm에 설치하였으며, 수평 방향으로 3포인트씩 총 12포인트의 열전대를 심어서 각 열(row)마다의 평균값을 취하여 대표 값으로 사용하였다. 압력은 충 전 층 전후 입, 출구에서 각각 측정하였다.
흡착률은 흡착제의 질량과 흡착된 냉매 증기량 의 비로 식(1)을 이용하여 계산하였으며, 열 유속 과 질량 유속은 식(2) 와 (3) 을 이용하였다. 열 유속 은 전열 면에서 냉각수가 얻은 흡착 열량(kW)을 열교환기의 면적으로 나누었으며, 질량 유속은 흡착제 질량과 흡착률을 냉매 증기 유입면적(4 = 0.065n?)과 흡착 시간으로 나누어 입자 내부로의 확산 등을 고려하였다.
47:1이다. 충전 층 내부의 온도측정은 T 타입 열전대를 사용하였으며, 열전대 보정을 시행한 후 실험을 수행하였다. 실험구간 내의 열전대의 위치는 높이 5mm, 30mm, 80mm, 105mm에 설치하였으며, 수평 방향으로 3포인트씩 총 12포인트의 열전대를 심어서 각 열(row)마다의 평균값을 취하여 대표 값으로 사용하였다.
충전 층 내의 실리카겔의 질량은 2kg을 충전하였으며, 열교환기 내 냉각수의 유량은 5001/h로 일정하게 유지하였다. 흡착이 종료되면 밸브를 닫아 유입된 증기의 질량을 측정하고 흡착률을 계산하였다. 흡착이 종료된 후에는 탈착 과정으로 밸브를 전환시켰다.

대상 데이터

Table 2는 실험에 사용된 실리카겔 입자 크기별 분산분포와 평균값을 나타낸 것이며, 실리카겔 각 각에 대한 분산분포는 0.25~ 1.18 mm인 경우에 99.7 wt%, 1.7~3.0mm인 경우에 96.7wt%, 3.35 mm인 경우에 98.7wt%의 범위 내에 있으며, 측정에 사용된 실리카겔은 일본 F 사(RD타입)의 제품을 사용하였다.
본 연구에 사용된 실험 장치는 하나의 흡착탑에서 흡착, 탈착을 반복적으로 시행하는 개념의 batch type의 실험 장치로, 흡착제와 냉매의 흡착량의 측정과 실험구간(Test section) 내의 온도, 압력분포를 측정할 수 있도록 설계, 제작되었다. 장치의 개략적인 구성은 Fig.
증발기 내부에는 물의 가열을 위한 카트리 지형 히터(2kW)를 장착하였으며, 히터의 온도조절은 PID 온도조절기를 통하여 냉매인 증기온도 를 일정하게 유지하였다. 실험에 사용된 실리카 겔은 일본 Fuji Silisia 사의 입자크기가 다른 3종 류(0.25~ 1.18, 1.7-3.0, 3.35mm)의 RD형을 사용하였고 열교환기로는 나 관과 핀튜브를 사용하였 으며 그 사양은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

(1) 실험을 통하여 실리카겔 크기별, 온도별, 열교환기 종류별 흡착률과 열 유속 및 질량 유속을 정량적으로 평가함으로써 적절한 실리카겔의 입 자크기와 열교환기를 선정할 수 있었다.
(2) 흡착식 냉동사이클에서 흡착 및 탈착 공정 시간이 7~8분 정도인 것을 감안하면 본 실험에서의 흡착률은 400초 이후에 정상 상태에 도달하므로 타당성이 있는 실험이라고 판단된다.
(3) 나 관의 열교환기에서 실리카겔 입자크기가 작을수록(0.25~ 1.18 mm>1.7~3 mm>3.35 mm) 흡착률이 증가함을 보였다.
(4) 흡착탑 내의 충전 층의 온도가 냉매 증기가 유입되는 하단부에서 가장 높게 나타났으며(5mm) 상단부에서 가장 낮게 나타났다(105 mm). 또한 홉 착탑 전후의 압력 차이를 살펴본 결과 입자크기가 작은 경우 냉매 증기의 유입 저항은 커지게 되지만 이보다는 홉착제 입자와의 접촉면적과 유효열전도율의 증가로 인해 압력차이는 크게.
(5) 핀 튜브의 열교환기에서 흡착률은 나 관인 경우보다 약 21% 정도 증가하였으며, 핀 피치가 작은 경우(2.3 mm)가 큰 경우(2.8 mm)보다 흡착률, 열 및 질량 유속이 증가하는 경향을 보였다.
35mm의 3종류이며, 충전 층의 온도는 25℃, 압력은 25kPa인 나 관에서 홉착률을 측정하였다. 모든 입자에서 흡착이 시작되는 초기에 흡착이 급격하게 진행되다가 흡착 진행 후 약 400sec 이후에 홉착평형이 일어났으며 입자크기가 작은 경우가 흡착률이 크게 나타났다. 이는 입자크기가 작은 경우 냉매 증기의 유 입 저항은 커지게 되지만 이보다는 전열 면이나 흡착제 입자와의 접촉면적과 유효열전도율의 증가로 인해 흡착률은 크게 증가하는 것으로 판단된다.
10은 나 관에 대해서 입자크기를 변화시키는 경우에 열 및 질량 유속을 시간에 따라 나타낸 것이다. 열 및 질량 유속은 Fig. 4의 시간에 따른 흡착률과 Fig. 7의 흡착탑 전후의 압력 차이와 크게 관계가 있는 것으로 판단되며 입자 크기가 작을수록 열 및 질량 유속은 크게 나타나는 경향을 보였다.
이는 입자크기가 작은 경우 냉매 증기의 유 입 저항은 커지게 되지만 이보다는 전열 면이나 흡착제 입자와의 접촉면적과 유효열전도율의 증가로 인해 흡착률은 크게 증가하는 것으로 판단된다. 일반적으로 흡착식 냉동사이클에서 흡착 및 탈착 공정시간이 7~8분 정도인 것을 감안하면 본 실험에서의 흡착실험은 400초 이후에 흡착률이 정 상 상태에 도달하므로 타당성이 있다고 판단된다.
4의 흡착률의 실험 결과와 마찬가지로 흡착이 진행되면서 충전 층 내 압력차이는 흡착이 평형상태에 도달하는 400 sec 이후에서는 거의 같아짐을 알 수 있었다. 충전 층 전후에서 실리카겔의 입자크기가 달라짐에 따라 압력차이가 존재하였으며, 입자크기가 작은 경우 냉매 증기의 유입 저항은 커지게 되지만 이보다는 흡착제 입자와의 접촉면적과 유효열전도율의 증가로 인해 압력차이는 크게 나타남을 알 수 있었다.
18mm에서 흡착률을 측정하였다. 핀에 의한 열 및 물질전달의 향상으로 핀 튜브가 나 관에 비해서 흡착률은 약 21% 정도 나타났으며 핀 피치가 작은 2.3 mm인 경우가 2.8 mm인 경우보다 홉착률 이 증가하는 경향을 보였다. 이것은 핀 피치가 작으면 동일한 전열 면에서 핀 피치가 큰 것에 비해 핀 수가 많아.

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