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 Mixture원문보기
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.
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.
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...
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, solution heat exchangers, a solution pump, a rectifier, and a liquid/vapor separator. The compression/absorption hybrid heat pump was designed to produce hot water above $90^{\circ}C$ using high-temperature glide during a two-phase heat transfer. Distinct characteristics of the nonlinear temperature profile should be considered to maximize the performance of the absorber. In this study, the performance of the absorber was investigated depending on the capacity, shape, and arrangementof the plate heat exchangers with regard tothe concentration and distribution at the inlet of the absorber.
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, solution heat exchangers, a solution pump, a rectifier, and a liquid/vapor separator. The compression/absorption hybrid heat pump was designed to produce hot water above $90^{\circ}C$ using high-temperature glide during a two-phase heat transfer. Distinct characteristics of the nonlinear temperature profile should be considered to maximize the performance of the absorber. In this study, the performance of the absorber was investigated depending on the capacity, shape, and arrangementof the plate heat exchangers with regard tothe concentration and distribution at the inlet of the absorber.
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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.
제안 방법
기액분리기 및 정류기는 스테인리스스틸(SUS304) 재질로 자체 제작하여 사용하였다. 2 차측 유체의 실험조건을 조절을 위하여 삼방밸브, 전기히터를 PID 제어기를 사용하여 일정하게 온도를 유지 할 수 있도록 하였다.
이를 위해서 혼합상태를 균질 혼합물로 분배하기 위하여 노즐 및 믹서를 사용했다. 또한 판형열교환기 내부에는 Fig. 6 과 같은 분배기를 내부에 삽입하여 삼각입구가 중력방향으로 설치하여 분배에 대한 위험 요소를 최소화하고 흡수가 잘 일어나도록 다양한 형태의 판형열교환기를 적용하여 최적화 실험을 수행하였다. 특히 Kang 등(6)의 연구에 의하면 유하액막형(falling film type) 흡수기보다 기포형(bubble type) 흡수기가 상방유동으로 인한 열전달 특성이 우수함으로써 열교환기를 보다 컴팩트하게 할 수 있으나 압력강하가 높다.
본 연구에서 사용된 흡수기는 판형열교환기로 시스템의 컴팩트화를 위해 적용되었다. 흡수기의 입구 조건은 기체와 액상의 암모니아수용액이 혼합 되어져 낮은 건도의 2 상 상태의 혼합물 상태로 흡수기 입구로 흡입되어 진다.
성능비교를 위해 실험과정에서 고온수온도를 흡수기 입구와 출구에서 각각 50℃, 90℃로 유지하였다. 실험결과 흡수기 출구의 냉매온도가 70℃ 정도로 높게 형성되는 것을 볼 수 있었다.
의 저서에서 보고되었다. 실제 하이브리드 시스템의 적용에 따른 결과를 알아보고 최적의 흡수기 타입을 알아보기 위해 Fig. 9 같이 실험장치를 구성하여 2 가지 타입에 흡수기에 따른 실험을 수행하였으며 앞서 실험의 결과를 반영하여 흡수기 3 번을 1 번 전단으로 이동 설치하여 실험하였다. 전체적인 실험 결과는 Table 4 에서 나타내고 있으며 흡수기 최종온도(Tr4)가 흡수기 3 번 위치를 Fig.
흡수기 토출 온도의 상승은 로렌츠 사이클의 장점을 감소시키는 것이며, 압축기의 압축비를 증가시켜 소비 전력의 증가를 초래 한다. 이 같은 문제를 해결하고자 Fig. 8 과 같이 추가 열교환기 설치 및 흡수기 1 번과 2 번 중간 배관에 믹서를 추가로 설치하여 흡수기 2 번에서의 흡수과정을 촉진하기 위한 실험을 수행하였다.
이의 결과로 많은 양에 기체 흡입으로 인해 수액기 내부에서 흡수가 일어나는 것으로 예측되었다. 이에 다음 절에서는 흡수기 3 번을 흡수기 전단으로 수정하였으며 흡수기 3 번을 기포식과 유하액막형으로 교차 실험을 수행하였다.
초기 실험은 문헌에 기초하여 흡수기 1(HX-2)은 기포형 타입으로 흡수기 2(HX-1)는 유하액막형으로 2 개의 열교환기를 적용하여 실험하였다. Fig.
흡수기 입구 상태가 건도가 약 0.5 인 이상 상태로 판형열교화기 입구 냉매 분배를 위해 노즐, 믹서 및 분배기를 적용하였으며 노즐 및 믹서인 경우 서로 비교시 뚜렷한 성능차이를 나타내지 않았다.
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.
대상 데이터
열교환기는 니켈브레이징(Nickel-brazed) 판형열교환기를 사용하였고, 용액펌프는 고압의 양정에 견딜 수 있는 다이아프램(diaphragm) 왕복동식의 정량펌프를 적용하였다. 기액분리기 및 정류기는 스테인리스스틸(SUS304) 재질로 자체 제작하여 사용하였다. 2 차측 유체의 실험조건을 조절을 위하여 삼방밸브, 전기히터를 PID 제어기를 사용하여 일정하게 온도를 유지 할 수 있도록 하였다.
