[논문]저온 폐열 활용을 위한 2중 효용 2단 흡수식 히트펌프 시뮬레이션

김내현

doi:10.5762/kais.2015.16.11.7736

저온 폐열 활용을 위한 2중 효용 2단 흡수식 히트펌프 시뮬레이션
Simulation of a Double Effect Double Stage Absorption Heat Pump for Usage of a Low Temperature Waste Heat 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.11, 2015년, pp.7736 - 7744

초록
AI-Helper

막대한 산업용 에너지가 폐열로 버려지는 상황에서 폐열, 특히 저온 폐열의 효과적인 이용은 매우 중요하다. 본 연구에서는 $160^{\circ}C$의 고온 열원과 $17^{\circ}C$ 저온 하수열을 사용하여 $50^{\circ}C$의 온수를 $70^{\circ}C$로 승온시키며 성적계수는 1.6을 만족하는 2중 효용 2단 흡수식 히트펌프 사이클을 고안하였다. 제 1 재생기에서 증발한 냉매 증기는 제 1 응축기에서 응축하면서 제 2 재생기에서 다시 냉매를 발생시킨다. 이 냉매는 제 2 응축기를 거쳐 제 2 증발기에 모아진다. 이 냉매의 일부는 제 1 증발기로 이동하여 저온 열원을 받아들이고 제 1 흡수기를 거쳐 제 2 증발기에 공급된다. 제 2 증발기를 나온 냉매는 제 2 흡수기에서 용액에 흡수된다. 이 때 온수의 온도는 제 2 응축기와 제 2 흡수기에서 승온된다. 시행착오를 통하여 승온 $20^{\circ}C$, 성적계수 1.6을 만족시키는 유량과 열교환기의 UA 값을 도출하였다. 성적계수는 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 감소하고 유량이 증가할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 감소할수록 증가한다. 반면 온수의 승온온도는 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 증가하고 유량이 감소할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 증가할수록 증가한다. 또한, 열교환기의 UA 값이 증가할수록 성적계수 및 온수 승온 온도도 증가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Considering the significant waste of industrial energy, effective use of low temperature waste heat is extremely important. In this study, a heat pump cycle with double effect and double stage was realized, which escalates the hot water temperature from $50^{\circ}C$ to $70^{\circ}C$ using $160^{\circ}C$ high temperature heat source and $17^{\circ}C$ low temperature heat source. The steam generated in the first generator condenses in the first condenser generating steam in the second generator. The steam condenses in the second condenser and is provided to the second evaporator. Part of the water out of the second evaporator is supplied to the first evaporator, which evaporates using low temperature waste heat. The evaporated steam enters the first absorber and the second evaporator. The steam out of the second evaporator is absorbed into the solution at the second absorber. The hot water temperature is raised in the second condenser and in the second absorber. Proper flow rates and UA values, which satisfied temperature lift $20^{\circ}C$ and COP 1.6, were deduced through trior and error. The COP increases as the temperature of the high temperature water increases, hot water temperature decreases and flow rate increases, waste water temperature and flow rate increases, solution circulation rate decreases. On the other hand, the temperature rise of the hot water increases as the temperature of the high temperature water increases, hot water temperature increases and flow rate decreases, waste water temperature and flow rate increases, solution circulation rate increases. In addition, the COP and hot water temperature rise increase as UAs of the heat exchangers increase.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한, 이 싸이클에서 설계 변수가 히트펌프의 성적계수와 온수의 승온에 미치는 영향을 시뮬레이션 통하여 검토하였다. 본 연구는 저온 하수 폐열이 존재하고 고온의 열원이 가능한 하수처리장의 폐열회수를 목적으로 하고 있다.
본 연구는 하수열을 저온 열원으로 하는 LiBr-H₂O 제 1종 흡수식 히트펌프 싸이클에 대한 것이다. 160℃의 고온 열원과 17℃ 저온 하수열을 사용하여 50℃의 온수를 70℃로 승온시키며 성적계수는 1.

