[논문]알코올 흡수식 열펌프의 난방성능 예측

김동선

doi:10.6110/kjacr.2015.27.5.269

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Single-effect $CH_3OH-LiI-ZnBr_2$ and $C_2H_5OH-LiI$ absorption heat pumps are simulated to evaluate feasibility as heating device. These systems are predicted to give higher heating COPs in wide operating ranges compared to conventional systems. Among the two systems, the

Single-effect $CH_3OH-LiI-ZnBr_2$ and $C_2H_5OH-LiI$ absorption heat pumps are simulated to evaluate feasibility as heating device. These systems are predicted to give higher heating COPs in wide operating ranges compared to conventional systems. Among the two systems, the $C_2H_5OH-LiI$ system is found to be more advantageous for operating in extremely cold weather due to the large solubility of Lil in $C_2H_5OH$.

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문제 정의

이 때문에 난방용으로는 NH₃-H₂O 열펌프를 고려할 수 있지만 이 또한 냉매의 독성 때문에 보급이 제한적이다. 이와 같이 대표적인 두 가지 흡수식 냉동기가 열펌프로서 널리 활용되지 못하고 있음을 감안하여 본 연구에서는 그 대안으로서 알코올을 냉매로 사용하는 흡수식 열펌프의 열역학적 성능을 예측하여 타당성을 평가하고자 한다.

가설 설정

(1) 응축기 입구의 냉매증기는 발생기 입구의 강용액과 평형 상태이다. T_ci = T_gi(T_c, x_s)
(3) 증발기 출구의 냉매는 포화증기이다. T_eo = T_e
(4) 증기측 압력손실은 없다. p_c = p_g, p_e = p_a
3(a)에서 10℃(= t_ei), Fig. 3(b)에서 -10℃로 가정하였다. 모든 경우에 열매체 유량은 1 kg/s, 흡수액 유량은 0.
이상적인 단효용 흡수식 사이클(모든 위치에서 작동유체가 평형상태)은 두 개의 작동압력(T_c, T_e)과 두 개의 농도(x_s, x_w)에 의해 결정된다. 실제 사이클은 작동유체의 비평형(포화)상태를 포함한 여러 요소를 더 고려해야 하지만 본 연구에서는 다음과 같이 가정하여 문제를 단순화하였다.

제안 방법

(4)은 TFE-TEGDME 단효용 열펌프의 시뮬레이션 연구에서 증발기 온도 80℃, 응축기(흡수기) 온도 120℃, 발생기 온도 195～225℃ 조건에서 COP 1.5～1.6을 예측하였다. 또한 작동유체에 물을 첨가하면 시스템 고압이 낮아지고 열전달 성능이 개선되어 더 높은 COP를 얻을 수 있다고 하였다.
(9)은 메탄올의 흡수제로 2종의 혼합 무기염(LiBr：ZnBr₂ = 2：1 mole, LiI：ZnBr₂ = 2：1 mole)을 고려하여 단효용, 이중효용 냉동기의 성능을 예측하였다. CH₃OH-LiI-ZnBr₂의 경우 증발기 온도 5℃, 응축기 온도 30℃ 조건에서 단효용 냉동기의 COP는 약 0.
⁽¹²⁾를 참고하였다. 두 시스템 모두 흡수제의 용해도(결정화 농도)에 의해 운전영역이 제한되므로 우선 Fig. 2에 결정선(crystallization line)을 도시하여 운전영역을 확인 하였다. 비교를 위해 LiBr수용액의 결정선⁽¹³⁾도 함께 도시하였다.
따라서 사실적인 예측을 위해서는 적절한 유용도 값을 사용해야 하지만 전술하였듯이 열교환기의 유용도는 유체의 종류와 작동 조건에 따라 크게 변하기 때문에 정확한 열교환기 모델이 없으면 그 영향을 사실적으로 분석하기 어렵다. 따라서 아래에서는 적당한 범위에서 유용도를 임의로 변화시켜가며 알코올 열펌프의 성능변화를 관찰하였다.
다만 냉매의 위험성이 덜하고 작동영역이 넓다는 장점이 있어 기존 시스템의 대안으로서 고려해볼 만하다. 아래에서는 알코올류 중에 가장 흔한 메탄올과 에탄올을 냉매로 사용하는 흡수식 열펌프의 성능을 예측하고 기존 시스템과 비교하여 평가하겠다.

대상 데이터

또한 하절기의 냉방운전조건과도 유사하므로 그림의 결과로부터 열펌프의 냉방운전성능을 짐작할 수도 있을 것이다. 비교를 위해 H₂O-LiBr⁽¹⁴⁾과 NH₃-H₂O⁽¹⁵⁾ 시스템의 COP_h 곡선도 함께 도시하였다. 두 알코올 시스템 모두 H₂O-LiBr보다는 낮고 NH₃-H₂O 시스템보다는 높은 COP_h가 예측되었으며 에탄올보다는 메탄올 시스템의 COP_h가 약간 높다.

이론/모형

를 구할 수 있다. 본 연구에서는 이를 위해 기존의 해석 모델⁽¹⁰⁾을 사용하였다. 작동조건이 결정된 후에 각 요소의 열량은 다음과 같이 계산하였다.
본 연구에서는 작동압력(T_c, T_e)과 농도(x_s, x_w)를 결정하기 위해 기존의 모델⁽¹⁰⁾을 사용하였다. 자세한 내용은 원문을 참고하기 바라며 아래에는 지배방정식만 간단히 정리하였다.

