[논문]판형 흡착열교환기를 사용한 폴리머-물 흡착식 냉동기의 성능예측

김동선; 이대영

doi:10.6110/kjacr.2015.27.2.094

판형 흡착열교환기를 사용한 폴리머-물 흡착식 냉동기의 성능예측
Simulation of a Polymer-Water Adsorption Refrigerator using Plate-Type Adsorption Heat Exchangers 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.27 no.2, 2015년, pp.94 - 102

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A hydroscopic polymer is used as the adsorbent in an adsorption refrigeration system. A pair of plate-type heat exchangers, thinly coated with the polymer, is simulated using a two-dimensional transient model to predict performance of the system. It is predicted that the system would yield 0.57 kW SCP and 0.47 COP at $80^{\circ}C$ heating and $30^{\circ}C$ cooling temperatures. In comparison with a conventional silica gel-water system, the COP is comparable but SCP is about three times larger. The slow mass diffusion rate of the polymer should be improved for better performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전자의 경우는 주로 신물질을 합성하거나 기존의 물질을 혼합하여 흡착제의 성능을 개선하는 것이 목적이며 후자의 연구들은 주로 고성능 열교환기를 개발하여 열 및 물질전달 속도를 높이는 것이 목적이다. 본 연구는 폴리머 제습제(Desiccant Polymer)의 흡착제로서의 성능을 예측하여 그 타당성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 폴리머 제습제는 기존의 제습제(실리카겔 등)에 비해 흡착용량은 매우 크지만 물질 확산속도는 낮은 편으로 알려져 있다.

가설 설정

• 물성은 온도와 성분에 관계없이 일정하다.
2에 비교하였다. 벽의 두께는 0.2 mm, 그 물성은 Table 1의 흡착제와 같다고 가정하였고 열매체 채널 높이 0.3 mm, 열매체 평균유속 0.2 m/s, 초기온도 80℃, 열매체 온도 30℃ 조건에서 계산하였다. 수치모델은 열매체측 열전달계수 h = 16kW/m²K, Nu 수를 8로 예측하였는데 이는 무한평행판 사이를 흐르는 층류의 일정 열유속 조건의 Nu 수 8.

