[논문]실리카겔-물계 흡착식 냉동기 사이클 시뮬레이션

권오경; 윤재호

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.2.116

실리카겔-물계 흡착식 냉동기 사이클 시뮬레이션
Cycle Simulation of an Adsorption Chiller Using Silica Gel-water 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.31 no.2 = no.257, 2007년, pp.116 - 124

권오경 (한국생산기술연구원 열유체시스템팀) , 윤재호 (한국생산기술연구원 열유체시스템팀)

Abstract ▼ AI-Helper

An adsorption chiller is expected to have high energy-efficiency in utilizing the waste heat exhausted from a process. The objective of this paper is to investigate the performance of silica gel-water adsorption chiller from the cycle simulation and to provide a guideline for design of the adsorption chiller. The effect of cycle time, inlet temperature and water flow rate on the cooling capacity and COP is quantified during the cycle operation. It is found that the performance of adsorption chiller is more sensitive to the change of inlet water temperature rather than the water flow rate. It is concluded that the COP is 0.57 in the standard conditions(hot water $80^{\circ}C$, cooling water $30^{\circ}C$, chilled water inlet temperatures $14^{\circ}C$ and cycle time 420sec).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실리카겔-물계 흡착식 냉동기 시스템의 특성을 평가하기 위해서 Fortrani- 이용한 사이클 시뮬레이션 프로그램을 개발하였으며, 시스템의 작동조건에 따른 성능특성을 정량적으로 평가하였다. 이를 통하여 얻어진 데이터는 흡착식 냉동기의 최적 설계 및 제작자료로 활용하고자 한다.
본 연구에서는 실리카겔-물계 흡착식 냉동기사이클 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 시스템의 작동조건에 따른 성능특성을 평가하였으며, 이를 통하여 얻어진 결과는 다음과 같다.
평가하였다. 이를 통하여 얻어진 데이터는 흡착식 냉동기의 최적 설계 및 제작자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

(3) 단위시간당의 증발량과 흡착량 및 응축량과 탈착량은 각각 같다.
(4) 흡착제 전체의 열용량은 흡착제 자체의 열용량과 내부에 흡착되어있는 냉매의 열용량의 합과 같다.
(5) 응축기에서 발생된 물은 순간적으로 증발기로 흐른다.
(8) 외부로의 열손실 및 불응축가스의 영향은무시가능하다.

제안 방법

(1) 사이클 시뮬레이션을 통하여 각 열교환기입, 출구 온도특성을 파악하였으며, 실험데이타와의 비교분석을 통하여 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다.
COP는 사이클 시간이증가할수록 증가하는 경향을 보였으며 이는 구동열원의 열량감소에 의한 것으로 판단된다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 냉동능력과 COP를 고려하여 적정 사이클 시간은 420초로 설정하였다.
한 사이클을 크게 4가지로 나누어 각각의 과정을 A, B, C, D라 하면, 과정 A는 우선 밸브 2, 3 을 열고, 열교환기 1에 냉각수를 흘려 충전되어있는 실리카겔의 온도를 내려 흡착과정을 진행한다. 이 과정에서 증발기내의 물이 기화하여 냉열 (乙를 얻는다.

대상 데이터

탈착기 열교환기는 원형 핀튜브 열교환기로서 튜브의 재질은 구리, 핀의 재질은 알루미늄이다. 사용된 흡착제는실리카겔 RD형으로서 관련물성은 Table 2에 나타내었다. Table 3은 사이클 시뮬레이션의 작동조건을 나타낸 것이다.

이론/모형

흡착평형식은 Saha 등의。, 4)실험 데이터를 통하여 구한 Frendlich의 방정식을 이용하였다.
표면확산계수 Ds는 Sakoda 등(1)이 제시한 식을사용하였으며, 이 식은 입자내에서 물질이동은표면확산에 지배되며, 흡착제 세공의 내부표면에흡착된 분자가 흡착상태에서 세공내를 이동하는것을 토대로 구하였다.
흡착제 충전층의 밀도 및 유효열전도율은 Saha 등이S) 제시한 식을 사용하였다.