제안 방법

O 제 1종 흡수식 히트펌프 싸이클에 대한 것이다. 160℃의 고온 열원과 17℃ 저온 하수열을 사용하여 50℃의 온수를 70℃로 승온시키며 성적계수는 1.6을 만족하는 흡수식 사이클을 구현하고자 한다. 또한, 이 싸이클에서 설계 변수가 히트펌프의 성적계수와 온수의 승온에 미치는 영향을 시뮬레이션 통하여 검토하였다.
4) 시행착오를 통하여 성적계수 1.6, 승온 20^oC를 만족시키는 유량과 열교환기 UA값을 도출하였다.
지금까지의 연구들은 폐열의 온도가 60℃ 이상인 제2종 흡수식 히트펌프에 대한 연구가 대부분이었고 [4-8], 저온의 폐열을 이용하는 제1종 흡수식 히트펌프에 관한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 국내에서는 Youn [9]이 40℃의 폐온수를 저온 열원으로 이용하는 1중 효용 흡수식 히트펌프에 대해 사이클 해석을 수행하고 성능 시험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 예측치는 성능 시험 결과와 잘 일치하였는데 40℃의 온수는 80℃로 승온되고 약 1.
6을 만족하는 흡수식 사이클을 구현하고자 한다. 또한, 이 싸이클에서 설계 변수가 히트펌프의 성적계수와 온수의 승온에 미치는 영향을 시뮬레이션 통하여 검토하였다. 본 연구는 저온 하수 폐열이 존재하고 고온의 열원이 가능한 하수처리장의 폐열회수를 목적으로 하고 있다.
본 연구에서는 160℃의 고온 열원과 17℃ 저온 하수 열을 사용하여 50℃의 온수를 70℃로 승온시키며 성적 계수는 1.6을 만족하는 흡수식 히트펌프 사이클을 구현하였다. 또한, 이 싸이클에서 설계 변수가 히트펌프의 성적계수와 온수의 승온에 미치는 영향을 시뮬레이션 통하여 검토하였다.

데이터처리

해석 모델의 검증을 위하여 실험 데이터가 확보된[13] 1중 효용 흡수식 냉동기에 대하여 시뮬레이션을 수행하고 실험 결과와 비교하였다. Fig.

성능/효과

3) 제 1 재생기에서 증발한 냉매 증기는 제 1 응축기 에서 응축하면서 제 2 재생기에서 다시 냉매를 발생시킨다. 이 냉매는 제 2 응축기를 거쳐 제 2 증발기에 모아진다.
5) 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 감소하고 유량이 증가할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 감소할수록 성적계수는 증가한다. 반면 온수의 승온온도는 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 증가하고 유량이 감소할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 증가할수록 증가한다.
6) 열교환기의 UA 값이 증가할수록 성적계수 및 온수 승온 온도도 증가한다.
[11]은 하수 처리수를 이용하고 1중 효용 (고온사이클)과 2중 효용 (저온사이클)이 조합된 흡수식 히트펌프 시스템에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 하수처리수가 흡수식 히트펌프의 저온 열원으로 적합하다고 제안하였다. Greiter et al.
6%내에서 일치함을 보인다. 따라서 본 연구의 해석 모델이 흡수식 시스템을 적절히 모사하고 있다고 판단된다.
5) 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 감소하고 유량이 증가할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 감소할수록 성적계수는 증가한다. 반면 온수의 승온온도는 고온수의 온도가 증가할수록, 온수의 온도가 증가하고 유량이 감소할수록, 폐온수의 온도와 유량이 증가할수록, 용액 순환량이 증가할수록 증가한다.
국내에서는 Youn [9]이 40℃의 폐온수를 저온 열원으로 이용하는 1중 효용 흡수식 히트펌프에 대해 사이클 해석을 수행하고 성능 시험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 예측치는 성능 시험 결과와 잘 일치하였는데 40℃의 온수는 80℃로 승온되고 약 1.6의 성적계수를 얻었다. Kang et al.
흡수식 히트펌프에서 온수의 승온 폭을 크게 하기 위하여 사용되는 일반적인 방법은 단 (stage)수를 늘리는 것이고, 성적계수를 높이기 위해서는 사용되는 방법은 효용 (effect)의 수를 늘리는 것이다. 예비 연구 결과 본 연구의 목표인 50℃의 온수를 70℃로 승온시키며 성적 계수를 1.6을 달성하기 위해서는 2중 효용 2단 싸이클이 적절한 것으로 판단되었다 [14].