제안 방법

(2)은 유럽에서 개발된 15개의 흡착식 시스템의 성능을 비교하여 발표하였다. 냉각방식에 따라 수랭 및 공랭식으로 나누어 각각의 경우에 공조(증발온도 3℃), 제빙(-10℃), 냉동(-50, -25℃) 및 난방(-15, 5℃) 운전시의 COP(Coefficient of Performance)와 SCP(Specific Cooling Power)를 비교하였다.
(5)이 실리카겔과 팽창흑연을 섞어 프레스로 압축하는 방법으로 실리카겔-흑연 흡착탑 모듈을 제작하여 구성한 시스템의 거동을 관찰하였다. 실리카겔과 흑연의 혼합비, 성형압력에 따라 블록의 특성이 변화하는 것을 관찰하고 흑연의 혼합비가 20% 이상이면 열전도도 1 W/mK, 열전달계수 200 W/m²K, 기체투과도 10^-12m² 의 조건을 만족하며 운전조건에 따른 최적 성형 조건을 찾아내 성능을 향상시킬 수 있다고 하였다.
(6)은 두께 1 mm, 폭 58 mm, 길이 600 mm 의 플레이트 핀을 외경 94 mm인 전열관 외벽에 방사형으로 부착한 finned tube 타입의 흡착열교환기를 채용한 공랭식 제올라이트-물 시스템을 구성하여 그 성능을 측정하였다. 흡착탑 열교환기 1개당 무게는 약 6.
(9)은 직경 19 mm의 나관과 2종의 finned tube(핀피치 2.3, 2.8 mm)로 만든 열교환기의 주위를 실리카겔로 채운 형태의 실리카겔-물 흡착탑의 성능을 측정하여 실리카겔의 입자크기(평균 크기 0.72, 2.35, 3.35 mm)와 핀피치의 영향을 관찰하였다. 나관의 경우 입자크기가 작을수록 흡착률이 증가하였으며 finned tube의 경우 나관보다 21% 큰 흡착률을 보였다고 하였다.
Fig. 1(b)의 제어체적은 길이구간(0 ≤ x ≤ L) 10개, 열매체 구간(0 ≤ y ≤ y1) 5개, 전열판 구간(y1 ≤ y ≤ y2) 5개, 흡착제 구간(y2 ≤ y ≤ y3)을 5개로 나누어 총 150개의 격자점에 대해 최소 10 ms의 시간간격으로 계산을 수행하였다.
⁽²⁾은 유럽에서 개발된 15개의 흡착식 시스템의 성능을 비교하여 발표하였다. 냉각방식에 따라 수랭 및 공랭식으로 나누어 각각의 경우에 공조(증발온도 3℃), 제빙(-10℃), 냉동(-50, -25℃) 및 난방(-15, 5℃) 운전시의 COP(Coefficient of Performance)와 SCP(Specific Cooling Power)를 비교하였다. 이 중 공조 성능만 살펴보면 우선 수랭식 단효용(single effect) 시스템(SrCl₂-NH₃, MnCl₂/BaCl₂-NH₃, metal hydrides-H₂)은 열원온도 110~ 130℃ 범위에서 COP 0.
냉동기의 성능지표로는 SCP와 COP를 선택하였다. SCP는 흡착제의 단위질량당 냉동능력으로 정의하여 다음과 같이 계산하였다.
⁽¹¹⁾ 제습냉방의 경우에는 제습휠에 매우 얇은 두께로 코팅하여 사용하므로 낮은 물질 확산 속도가 크게 문제되지 않으나 흡착식 냉동기에 적용할 경우의 성능에 대해서는 알려진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 폴리머 제습제를 얇게 코팅한 단순한 형태의 흡착열교환기를 가정하여 폴리머-물 흡착식 냉동사이클의 성능을 예측하였다.
먼저 부록에 정리한 바와 같이 잘 알려진 과도열확산 문제의 해석해와 비교하여 수치모델의 정확성을 검증하였다. 한쪽 면이 단열된 단일 벽의 다른 쪽 면이 갑자기 일정 온도의 유체에 의해 대류 냉각되는 조건을 모사하기 위해 수치 모델에 다음의 조건을 적용하였다.
본 연구에서는 폴리머 흡착제를 적용한 폴리머-물 흡착식 냉동기의 2차원 과도 열전달 모델을 사용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
지배방정식의 이산화과정에서 시간항은 fully implicit, 대류항은 upwind scheme으로 처리하여 만든 행렬방정식을 풀었다. 시뮬레이션은 Table 1에 정리한 조건을 기본으로 하고 흡착열교환기를 흡착모드와 재생모드로 번갈아가며 계산하여 두 운전모드의 현열 및 잠열 출입량의 오차가 5% 미만일 때 수렴한 것으로 판단하고 계산을 종료하였다.
1(b)의 제어체적은 길이구간(0 ≤ x ≤ L) 10개, 열매체 구간(0 ≤ y ≤ y₁) 5개, 전열판 구간(y₁ ≤ y ≤ y₂) 5개, 흡착제 구간(y₂ ≤ y ≤ y₃)을 5개로 나누어 총 150개의 격자점에 대해 최소 10 ms의 시간간격으로 계산을 수행하였다. 지배방정식의 이산화과정에서 시간항은 fully implicit, 대류항은 upwind scheme으로 처리하여 만든 행렬방정식을 풀었다. 시뮬레이션은 Table 1에 정리한 조건을 기본으로 하고 흡착열교환기를 흡착모드와 재생모드로 번갈아가며 계산하여 두 운전모드의 현열 및 잠열 출입량의 오차가 5% 미만일 때 수렴한 것으로 판단하고 계산을 종료하였다.
먼저 부록에 정리한 바와 같이 잘 알려진 과도열확산 문제의 해석해와 비교하여 수치모델의 정확성을 검증하였다. 한쪽 면이 단열된 단일 벽의 다른 쪽 면이 갑자기 일정 온도의 유체에 의해 대류 냉각되는 조건을 모사하기 위해 수치 모델에 다음의 조건을 적용하였다.
흡착열교환기의 단위 전열면적 당 냉동능력은 증발기 입구에서 냉매의 과열도를 고려한 냉동효과 q_ref를 사용하여 다음과 같이 계산하였다.
1(b)에는 본 연구에서 고려한 판형 흡착열교환기의 개략도를 도시하였다. 흡착제는 전열판의 한쪽에 얇게 코팅되어 있고 반대쪽 열매체에 의해 냉각(가열)되어 냉매의 흡착(재생)이 가능하도록 하였다.

