본 연구에서는 천연냉매를 적용한 압축/흡수식 하이브리드 고온제조 히트펌프를 실험적으로 연구한 결과를 제시하였다. 압축/흡수식 히트펌프는 기존의 증기압축 히트펌프에 비해 고온영역을 포함한 넓은 생산온도범위, 높은 승온기능, 다양한 용량 제어방법 등 여러가지 장점을 가지고 있다. 제작된 하이브리드 히트펌프는 현재 실제 산업현장에 적용하기 이전의 초기 시제품 단계로 실험실에 설치하여 운전하였으며, 주요 구성부품으로는 이단압축기, 흡수기, 재생기, 과열냉각기, 용액 열교환기, 용액펌프, 기액분리기/정류기 등이다. 성능실험에서 $50^{\circ}C$의 열원을 고온 및 저온열원으로 사용한 결과 $90^{\circ}C$ 이상의 고온수 토출과 10 kW급의 난방 용량을 얻을 수 있었다. 혼합냉매의 성분비 변화에 따른 압축기/펌프 유량의 순환비 변화 및 다양한 성능변화를 실험적으로 관찰하였으며, 시스템의 효율과 용량에 있어 최적 성분비가 존재함을 확인하였다.
본 연구에서는 천연냉매를 적용한 압축/흡수식 하이브리드 고온제조 히트펌프를 실험적으로 연구한 결과를 제시하였다. 압축/흡수식 히트펌프는 기존의 증기압축 히트펌프에 비해 고온영역을 포함한 넓은 생산온도범위, 높은 승온기능, 다양한 용량 제어방법 등 여러가지 장점을 가지고 있다. 제작된 하이브리드 히트펌프는 현재 실제 산업현장에 적용하기 이전의 초기 시제품 단계로 실험실에 설치하여 운전하였으며, 주요 구성부품으로는 이단압축기, 흡수기, 재생기, 과열냉각기, 용액 열교환기, 용액펌프, 기액분리기/정류기 등이다. 성능실험에서 $50^{\circ}C$의 열원을 고온 및 저온열원으로 사용한 결과 $90^{\circ}C$ 이상의 고온수 토출과 10 kW급의 난방 용량을 얻을 수 있었다. 혼합냉매의 성분비 변화에 따른 압축기/펌프 유량의 순환비 변화 및 다양한 성능변화를 실험적으로 관찰하였으며, 시스템의 효율과 용량에 있어 최적 성분비가 존재함을 확인하였다.
This research concerns the development of a compression/absorption high-temperature hybrid heat pump that uses a natural refrigerant mixture. Heat pumps based on the compression/absorption cycle offer various advantages over conventional heat pumps based on the vapor compression cycle, such as large...
This research concerns the development of a compression/absorption high-temperature hybrid heat pump that uses a natural refrigerant mixture. Heat pumps based on the compression/absorption cycle offer various advantages over conventional heat pumps based on the vapor compression cycle, such as large temperature glide, temperature lift, flexible operating range, and capacity control. In this study, a lab-scale prototype hybrid heat pump was constructed with a two-stage compressor, absorber, desorber, desuperheater, solution heat exchanger, solution pump, liquid/vapor separator, and rectifier as the main components. The hybrid heat pump system operated at 10-kW-class heating capacity producing hot water whose temperature was more than $90^{\circ}C$ when the heat source and sink temperatures were $50^{\circ}C$. Experiments with various $NH_3/H_2O$ mass fractions and compressor/pump circulation ratios were performed on the system. From the study, the system performance was optimized at a specific $NH_3$ concentration.
This research concerns the development of a compression/absorption high-temperature hybrid heat pump that uses a natural refrigerant mixture. Heat pumps based on the compression/absorption cycle offer various advantages over conventional heat pumps based on the vapor compression cycle, such as large temperature glide, temperature lift, flexible operating range, and capacity control. In this study, a lab-scale prototype hybrid heat pump was constructed with a two-stage compressor, absorber, desorber, desuperheater, solution heat exchanger, solution pump, liquid/vapor separator, and rectifier as the main components. The hybrid heat pump system operated at 10-kW-class heating capacity producing hot water whose temperature was more than $90^{\circ}C$ when the heat source and sink temperatures were $50^{\circ}C$. Experiments with various $NH_3/H_2O$ mass fractions and compressor/pump circulation ratios were performed on the system. From the study, the system performance was optimized at a specific $NH_3$ concentration.
