[논문]저온열구동 흡착탑 냉방 해석

정재동

문제 정의

따라서 이 연구에서는 흡착탑의 성능에 영향을 미칠 것으로 기존 논문에서 보고된 10개의 인자(핀 피치, 핀 두께, 핀 높이, 확산계수, 입자 크기, 사이클 시간, 사이클 시간비, 온수 온도, 유체 속도, 공극률)를 토대로 실험계획법에 근거하여 이들의 영향을 종합적이고 체계적으로 살펴보는 것을 목표로 한다. 이를 통해 흡착탑의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자들을 찾고, 각 인자의 최적조건을 찾아내어 동연구그룹이 진행 중인 흡착냉동시스템 개발에 있어서 시스템 최적화에 기여할 것이다.
본 연구에서는 핀튜브 형상의 흡착탑에 대한 2차원 축대칭 모델을 대상으로 흡착탑의 성능에 대해 수치적으로 연구하였다. COP와 SCP 각각에 대한 기존 논문을 토대로 10가지 인자를 선정하여 각 인자의 기여도를 분석하고 이를 바탕으로 최적조건을 찾기 위해 실험계획법에 의한 분산분석을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다.

가설 설정

1) 흡착제는 균일한 구형입자로 이루어져 있고, 공극률은 균일하다.
2) 수증기와 흡착제 열적 평형관계에 있다.
3) 흡착탑 내에서 원주방향으로의 유동은 무시한다.
6) 수증기는 이상기체로 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 핀튜브 형상의 흡착탑에 대한 2차원 축대칭 모델을 대상으로 흡착탑의 성능에 대해 수치적으로 연구하였다. COP와 SCP 각각에 대한 기존 논문을 토대로 10가지 인자를 선정하여 각 인자의 기여도를 분석하고 이를 바탕으로 최적조건을 찾기 위해 실험계획법에 의한 분산분석을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 수치모델에 대한 보다 더 자세한 설명은 저자의 다른 논문⁽¹⁴⁾에서 찾을 수 있다. 기존 논문을 토대로 흡착탑의 성능에 영향을 미치는 10개의 인자들을 선정하여 표 1에 나타내었다. 표 1에서 cycle ratio는 식 (1), (2)에 따른 흡착시간과 탈착시간의 비로서 cycle time을 기준으로 나누어진다.

데이터처리

6) 본 연구에서 실시한 분산분석에 대한 검증을 실시하였으며, 이 결과로부터 최적화된 COP 및 SCP를 찾을 수 있었다.
본 연구를 수행하는데 있어 실험의 횟수를 줄이기 위해 3수준계의 13인자 이하의 범위에서 사용할 수 있는 직교배열표 L₂₇(3¹³)를 사용하였다. 교호작용은 없다고 가정하였으며 분산분석(Analysis Of Variance, ANOVA)을 통해 각 인자의 기여도를 산출하였다.
)의 직교배열표에 따라 실시한 27개의 COP, SCP값을 표 2에 언급하였다. 표2의 결과를 바탕으로 COP와 SCP에 대한 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며 이를 표 3과 표 5에 나타내었다. 여기서 S는 제곱합, φ는 자유도, V는 불편분산, F₀는 분산비, ρ는 기여도를 의미한다.
50 GHz를 사용하였을 경우 하나의 수치해석 모델 당 12시간 이하인 것으로 나타났다. 해석은 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+ v7.04를 사용하였다.

이론/모형

각 인자의 수준은 기준값의 ±20%, 즉 3수준으로 정하였다. 본 연구를 수행하는데 있어 실험의 횟수를 줄이기 위해 3수준계의 13인자 이하의 범위에서 사용할 수 있는 직교배열표 L₂₇(3¹³)를 사용하였다. 교호작용은 없다고 가정하였으며 분산분석(Analysis Of Variance, ANOVA)을 통해 각 인자의 기여도를 산출하였다.
는 생성상으로서 냉수와 온수가 흡착탑으로부터 주고받는 열전달량을 의미한다. 유체와 튜브사이의 대류계수값은 Dittus-Boelter 식을 사용하였으며 다음과 같이 표현된다.
흡착식 냉동기의 보급에 가장 큰 저해요인으로는 상대적으로 낮은 성능과 큰 시스템 크기로서, 각 인자들에 따른 흡착식 냉동기의 영향을 평가하기 위하여 COP(Coefficient of performance)와 SCP (Specific cooling power)를 사용하였으며 다음과 같이 각각 표현된다.