대상 데이터

⁽⁴⁾은 태양열 활용을 위한 상용 및 연구용 흡착식 냉동 시스템에 대한 리뷰를 발표하였다. 연구용 시스템은 5~10 kW의 수랭식 시스템들로서 60~80℃의 열수로 구동되었고 COP는 0.3~0.5의 범위에 있었으며 상용 시스템은 대부분 실리카겔-물 시스템들로서 50~90℃의 열수로 구동되며 COP는 0.6~0.7의 범위에 있다고 하였다. 대표적인 상용 시스템들로는 일본의 Nishiyodo와 Mayekawa, 독일의 SorTech를 꼽을 수 있다.

성능/효과

(1) 가열수 온도 80℃, 냉각수 온도 30℃, 흡착제 두께 0.2 mm, 사이클 주기 1200 s의 조건에서 SCP는 0.57 kW, COP는 0.47이 예측되었다.
(2) 가열수 온도를 80℃ 이상으로 높이면 SCP는 완만하게 증가하고 COP는 약간 감소한다.
(3) 24~32℃ 범위에서 냉각수 온도가 증가하면 SCP와 COP는 선형적으로 감소한다.
(4) 열교환기의 길이와 열매체의 유속이 성능에 미치는 영향은 작다.
(5) 폴리머-물 냉동기의 성능은 실리카겔-물 냉동기와 비교하여 COP는 동등한 수준이고 SCP는 약 3배 크다.
3 m 범위에서 변화시켜가며 계산한 결과를 도시하였다. 고려한 범위에서 L이 SCP와 COP에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
이상에서 살펴보았듯이 본 연구에서 고려한 폴리머 흡착제는 가열온도 80℃, 냉각온도 30℃ 조건에서 δs = 0.2 mm, τ = 600 s의 경우 SCP는 0.57 kW, COP는 0.47 의 성능을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착식 냉동기의 제습냉방의 경우 낮은 물질 확산 속도가 크게 문제되지 않는 이유는?	폴리머 제습제는 기존의 제습제(실리카겔 등)에 비해 흡착용량은 매우 크지만 물질 확산속도는 낮은 편으로 알려져 있다. (11) 제습냉방의 경우에는 제습휠에 매우 얇은 두께로 코팅하여 사용하므로 낮은 물질 확산 속도가 크게 문제되지 않으나 흡착식 냉동기에 적용할 경우의 성능에 대해서는 알려진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 폴리머 제습제를 얇게 코팅한 단순한 형태의 흡착열교환기를 가정하여 폴리머-물 흡착식 냉동사이클의 성능을 예측하였다.
	폴리머 제습제의 장단점은?	본 연구는 폴리머 제습제(Desiccant Polymer)의 흡착제로서의 성능을 예측하여 그 타당성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 폴리머 제습제는 기존의 제습제(실리카겔 등)에 비해 흡착용량은 매우 크지만 물질 확산속도는 낮은 편으로 알려져 있다. (11) 제습냉방의 경우에는 제습휠에 매우 얇은 두께로 코팅하여 사용하므로 낮은 물질 확산 속도가 크게 문제되지 않으나 흡착식 냉동기에 적용할 경우의 성능에 대해서는 알려진 바가 없다.
	흡착식 냉동기 관련연구는 크게 흡착제 개발과, 열. 물질전달 촉진의 두 분야로 나눌 수 있는데 각 분야의 목적은 무엇인가?	흡착식 냉동기 관련연구들은 크게 흡착제 개발과 열 ․물질전달 촉진의 크게 두 분야로 나눌 수 있다. 전자의 경우는 주로 신물질을 합성하거나 기존의 물질을 혼합하여 흡착제의 성능을 개선하는 것이 목적이며 후자의 연구들은 주로 고성능 열교환기를 개발하여 열 및 물질전달 속도를 높이는 것이 목적이다. 본 연구는 폴리머 제습제(Desiccant Polymer)의 흡착제로서의 성능을 예측하여 그 타당성을 평가하는 것을 목적으로 한다.

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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].

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