성능/효과

(1) H₂O-LiBr 시스템과 비교하여 이슬점 온도 0℃에서 CH₃OH-LiI-ZnBr의 결정화 온도는 약 30℃, C₂H₅ OH-LiI는 약 75℃ 높다.
(2) 알코올 흡수식 열펌프의 COP_h는 H₂O-LiBr 열펌프보다는 낮고 NH₃-H₂O 열펌프보다는 높다.
(3) 발생기와 흡수기는 성능에 큰 영향을 미치며 그 유용도는 0.3 이상으로 결정하는 것이 바람직하다.
(4) CH₃OH-LiI-ZnBr 시스템은 증발기 온도 -20℃ 이하의 영역에서 흡수액이 결정화되어 운전이 불가능하다.
(5) C₂H₅OH-LiI 시스템은 증발기 온도 -30℃ 이상의 영역에서 흡수액의 결정화 문제가 없다.
(5) 열교환기의 유용도는 작동조건과 무관하다.
3으로 보고하였다. TFE-TEGDME 시스템의 COP는 동일한 조건에서 작동하는 H₂O-LiBr 시스템의 COP보다는 15～20% 낮고 NH₃-H₂O 시스템보다는 5～10% 높은 것으로 판단하였다.
비교를 위해 H₂O-LiBr⁽¹⁴⁾과 NH₃-H₂O⁽¹⁵⁾ 시스템의 COP_h 곡선도 함께 도시하였다. 두 알코올 시스템 모두 H₂O-LiBr보다는 낮고 NH₃-H₂O 시스템보다는 높은 COP_h가 예측되었으며 에탄올보다는 메탄올 시스템의 COP_h가 약간 높다. t_gi = 100℃에서 COP_h는 LiBr 시스템이 1.
이상의 결과에 근거해서 알코올 시스템의 난방성능이 기존 시스템에 비해 우수할 것으로 기대할 수 있다.
이상의 결과에서 메탄올 시스템에 비해 에탄올 시스템은 tei < -10℃ 영역에서 더 높은 COPh가 예측되고 발생기와 흡수기의 유용도를 더 작게 하여도 동등한 성능을 기대할 수 있으며 tei = -30℃ 조건에서도 안정적으로 운전할 수 있는 장점이 있어 메탄올 시스템보다 유리한 것으로 판단된다.

후속연구

3(a)의 온도조건은 지열 열펌프의 작동조건과 유사하다. 또한 하절기의 냉방운전조건과도 유사하므로 그림의 결과로부터 열펌프의 냉방운전성능을 짐작할 수도 있을 것이다. 비교를 위해 H₂O-LiBr⁽¹⁴⁾과 NH₃-H₂O⁽¹⁵⁾ 시스템의 COP_h 곡선도 함께 도시하였다.
알코올 시스템에 대한 기존의 연구가 적어 아직은 많은 불확실성이 존재하지만 이상의 결과는 알코올 열 펌프가 기존 시스템의 대안으로서 충분한 매력이 있음을 보여준다. 향후에는 알코올 시스템의 전달특성 측정을 포함한 실험적 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉매로써의 알코올의 장점은 무엇인가?	알코올은 빙점이 낮아(e.g. ethanol：-114℃) 냉매 동결의 문제가 없고 인화물질이지만 시스템 내부의 압력이 대기압보다 낮으므로(e.g. ethanol：100mmHg at 35℃)냉매 누출로 인한 화재의 위험성은 낮다. 한편 알코올과 흡수제의 종류에 따라 다르지만 TFE-TEGDME(Trifluoroethanol-tetraethylene glycol dimethyl ether) 시스템의 성능은 H2O-LiBr과 NH3-H2O 시스템의 중간 수준(3-5)으로 알려져 있는 등 흡수식 열펌프의 냉매로서 적당한 성질을 가진 것으로 알려져 있다.
	H2O-LiBr 냉동기의 단점은 무엇인가?	흡수식 냉동기는 비교적 높은 에너지 효율 덕분에 열 구동 냉동기 중에서는 가장 많이 보급되었으며 국내에서는 하절기 냉방수요로 인한 에너지 수급의 불균형 문제를 완화시킬 수 있는 방안으로 흡수식 냉동기를 이용한 가스 또는 지역냉방에 대한 관심이 크다.(1, 2) 그러나 흡수식 냉동기 시장의 주류인 H2O-LiBr 냉동기는 냉매의 동결과 흡수제의 결정화 문제 때문에 동절기에 열 펌프로 운전이 불가능하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 이 때문에 난방용으로는 NH3-H2O 열펌프를 고려할 수 있지만 이 또한 냉매의 독성 때문에 보급이 제한 적이다.
	본 논문에서 살펴본 알코올 시스템이 기존 냉매가 가진 문제에 대한 완벽한 해결책이 아닌 이유는 무엇인가?	그러나 이상에서 살펴본 알코올 시스템이 이러한 문제에 대한 완벽한 해결책은 아니다. TFE와 메탄올은 유해물질로 분류되며 무기염 용액은 결정과 부식성 문제가 있다. 다만 냉매의 위험성이 덜하고 작동영역이 넓다는 장점이 있어 기존 시스템의 대안으로서 고려해볼 만하다.

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