성능/효과

1) COP의 경우 핀 두께가 기여도 48.8%, 핀 피치가 기여도 27.1%를 가짐으로써 COP에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 판단되었다.
2) 핀 두께는 작을수록, 핀 피치는 클수록, 입자크기는 작을수록, 사이클 타임은 길수록, 사이클 시간비는 흡착시간이 탈착시간에 비해더 길수록, 그리고 공극률은 클수록 COP가 커지는 것으로 나타났다.
3) SCP의 경우 온수온도가 기여도 74.2%, 사이클 시간이 18.4%로서 SCP에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 판단되었다.
4) 핀 피치는 작을수록, 핀 높이는 작을수록, 확산계수는 클수록, 입자크기는 작을수록, 사이클 타임은 짧을수록, 사이클 타임비는 흡착시간이 탈착시간에 비해 더 길수록, 온수온도는 높을수록, 유체속도는 빠를수록 SCP가 커지는 것으로 나타났다.
5) SCP의 경우 핀 두께와 공극률은 큰 영향력을 갖지 못하는 것으로 나타났다.
격자의 독립성을 보이기 위해 2,800∼5,000개의 격자에 대한 grid test를 진행하였으며 3,400개 정도의 격자를 사용하였을 때 상대적으로 가장 정확하고 빠른 결과를 얻을 수 있었다.
네 번째로 기여도가 큰 인자는 온수온도(ρ = 6.40%)로 나타났다.
다섯 번째로 큰 기여도를 갖는 사이클 시간(ρ = 4.97%)의 경우 사이클 타임이 길수록 COP가 증가하는 것으로 나타났다.
가장 기여도가 큰 핀 두께의 경우 가장 얇을수록 좋으며 이는 핀 두께가 얇아짐에 따라 thermal mass가 작아지고 흡착제의 부피는 더 커져서 식 (20)의 분자가 커졌기 때문으로 해석할 수 있다. 두 번째로 기여도가 큰 인자로서 핀 피치의 경우 핀 피치가 클수록 COP가 큰 것으로 나타났다. 이는 유체로부터 흡착탑에 공급되는 열량 대비 사용되는 흡착제의 부피가 더 커져서 식 (20)에서의 분자에 해당하는 증발열량이 증가하기 때문으로 해석할 수 있다.
입자 크기는 가장 작을 때가 좋은데 이는 작은 입자일수록 입자내 물질전달능력이 향상되기 때문이며 Niazmand and Dabzadeh¹²⁾의 연구에서도 같은 양상을 보이고 있다. 사이클 시간비에 대해서는 탈착시간 대비 흡착시간이 클수록 SCP가 더 좋은 것을 알 수 있으며 유체속도의 경우 가장 빠른 속도가 가장 높은 SCP를 갖는 것으로 나타났다. 사이클 시간비와 유체속도에 대해서는 Sapienza et al.
세 번째로 기여도가 높은 인자는 핀 높이(ρ = 1.56%)이다.
세 번째로 큰 기여도를 갖는 공극률(ρ = 8.03%)의 경우, 그 값이 커질수록 COP의 값도 증가하는 것을 확인하였다.
¹⁰⁾는 새로운 흡착제와 흡착질인 LiNO₃, 버미큘라이트를 사용하여 사이클 시간 그리고 사이클 시간비가 흡착탑의 성능에 미치는 영향에 대해 실험적으로 연구하였다. 이 연구에 의하면 사이클 시간과 사이클 시간 비가 클수록 흡착탑의 성능이 더 좋은 것으로 나타났다.
Leong and Liu⁷⁾은 제올라이트를 사용한 흡착탑에 대해 흡착제의 높이, 흡착제 입자의 지름, 흡착제 공극률 등의 인자에 대해 연구하였다. 이 연구에서 흡착탑의 높이가 높아질수록 COP는 증가, SCP는 감소하는 것으로 나타났으며 흡착제 입자와 공극률은 COP와 SCP에 큰 영향을 끼치지 않는다는 결과를 보였다. 이 연구에서 각각의 인자에 대한 영향을 잘 분석하고 있지만, simple tube type 흡착탑에 대한 해석으로 현실적인 적용에 제한이 있다.
¹¹⁾의 연구와 달리 본 연구에서는 표 4로부터 최적값을 갖는 온수온도가 존재하는 것으로 나타났다. 즉, 온수온도가 임계점 이하일 경우 흡착탑으로 공급되는 열전달량(식 (20)의 분모)에 비해 흡착되는 증기의 양(식 (20)의 분자)이 더 크나 임계점 이상이 되면 흡착탑으로 공급되는 열전달량이 증발열량보다 더 큰 것으로 나타났다. 그러나 Riffel et al.
표 3으로부터 핀 두께, 핀 피치가 각각 48.81%, 27.09%의 기여도를 가짐으로써 COP에 가장 큰 영향을 미치는 인자들임을 알 수 있다. 표 4에 나타낸 각 인자의 수준별 모평균을 보면 그 방향성을 알 수 있다.
핀 피치, 입자크기, 사이클 시간비 그리고 유체속도의 기여도는 각각 0.59%, 0.39%, 0.18%, 0.49%로 나타났다. 표 6으로부터 핀 피치가 증가할수록 SCP가 감소함을 알 수 있으며 이는 핀 높이의 방향성과 같은 맥락으로 해석할 수 있다.
확산계수는 1.5×10-10 m2/s, 유체속도는 0.1 m/s일 때 최대 COP를 갖는 것으로 나타났다.