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문제 정의
본 연구에서는 산업공정에서 배출되는 중저온폐열을 고온으로 재활용하기 위하여 압축/흡수 개념을 통합한 하이브리드 히트펌프 연구를 수행하였다. 암모니아/물 혼합냉매를 이용하였으며, 실험실 규모의 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 산업체에 다량으로 분포하고 있는 50℃이하 수준의 저온 폐열을 효과적으로 회수하여 90℃이상의 고온수로 생산하는 것을 목표로 하는 히트펌프를 실험실 규모로 제작하여 성능실험을 수행하였다.
또한 승온 온도의 한계, 유동적이지 못한 운전 범위, 용량제어 한계 및 순수냉매를 사용하는 압축식 히트펌프 사이클인 경우 응축이나 증발시 작동유체간의 온도구배 차이에 의한 열교환성능 저하, 흡수식 사이클의 낮은 성능계수 등이 있다. 이같은 약점을 해소하고 기존 사이클의 단점을 보완하려는 목적으로 두 개념이 결합된 하이브리드 사이클이 제안되었다. 기존 연구로는 기본 하이브리드 사이클에 대한 연구부터(3) 흡수기와 재생기간의 내부열교환을 통하여 압축기 효율향상을 도모할 수 있는 내부열교환식(DAHX, Desorber-Absorber Heat eXchange) 하이브리드 사이클에 대한 연구(4) 등 다양한 형태로 연구가 수행되고 있다.
제안 방법
암모니아 농도는 정지상태에서 기액분리기의 하단의 암모니아 희용액 농도를 나타낸다. 0.20의 낮은 성분비에서 시작하여 암모니아를 기액분리기에 주입하여 성분비를 0.44까지 상승시키며 실험하였다. 암모니아 성분비가 상승함에 따라 압축기 전반부의 압력변화가 발생하는데, 이에 의해 순환비의 변화는 0.
재생기 입구의 농용액의 온도를 감소시키고 희용액에 온도를 증가시키기 위한 용액열교환기와 중간냉각기(intercooler)를 설치하였다. 또한 압축기인 경우 토출온도의 상승을 억제하기 위한 헤더 상부에 냉각팬을 설치하였으며 용액펌프는 고압의 양정에 견딜 수 있는 다이어프램(diaphragm) 왕복동식의 정량펌프를 적용하였다. 기액분리기/애널라이저는 스테인리스강(SUS-304) 재질로 자체 제작하여 사용하였으며 흡수기와 재생기에 흐르는 2차유체는 대항류로 유로가 형성되도록 하였다.
2의 전체 실험장치도에서 정류시스템(rectification system)의 세부사항을 나타내었다. 실험 초기에는 하부에 가열부가 설치된 기액분리기만으로 실험을 수행하였는데, 압축기로 희용액의 일부가 액적(mist) 상태로 흡입되는 것을 관찰하였으며, 추후 이를 방지하기 위해 기액분리기 출구에 수분 응축을 위한 냉각코일이 포함된 애널라이저(analyzer)를 추가 설치하여 정류시스템을 완성하였다. 이를 통해 압축기 입구의 암모니아 기체 순도를 고농도로 유지할 수 있었다.
실험방법은 기액분리기(separator) 하단의 희용액 농도를 기준으로 초기 저농도 상태에서 암모니아 기체를 일정 주기로 시스템에 충전하여 조성비 변화에 따라 시스템 성능과 운전 현상을 파악해보았으며 희용액의 성분비와 압축기/펌프의 냉매 질량 순환비에 따라 실험하였다. 암모니아/물의 혼합냉매 성분비는 하이브리드 히트펌프에서 중요한 성능인자로 전체 냉매의 질량에 대한 암모니아의 질량비를 나타내는 값을 의미한다.