성능/효과

2와 같다. (1) 증발기, 응축기, 열교환기 1・2의 내부온도는 각각 일정하고 항상 포화상태로 유지되어 있다. (2) 열교환기 1・2에 있어서 충전층내의 실리카겔의 흡착량은 일정하다.
(2) 사이클 시간 연화에 따라 냉동능력은 사이클 시간 360초까지 점차로 증가하다가 서서히 감소하는 경향을 보였으며, COP는 사이클 시간이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 냉동능력과 COP를 고려하여 적정 사이클 시간은 420초로 설정하였다.
(1) 증발기, 응축기, 열교환기 1・2의 내부온도는 각각 일정하고 항상 포화상태로 유지되어 있다. (2) 열교환기 1・2에 있어서 충전층내의 실리카겔의 흡착량은 일정하다.
(3) 냉각수온도가 낮고 온수온도와 냉수 온도가 높을수록 냉동능력과 COP는 크게 나타났다. 기준조건인 냉각수온도 3(rc, 온수온도 sot, 사이클 시간 420초에서 냉동능력은 llkW> COP는 0.
(4) 냉각수 및 온수유량은 L7kg/s까지는 다소증가하다가 그 이후에는 시스템의 성능에 큰 변화가 없었으나 냉수유량은 0.7kg/s까지 급격하게증가하다가 그 이후에는 서서히 증가하는 경향을나타내었다. 그러나 냉수유량이 증가하게 되면냉수출구 온도도 증가하게 되므로 적절한 냉수유량의 설정이 대단히 중요함을 알 수 있다.
(6) 준비과정에서 흡착과정으로 이행할 때 증발기와 흡착기의 압력은 밸브가 열림과 동시에 같아지게 된다. 또한 준비과정에서 탈착 과정으로 이행할 때 응축기와 탈착기에서도 압력이 같아지게 된다.
이것은 실리카겔이 초기에는흡착능력이 활발하다가 360초 이후부터는 포화흡착과 재탈착에 의해서 더 이상 냉동능력은 향상되지 않음을 알 수 있다. COP는 사이클 시간이증가할수록 증가하는 경향을 보였으며 이는 구동열원의 열량감소에 의한 것으로 판단된다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 냉동능력과 COP를 고려하여 적정 사이클 시간은 420초로 설정하였다.
온수유량이 증가할수록 냉동능력과 COP는 냉각수유량과 비숫하게 L7kg/s까지 다소 증가하다가 ■그 이후에는 일정한 경향을 나타내었다. 따라서 냉각수 및 온수 유량을 어느 청도 증가시키더라도 시스템에는 큰 변화가 없음을 알 수 있었다.
이것은 온수온도가 높을수록 탈착이 족진되고 결과적으로 흡착개시시와 탈착 개시와의 흡착량의 차가 커지게 되므로 냉동능력과 COP는증가하게 된다. 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위하여 Chang 둥耕의 실험과 비교한 결과 정성적인 경향은 비슷하였으나 정량적으로 다소 차이가 있었다. 이것은 시뮬레이션 계산시에 여러 가지 가정을 둔 점과 흡착탑의 형상, 흡착제 종류, 열교환기 UA값, 유량에 따른 차이에 따라 결과값은 다소 차이가 있는 것으로 판단된다.
9는 온수유량 변화에 따른 냉동능력과 COP의 변화를 나타낸 것이다. 온수유량이 증가할수록 냉동능력과 COP는 냉각수유량과 비숫하게 L7kg/s까지 다소 증가하다가 ■그 이후에는 일정한 경향을 나타내었다. 따라서 냉각수 및 온수 유량을 어느 청도 증가시키더라도 시스템에는 큰 변화가 없음을 알 수 있었다.

후속연구

그러나 경제성, 제품의 내구성, 성능의 신뢰성 등이입증되지 않아 생산 및 보급은 그다지 활성화되지 않은 상태이다. 하지만 다른 냉방시스템과 비교했을 때 많은 장점(저온폐열 이용가능, 진동소음이 적음, 용액결정 위험이 없음, 추기 불필요등)을 가지고 있으므로 기술개발 및 보급의 확대가 가능하리라 생각된다.

참고문헌 (9)

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Saha, B.B., Boelman, E.C. and Kashiwagi, T., 1995, 'Computer Simulation of a Silica gel-Water Adsorption Refrigeration Cycle- the Influence of Operating Conditions on Cooling Output and COP,' ASHRAE Transactions, Vol. 101, pp. 348-357
Saha, B.B., Boelman, E.C. and Kashiwagi, T., 1995, 'Computational Analysis of an Advanced Adsorption-Refrigeration Cycle,' Energy, Vol. 20, No. 10, pp. 983-994

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Sakoda, A. and Suzuki, M., 1984, 'Fundamental Study on Solar Powered Adsorption Cooling System,' Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 17, No. 1, pp. 52-57

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Cho, S.H. and Kim, J.N., 1992, 'Modeing of a Silica gel/Water Adsorption Cooling System,' Energy, Vol. 17, No. 9, pp. 829-839

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Kwon, O.K., Yun, J.H., Joo, Y.J., Kim, Y.C. and Kim, J.H., 2005, 'An Experimental Study on the Heat and Mass Transfer of Adsorption Chiller,' Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 8, pp. 746-753
Kwon, O.K., Yun, J.H. and Kim, J.H., 2004, 'Measurement of Effective Thermal Conductivity in Silica gel Packed Bed,' Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 16, No. 12, pp. 1126-1133
Chang, W.S., Wang, C.C. and Shieh, C.C., 2006, 'Experimental Study of a Solid Adsorption Cooling System Using Flat-tube Heat Exchagners as a Adsorption Bed,' Applied Thermal Engineering, In Press

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