[논문]핀튜브형 흡착탑에서 열 및 물질전달 수치해석

권오경; 정재동

doi:10.6110/kjacr.2013.25.8.457

핀튜브형 흡착탑에서 열 및 물질전달 수치해석
Numerical Analysis of the Heat and Mass Transfer in a Fin Tube Type Adsorber 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.8, 2013년, pp.457 - 463

권오경 (한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹) , 정재동 (세종대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays, adsorption chillers have been receiving considerable attention, as they are energy saving and environmentally benign systems. A fin tube type heat exchanger in which adsorption/desorption takes place is required with more compact size. The adsorption chiller is expected to have high energy efficiency in utilizing the waste heat exhausted from a process. The objectives of this paper are to scrutinize the effect of design parameters on the adsorption performance, especially the fin pitch of the fin tube, and to develop an optimal design fin tube heat exchanger in a silica gel/water adsorption chiller. From the numerical results, the fin pitch of 2.5 mm shows the highest adsorption rate, compared to other fin pitches, such as 5 mm, 7.5 mm and 10mm. Also, the adsorption rate is affected by the cooling water and hot water temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 실험적으로 규명하기 힘든 흡착탑내에서의 시간에 따른 흡착 및 탈착능력을 해석하고, 그 결과를 통하여, 흡착식 냉동기를 최적 설계하는데 목적이 있다. 이를 위해 핀튜브 모듈에 대해 하나의 단위 핀과 핀사이에서의 열 및 물질전달에 관한 영향을 해석하여, 흡착탑 내부의 흡착률과 온도변화를 알아보고, 핀피치에 따른 흡착률의 영향과 흡착과 탈착시의 온도를 개별적으로 변화시켜 흡착률의 영향을 알아보 았다.

가설 설정

① 흡착제 입자는 균일한 구형입자이다.
② 흡착제 입자 외표면은 항상 입자온도에서 흡착 평형에 도달한다.
③ 입자 내에서 물질이동은 확산이 지배적이다.
④ 흡착제 입자와 전열면의 사이에 접촉저항은 없다.

제안 방법

이를 위해 핀튜브 모듈에 대해 하나의 단위 핀과 핀사이에서의 열 및 물질전달에 관한 영향을 해석하여, 흡착탑 내부의 흡착률과 온도변화를 알아보고, 핀피치에 따른 흡착률의 영향과 흡착과 탈착시의 온도를 개별적으로 변화시켜 흡착률의 영향을 알아보 았다. 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하였고, 연구결과의 검증을 위해 SATR-CCM+를 사용하여 동일한 결과가 나옴을 확인하였다.
본 연구에서는 실험적으로 규명하기 힘든 흡착탑내에서의 시간에 따른 흡착 및 탈착능력을 해석하고, 그 결과를 통하여, 흡착식 냉동기를 최적 설계하는데 목적이 있다. 이를 위해 핀튜브 모듈에 대해 하나의 단위 핀과 핀사이에서의 열 및 물질전달에 관한 영향을 해석하여, 흡착탑 내부의 흡착률과 온도변화를 알아보고, 핀피치에 따른 흡착률의 영향과 흡착과 탈착시의 온도를 개별적으로 변화시켜 흡착률의 영향을 알아보 았다. 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하였고, 연구결과의 검증을 위해 SATR-CCM+를 사용하여 동일한 결과가 나옴을 확인하였다.

데이터처리

본 연구에서 수행한 수치해석의 타당성을 평가하기 위하여 Fig. 3에 상대압력에 따른 흡착등온선을, Fig. 4에 흡착 및 탈착 사이클을 기존에 실험을 통하여 상관식을 제시한 흡착률의 결과와 비교하였다.

성능/효과

(1) 흡착탑 내 실리카겔의 온도분포를 살펴본 결과 핀피치가 작을수록 흡착탑 내에서 열 및 물질전달이 활발하게 일어남을 알 수 있었다.
(2) 핀피치가 작을수록 흡착률이 증가하였으며, 핀피치 2.5 mm에서 최대 0.198의 흡착률을 얻었으며 핀피치 10 mm와 비교하여 약 46% 증가함을 알 수 있었다.
(3) 냉각수 온도가 낮을수록 흡착률이 증가하였으며, 냉각수 온도 25°C, 온수 온도 80°C에서 최대 0.267(g/g)의 흡착률을 보였다.
(4) 온수 온도가 높을수록 탈착률이 증가하였으며, 냉각수 온도 30°C, 온수온도 90°C에서 최대 0.0348(g/g)의 탈착률을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착탑 내부에서는 어떤 반응이 일어나는가	흡착식 냉동기는 흡착탑 내부에서의 흡착 및 탈착 현상을 이용하여, 냉수를 얻는 시스템으로 흡착제와 냉매의 쌍으로 이루어져 있다. 흡착탑 내부에서는 흡착 및 탈착 반응시 냉매증기에서 흡착제로의 열 및 물질전달이 복잡하게 나타나며, 흡착탑 내에서의 열 및 물질전달의 정확한 규명은 흡착식 냉동 시스템의 성능을 높이는 중요한 인자로 작용된다. 또한 흡착 탑내에서의 빠른 열 및 물질전달은 사이클 시간을 단축할 수 있으며, 흡착 및 탈착능력을 높일 수 있다.
	흡착식 냉동기는 어떤 시스템인가	흡착식 냉동기는 흡착탑 내부에서의 흡착 및 탈착 현상을 이용하여, 냉수를 얻는 시스템으로 흡착제와 냉매의 쌍으로 이루어져 있다. 흡착탑 내부에서는 흡착 및 탈착 반응시 냉매증기에서 흡착제로의 열 및 물질전달이 복잡하게 나타나며, 흡착탑 내에서의 열 및 물질전달의 정확한 규명은 흡착식 냉동 시스템의 성능을 높이는 중요한 인자로 작용된다.
	흡착식 냉동시스템이 흡수식 냉동기와 비교했을 때의 장점은?	흡착식 냉동시스템에서의 흡착제와 냉매는 저온폐열(약 60～90°C)이 이용 가능한 실리카겔/물계 시스템이 일본을 중심으로 상업화에 성공하였으며, 이 때의 이용 열원은 산업용 공정, 가스엔진, 연료전지 등에서 발생하는 열을 다양하게 사용할 수가 있어 에너지의 유용성이 장점으로 부각된다. 또한 흡수식 냉동기와 비교하여 동력을 사용하지 않아 소음이 없고, 화학 반응에 의한 기체(불활성 기체)의 발생이 없어, 추가적인 추기작업이 불필요하며, 공급열원의 온도변화에도 냉동능력은 크게 변화하지 않는다.

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