후속연구

7) 본 논문의 결과는 저온 폐열을 이용하는 흡수식 히트펌프 시스템 해석에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효과적인 에너지 활용의 필요성 중 폐열의 효과적인 이용이 시급해 보이는 이유는?	에너지원이 되는 석유나 천연가스 등을 대부분 수입에 의존하면서 에너지 다소비 구조를 갖고 있는 우리나라의 경우, 효과적인 에너지 활용의 필요성은 아무리 강조하여도 지나칠 수 없는 중요한 사항이다. 특히, 산업용 에너지의 12% 정도가 폐열로 버려지는 상황에서 폐열의 효과적인 이용은 매우 시급하다 할 수 있다[1].에너지의 효과적 이용을 위해 과거에는 주로 고온의 폐열을 회수하여 이용하였는데, 이는 고온의 폐열은 가용성이 커서 단순히 열교환기의 사용만으로도 회수가 가능했기 때문이다.
	막대한 산업용 에너지가 폐열로 버려지는 상황에서 중요한 것은 무엇인가?	막대한 산업용 에너지가 폐열로 버려지는 상황에서 폐열, 특히 저온 폐열의 효과적인 이용은 매우 중요하다. 본 연구에서는 $160^{\circ}C$의 고온 열원과 $17^{\circ}C$ 저온 하수열을 사용하여 $50^{\circ}C$의 온수를 $70^{\circ}C$로 승온시키며 성적계수는 1.
	산업화의 발전과 삶의 질 향상으로 해마다 급격하게 증가하는 것은?	산업화의 발전과 삶의 질 향상으로 인하여 에너지의 수요가 해마다 급격하게 증가하고 있다. 에너지원이 되는 석유나 천연가스 등을 대부분 수입에 의존하면서 에너지 다소비 구조를 갖고 있는 우리나라의 경우, 효과적인 에너지 활용의 필요성은 아무리 강조하여도 지나칠 수 없는 중요한 사항이다.

참고문헌 (16)

Park. I. W., Park, J. T. and Yoo, S. Y., "An investigation on the domestic industrial waste heat", Korean J. Air-Conditioning Refrigeration Engineering, Vol. 14, No. 10, pp. 811-816, 2002.
Park, Y. S., "Technology trends on the recovery of waste heat and unused energy using a heat pump", Ministry of Science of Technology, 2011.
Ma, X., Chen, J., Li, S., Sha, Q., Liang, A., Li, W., Zhang, J., Zheng, G. and Feng, Z., "Application of absorption heat transfer to recover waste heat from a synthetic rubber plant", Applied Thermal Engineering Vol. 23, pp. 797-806, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1359-4311(03)00011-5

상세보기
Perez-Blanco, H. and Grossman, G., "Conceptual design and performance analysis of absorption heat pumps for waste heat utilization", ASHRAE Trans., Vol. 88, Part 1, pp. 451-466, 1982. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0140-7007(82)90058-5
Grossman, G., "Adiabatic absorption and desorption for improvement of temperature-boosting absorption heat pumps", ASHRAE Trans., Vol. 88, Part 2, pp. 359-367, 1982.
Grossman, G., "Multistage absorption heat transformers for industrial applications", ASHRAE Trans., Vol. 91, Part 2, pp. 2047-2061, 1985.
Grossman, G. and Childs, K. W., "Computer simulation of a lithium bromide-water absorption heat pump for temperature boosting", ASHRAE Trans., Vol. 89, Part 1, pp. 240-250, 1983.
Grossman, G. and Michelson, E., 1"A modular computer simulation of absorption systems" ASHRAE Trans., Vol. 91, Part 2B pp. 1808-1827, 1985.
Youn, C. H., "Development of a absorption heat pump for recovery of low temperature waste heat", KIMM, 1989.
Kang, S. W., Kang, B. H., Jeong, S. Y. and Lee, C. S., "Computer simulation of a absorption heat pump of the first kind for low temperature waste heat recovery", Korean J. Air-Conditioning Refrigeration Engineering, Vol. 8, No. 2, pp. 187-197, 1996.
Lee, Y. H., Shin, H. J., Youn, H. C. and Park H. K., "A study on the heating and cooling system using sewage heat", J. Korean Solar Energy Society, Vol. 27, No. 4, pp. 19-26, 2007.
Greiter, I., Schweigler, C., and Alefeld, G., "A 500kW absorption heat pump for heating at two temperature levels : Experience of the first heating season", Proc. Int. Absorption Heat Pump Conference, AES-Vol. 31, pp. 85-92, New Orleans, USA, 1994.
World Energy Co., internal performance data, 2015.
Shim, Y. S., A Study on the Absorption Heat Pump for Waste Heat Recovery, Ph. D. Thesis, Incheon National University, 2014.
Harold, K. E., Radermacher, R. and S. A. Klein, Absorption Chillers and Heat Pumps, 1st ed., CRC Press, 1996.
EES, F-Charts Software, www.fchart.com, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증