실험조건은 흡수기 및 재생기의 2차 유체 입구 조건을 일정하게 유지하였으며 흡수기인 경우 2차측 물 입구온도 50℃, 유량 0.250 m3/h, 재생기는 물 입구온도 50℃, 유량 0.300 m3/h로 고정하였다. 압축기와 펌프는 인버터를 설치하여 저단 압축기는 45 Hz, 고단 압축기는 36 Hz, 용액펌프는 5 Hz로 일정하게 유지하여 실험을 수행하였다.
2는 하이브리드 히트펌프 실험장치의 흐름도를 보여주고 있다. 암모니아 압축시 고온토출에 의한 냉동유 탄화현상이 발생하는데, 토출온도를 낮추기 위하여 2단 압축시스템으로 설계하였다. 저단(LS, Low-pressor Stage) 및 고단(HS, High-pressure Stage) 압축기는 모두 암모니아용 개방형 압축기로 체적비 3:1로 선정하였다.
300 m3/h로 고정하였다. 압축기와 펌프는 인버터를 설치하여 저단 압축기는 45 Hz, 고단 압축기는 36 Hz, 용액펌프는 5 Hz로 일정하게 유지하여 실험을 수행하였다. 암모니아 농도는 정지상태에서 기액분리기의 하단의 암모니아 희용액 농도를 나타낸다.
기액분리기/애널라이저는 스테인리스강(SUS-304) 재질로 자체 제작하여 사용하였으며 흡수기와 재생기에 흐르는 2차유체는 대항류로 유로가 형성되도록 하였다. 재생기 2차측 유로는 기액분리기 하단 내부열교환기를 통과하여 하단의 희용액과 일차적으로 열교환할 수 있도록 구성하였다.(5,6)
이에 1번 흡수기는 열교환기 하단부로 희용액과 냉매증기가 혼합되어 상향유동에서 흡수가 발생하는 기포형(bubble type)으로, 2번 흡수기는 하향유동의 유하액막형(falling-film type)으로 구성하였다. 재생기 입구의 농용액의 온도를 감소시키고 희용액에 온도를 증가시키기 위한 용액열교환기와 중간냉각기(intercooler)를 설치하였다. 또한 압축기인 경우 토출온도의 상승을 억제하기 위한 헤더 상부에 냉각팬을 설치하였으며 용액펌프는 고압의 양정에 견딜 수 있는 다이어프램(diaphragm) 왕복동식의 정량펌프를 적용하였다.
현재 실험용 시제품은 증기압축식과 흡수식 사이클을 상호 보완한 하이브리드 사이클을 기본으로하여 냉매는 친환경 자연냉매인 암모니아/물 혼합냉매를 적용하였으며 히트펌프의 온수용량은 10 kW 급으로 열원온도는 50℃, 공급온도는 90℃으로 설계하였고 다양한 성능실험을 통하여 운전특성을 확인하는 연구를 진행중에 있다.(2)
대상 데이터
또한 압축기인 경우 토출온도의 상승을 억제하기 위한 헤더 상부에 냉각팬을 설치하였으며 용액펌프는 고압의 양정에 견딜 수 있는 다이어프램(diaphragm) 왕복동식의 정량펌프를 적용하였다. 기액분리기/애널라이저는 스테인리스강(SUS-304) 재질로 자체 제작하여 사용하였으며 흡수기와 재생기에 흐르는 2차유체는 대항류로 유로가 형성되도록 하였다. 재생기 2차측 유로는 기액분리기 하단 내부열교환기를 통과하여 하단의 희용액과 일차적으로 열교환할 수 있도록 구성하였다.
저단(LS, Low-pressor Stage) 및 고단(HS, High-pressure Stage) 압축기는 모두 암모니아용 개방형 압축기로 체적비 3:1로 선정하였다. 흡수기와 재생기는 니켈브레이징(Nickel-brazed) 판형열교환기를 사용하였다. 흡수기에서는 냉매의 열방출에 따라 암모니아 기체가 희용액에 흡수가 원활하게 발생하는 것이 중요한데, 이를 위하여 2개의 판형열교환기를 사용하였다.