후속연구

이 연구에서 흡착탑의 높이가 높아질수록 COP는 증가, SCP는 감소하는 것으로 나타났으며 흡착제 입자와 공극률은 COP와 SCP에 큰 영향을 끼치지 않는다는 결과를 보였다. 이 연구에서 각각의 인자에 대한 영향을 잘 분석하고 있지만, simple tube type 흡착탑에 대한 해석으로 현실적인 적용에 제한이 있다. Zhang and Wang⁸⁾은 판형 핀을 사용한 흡착탑에 대한 3차원 해석모델을 개발하여 핀의 높이와 핀 피치가 COP 및 SCP에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
따라서 이 연구에서는 흡착탑의 성능에 영향을 미칠 것으로 기존 논문에서 보고된 10개의 인자(핀 피치, 핀 두께, 핀 높이, 확산계수, 입자 크기, 사이클 시간, 사이클 시간비, 온수 온도, 유체 속도, 공극률)를 토대로 실험계획법에 근거하여 이들의 영향을 종합적이고 체계적으로 살펴보는 것을 목표로 한다. 이를 통해 흡착탑의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자들을 찾고, 각 인자의 최적조건을 찾아내어 동연구그룹이 진행 중인 흡착냉동시스템 개발에 있어서 시스템 최적화에 기여할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착식 냉동기란?	흡착식 냉동기는 흡착제와 냉매의 가역반응에 따르는 발열, 흡열현상을 이용하는 냉동 열기관으로 저온 열원(60~90℃)으로 구동되고 냉매로 물, 메탄올, 에탄올, 암모니아 등을 사용하여 전기압축 프레온 냉방기를 대체하는 열구동, 환경친화적 냉방시스템이다. 흡착식 냉동사이클에서 두 개의 흡착탑은 흡착 시에는 상온의 냉각수를 이용하고, 탈착 시에는 저온의 열에너지, 예를 들면 태양열, 지역난방수, 엔진배열, 공정에서 버려지는 저온 폐열 등을 구동 열에너지로 이용된다.
	무전력 또는 저전력으로 구동되는 환경친화적 냉방시스템이 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 이유는?	경제의 발전에 따른 쾌적한 주거 및 근무환경 추구와 지구온난화로 인한 기온 상승으로 하절기 냉방 수요가 급격히 증가하고 있다. 하지만 대부분의 냉방에 사용되는 전기압축식 프레온 냉동기는 많은 전력 공급 문제와 프레온 사용으로 인한 환경파괴 문제를 가지고 있다. 따라서 무전력 또는 저전력으로 구동되는 환경친화적 냉방시스템이 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
	흡착탑의 성능에 영향을미칠 것으로 기존 논문에서 보고된 10개의 인자는?	따라서 이 연구에서는 흡착탑의 성능에 영향을미칠 것으로 기존 논문에서 보고된 10개의 인자(핀 피치, 핀 두께, 핀 높이, 확산계수, 입자 크기, 사이클 시간, 사이클 시간비, 온수 온도, 유체 속도, 공극률)를 토대로 실험계획법에 근거하여 이들의 영향을 종합적이고 체계적으로 살펴보는 것을 목표로 한다. 이를 통해 흡착탑의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자들을 찾고, 각 인자의 최적조건을 찾아내어 동 연구그룹이 진행 중인 흡착냉동시스템 개발에 있어서 시스템 최적화에 기여할 것이다.

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