저단 및 고단 압축기는 암모니아의 부식성에 의해 개방형 압축기를 선정하였다. 열교환기는 니켈브레이징(Nickel-brazed) 판형열교환기를 사용하였고, 용액펌프는 고압의 양정에 견딜 수 있는 다이아프램(diaphragm) 왕복동식의 정량펌프를 적용하였다. 기액분리기 및 정류기는 스테인리스스틸(SUS304) 재질로 자체 제작하여 사용하였다.
성능/효과
흡수기 열교환기(HX3)를 설치하여 출구의 온도를 약 2-3℃를 낮추는 효과는 있었다. 다만 열교환기 용량 증가에 비해 큰 의미가 없음을 말해주고 있으며, 특히 흡수기 출구의 혼합냉매 상태가 여전히 2 상 상태인 것을 확인할 수 있었다. 두 경우 모두 완전히 흡수되지 않은 암모니아 기체가 수액기 내부에서 부분적으로 흡수가 일어남을 알 수 있었다.
보조 실험으로 수액기 후단에 추가 열교환기 설치하였으나, 이는 수액기 전단의 흡수기의 입구 조건을 나쁘게 하여 과냉상태의 냉매가 토출될 것을 요구하는 출구조건이 오히려 나빠졌음을 확인하였다. 이의 결과로 많은 양에 기체 흡입으로 인해 수액기 내부에서 흡수가 일어나는 것으로 예측되었다.
두 경우 모두 완전히 흡수되지 않은 암모니아 기체가 수액기 내부에서 부분적으로 흡수가 일어남을 알 수 있었다. 상대적으로 믹서의 긍정적인 효과는 상대적으로 작음을 알 수 있었다.
성능비교를 위해 실험과정에서 고온수온도를 흡수기 입구와 출구에서 각각 50℃, 90℃로 유지하였다. 실험결과 흡수기 출구의 냉매온도가 70℃ 정도로 높게 형성되는 것을 볼 수 있었다. 흡수기 토출 온도의 상승은 로렌츠 사이클의 장점을 감소시키는 것이며, 압축기의 압축비를 증가시켜 소비 전력의 증가를 초래 한다.
혼합 초기에는 분사 직후의 불완전 혼합상태에 의해 Ts1 이 노즐쪽이 낮게 나온 것을 알 수 있었다. 실험결과를 보면 기포형 흡수기 1 이 유하액막형 흡수기 2 에 비해 UA 값이 높은 것을 알 수 있다.
9 같이 실험장치를 구성하여 2 가지 타입에 흡수기에 따른 실험을 수행하였으며 앞서 실험의 결과를 반영하여 흡수기 3 번을 1 번 전단으로 이동 설치하여 실험하였다. 전체적인 실험 결과는 Table 4 에서 나타내고 있으며 흡수기 최종온도(Tr4)가 흡수기 3 번 위치를 Fig. 8 과 같은 기존의 배치에 비해 Fig. 9 와 같이 변경하면서 약 68℃에서 약 63℃로 낮아진 것을 알수 있으며 흡수기 반응이 더욱 활발해져 온도구배가 증가했고 기존에 비해 열교환 성능이 개선이 된 것을 알 수 있다.
이는 열교환기 내부에서 핀치점이 생길 수 있으며 이를 최소하기 위한 최적화가 필요하다. 특히 입구 농도에 따라 흡수기에 최적 조건이 바뀌는 것을 알 수 있으며 운전 조건에 따른 최적 혼합냉매의 농도가 존재하며 본 연구의 운전 조건(50-90℃)에서는 비교적 고농도를 유지해야 원하는 높은 온도구배 및 높은 성능을 얻을 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.
흡수기 내부에는 열 뿐만 아니라 물질 전달도 일어나 일정 열량에 따라 온도가 비선형의 형태로 변하는 것을 알 수 있었다. 이는 열교환기 내부에서 핀치점이 생길 수 있으며 이를 최소하기 위한 최적화가 필요하다.
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.
참고문헌 (8)
Kim, M., Baik, Y.-J., Shin, K.-H., Park, S.-R., Chang,
Baik, Y.-J., Park, S.-R., Chang, K.-C. and Ra, H.-S.,
Baik, Y.-J., Park, S.-R., Kim, S.-J., Chang, K.-C. and
Ahlby, L., Hodgett, D. and Berntsson, T., 1991, “Optimization Study of the Compression/absorption Cycle,” Int. J. Refrig., Vol. 14, pp. 16-23.
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.
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
Herold, K.E., Radermacher, R., Klein, S.A., 1996, Absorption Chillers and Heat Pump, CRC Press, New York, p. 218.
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