성능/효과
실험에서 토출온도를 올리기 위하여는 암모니아 성분비를 적정선 이상으로 높이는 것이 중요하였는데, 성분이 증가할수록 흡수기 입구의 혼합온도가 상승하여 2차유체 출구온도도 높아졌다. 실험결과 열원온도 50℃ 조건으로 희용액에서 암모니아의 성분비가 0.421, 흡수기의 입구 순환비 약 0.9일 때 설계치인 용량 10 kW, 2차유체 출구온도가 90℃에 도달하였다.
최종 설계온도 및 용량을 달성하기 위한 인자로는 초기에 충전된 암모니아 농도가 매우 중요하였다. 실험에서 토출온도를 올리기 위하여는 암모니아 성분비를 적정선 이상으로 높이는 것이 중요하였는데, 성분이 증가할수록 흡수기 입구의 혼합온도가 상승하여 2차유체 출구온도도 높아졌다. 실험결과 열원온도 50℃ 조건으로 희용액에서 암모니아의 성분비가 0.
암모니아 농도에 따라 순환비가 크게 변하였으며, 흡수기에서의 열교환 성능 또한 크게 차이나는 것을 알 수 있었다. 순환비가 2.
정류시스템으로 기액분리기와 애널라이저를 함께 설치함으로써 압축기 입구의 암모니아 농도를 0.99 이상으로 유지하고 수분유입을 최대한 방지할 수 있었다. 압축기 입구에서의 암모니아 순도 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 에너지원 연구가 필요한 배경은 무엇인가?
현재 우리나라에서 소비되는 에너지원의 대부분을 수입에 의존하고 있으며 새로운 에너지원 개발과 함께 기존 시스템의 효율향상, 미활용 에너지원의 이용기술 등 다양한 분야의 연구가 필요한 시점이다. 특히 산업분야에서 활용되지 못하고 외부로 배출되는 폐열이 다량 존재하는 것으로 조사되고 있다.
50℃ 이하의 저온 폐열을 재사용하기 위해서는 어떤 것이 이루어져야하는가?
특히 산업분야에서 활용되지 못하고 외부로 배출되는 폐열이 다량 존재하는 것으로 조사되고 있다. 이 중 50℃ 이상의 중고온인 경우 간단한 폐열회수 열교환기를 사용함으로써 일부를 회수할 수가 있으나 50℃ 이하의 저온 폐열인 경우 주변 공정에 다시 사용하기에는 온도가 낮아, 재사용을 위해서는 적절한 고온으로 승온이 이루어져야 한다. 이와 관련된 선행 연구결과를 살펴보면 저온 폐열을 히트펌프로 승온할 경우 효율측면에서 유리하지만 연소식 보일러에 비해 고가이고 복잡한 구조로 인하여 보급이 더딘 편이다.
증기압축식 히트펌프 사이클과 흡수식 사이클 방식의 약점은 무엇인가?
증기압축식 히트펌프 사이클과 흡수식 사이클 방식은 다양한 영역에서 적용되고 있으나, 시스템의 제한적인 특성으로 인해 적용영역은 좁은 편이다. 또한 승온 온도의 한계, 유동적이지 못한 운전 범위, 용량제어 한계 및 순수냉매를 사용하는 압축식 히트펌프 사이클인 경우 응축이나 증발시 작동유체간의 온도구배 차이에 의한 열교환성능 저하, 흡수식 사이클의 낮은 성능계수 등이 있다. 이같은 약점을 해소하고 기존 사이클의 단점을 보완하려는 목적으로 두 개념이 결합된 하이브리드 사이클이 제안되었다.
참고문헌 (9)
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Baik, Y.-J., Park, S.-R., Chang, K.-C. and Ra, H.-S., 2004, "Simulation of Compression/absorption Hybrid Heat Pump System using Industrial Wastewater Heat Source," Korean J. of Air- Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol.16, No.12 , pp.1117-1126.
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Kim, J., Kim, M., Baik, Y.-J., Park, S.-R., Chang, K.-C., Ra, H.-S. and Kim, Y.-C., 2011, "Experimental Study on Optimization of Absorber Configuration in Compression/ Absorption Heat Pump with NH3/H2O Mixture," Trans. of the KSME (B), Vol. 35, No. 3, pp. 229-235.
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