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NH3/H2O 혼합냉매를 사용한 압축/흡수식 히트펌프 시스템의 흡수기 최적화에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Optimization of Absorber Configuration in Compression/Absorption Heat Pump with NH3/H2O Mixture 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.3 = no.306, 2011년, pp.229 - 235  

김지영 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  김민성 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  백영진 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  박성룡 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  장기창 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  나호상 (한국에너지기술연구원 태양열지열연구센터) ,  김용찬 (고려대학교기계공학과)

초록
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본 연구는 암모니아/물 혼합냉매를 이용한 압축/흡수식하이브리드 히트펌프 개발에 관한 연구이다. 히트펌프 사이클은 증기압축식과흡수식을 혼합한 개념으로 이단압축기, 흡수기, 재생기, 과열냉각기, 용액열교환기(SHX), 용액펌프, 정류기, 기액분리기 등으로 구성되어 있다. 압축/흡수식 히트펌프는 상변화 열교환과정에서 높은 온도구배를 이용하여 $90^{\circ}C$ 이상의 고온을 제조하기 위한 목적으로 고안되었다. 특히 흡수기에서의 응축과정은 비열변화로 인하여 온도변화에 비선형성이 뚜렷한데, 시스템 성능 최적화를 위하여는 흡수기의 설계가 중요하다. 본 연구에서는 다수의 판형열교환기로 흡수기를 구성하였는데 열교환기의 용량, 형태, 배치에 따른 성능특성을 실험적으로 관찰하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This research aims todevelopa compression/absorption hybrid heat pump system using an $NH_3/H_2O$ as working fluid.The heatpump cycle is based on a combination of compression and absorption cycles. The cycle consists of two-stage compressors, absorbers, a desorber, a desuperheater, soluti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 산업공정에서 배출되는 다량의 중저온의 페열을 효과적으로 활용하기 위한 암모니아/물을 냉매로 사용하는 압축/흡수식 하이브리드 히트펌프 개발에 관한 기초 연구로써 최적의 흡수기 구성에 관한 연구를 진행하였다. 흡수기의 선정은 시스템의 콤팩트화를 위해 브레이징 판형열교환기를 선정하였으며 길이, 높이, 폭이 다른 3 가지 열교환기를 사용하여 최적화에 대한 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 이와 같이 산업체에 다량으로 분포하고 있는 저온 폐열을 효과적으로 회수, 활용하기 위한 방안으로 증기 압축식과 흡수식 사이클을 상호 보완한 하이브리드 히트펌프 개발에 관한 기초연구를 수행하고 있으며 특히 히트펌프 시스템의 여러 주요 부분 중 열원을 공급하는 흡수기의 최적화에 대한 실험적 연구를 수행하였다.(1,2)
  • 반면 유하액막형은 압력강하가 작다는 이점이 있으나 액막에 의해 열 및 물질 전달 면적이 줄어 들게 되며, 기포형에 비하여 액상 냉매의 분배를 잘 고려하여야 하는 단점이 있다. 본 연구에서도 이러한 내용을 바탕으로 흡수기의 최적화에 대한 실험 조건을 설정하고 실험을 수행하였다. Table 1 은 본 연구의 실험조합을 나타내며, 이를 통하여 흡수기를 최적화 하고자 한다.

가설 설정

  • 1 Total capacity of the mixer and nozzle cases are the same.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
산업용 히트펌프를 설치하는 이유는 무엇인가? 다만 단순 보일러와 같은 열공급장치에 비해 고가이고 복잡한 구조로 인하여 히트펌프의 설치는 일부 제약이 따른다. 이와 같은 제약에도 불구하고 산업용 히트펌프를 설치하는 이유는 단순히 에너지절약 때문만이 아니라, 공정의 제어를 좋게 할 수 있고, 배출물의 오염감소, 폐열의 온도저감 및 냉각수이용의 절감 등과 같은 장점이 있기 때문이다. 또한 공정에 사용되는 히트펌프의 경우는 냉난방용과는 달리 연중 운전됨에 따라 운전율이 높아 단기간에 경제성을 확보할 수 있다.
암모니아/물 냉매를 사용한 압축/흡수 하이브리드 히트펌프의 작동 원리는? 1 은 암모니아/물 냉매를 사용한 압축/흡수 하이브리드 히트펌프의 개념도를 나타내었으며 작동원리는 다음과 같다. 우선, 발생기에서는 팽창밸브를 통과하여 저온, 저압의 암모니아/물 혼합물 중 주로 증기압이 높은 암모니아가 저온의 폐열을 열원으로써 증발하게 되며 기액 분리기내에서 용액과 증기로 분리된다. 이렇게 분리된 용액은 정유량펌프를 통해 가압되어 고압의 용액이 되며, 증기는 압축기를 통해 압축된다. 압축된 증기와 고압 용액이 흡수기 입구에서 만나고 흡수과정이 발생한다. 흡수기에서 냉매증기의 흡수가 일어나는 동안 발생하는 흡수열은 공정수(90-100℃)를 제조하는 데 사용된다. 고농도 용액은 팽창밸브를 통해 압력이 낮아지고 재생기로 다시 돌아가는 과정을 이루게 된다. 또한 용액 열교환기에서는 온도가 높은 고동도의 용액과 온도가 낮은 희용액 사이에 열교환이 이루어진다.
히트펌프 사이클은 무엇으로 구성되어 있는가? 본 연구는 암모니아/물 혼합냉매를 이용한 압축/흡수식하이브리드 히트펌프 개발에 관한 연구이다. 히트펌프 사이클은 증기압축식과흡수식을 혼합한 개념으로 이단압축기, 흡수기, 재생기, 과열냉각기, 용액열교환기(SHX), 용액펌프, 정류기, 기액분리기 등으로 구성되어 있다. 압축/흡수식 히트펌프는 상변화 열교환과정에서 높은 온도구배를 이용하여 $90^{\circ}C$ 이상의 고온을 제조하기 위한 목적으로 고안되었다.
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참고문헌 (8)

  1. Kim, M., Baik, Y.-J., Shin, K.-H., Park, S.-R., Chang, 

  2. Baik, Y.-J., Park, S.-R., Chang, K.-C. and Ra, H.-S., 

  3. Baik, Y.-J., Park, S.-R., Kim, S.-J., Chang, K.-C. and 

  4. Ahlby, L., Hodgett, D. and Berntsson, T., 1991, “Optimization Study of the Compression/absorption Cycle,” Int. J. Refrig., Vol. 14, pp. 16-23. 

  5. Itard, L.C.M. and Machielsem, C.H.M., 1994, “Considerations When Modeling Compression Resorption Heat Pump,” Int. J. Refrig., Vol. 17, No. 7, pp. 453-460. 

  6. Kang, Y.T., Akisawa, A. and Kashiwangi, T., 2000, “Analytical Investigation of Two Different Absorption Modes: Falling Film and Bubbles,” Int. J. Refrig., Vol. 23, No. 6, pp. 430-443. 

  7. Nordtvedt, S. R., 2005, “Experimental and theoretical study of a compression/absorption heat pump with ammonia/water as working fluid,” Ph. D. dissertation, Norwegian University of Science and Technology, Kjeller, Norway 

  8. Herold, K.E., Radermacher, R., Klein, S.A., 1996, Absorption Chillers and Heat Pump, CRC Press, New York, p. 218. 

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