[논문]제 2종 LiBr-H2O 흡수식 히트펌프의 운전 변수에 따른 성능 특성 수치 해석

윤준성; 권오경; 차동안; 배경진; 김인관; 김민수; 박찬우

doi:10.6110/kjacr.2017.29.1.007

제 2종 LiBr-H2O 흡수식 히트펌프의 운전 변수에 따른 성능 특성 수치 해석
Effects of Operation Conditions on the Performance of Type II LiBr-H2O Absorption Heat Pump 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.1, 2017년, pp.7 - 14

윤준성 (전북대학교 기계설계공학부 대학원) , 권오경 (한국생산기술연구원 에너지시스템 연구그룹) , 차동안 (한국생산기술연구원 에너지시스템 연구그룹) , 배경진 (한국생산기술연구원 에너지시스템 연구그룹) , 김인관 ((주)월드이엔씨) , 김민수 (전북대학교 기계설계공학부) , 박찬우 (전북대학교 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study carried out a numerical analysis of the effects of hot waste water supply on the performance of a Type II absorption heat pump. There are two types of hot waste water supply, regular series flow and reverse series flow. Also it investigated the interaction between each type of flow and heat exchange solutions. As the effectiveness of heat exchange solutions increase, the steam generation and (COP) increase as well. If the effectiveness of a heat exchange solution is lower than 0.566, the steam generation rate of the reverse flow is lower than that of the regular series flow. A high effectiveness of heat exchange solution is therefore required to make a larger amount of steam in reverse series flow than with ordinary series flow. The COP difference between the two types of flow decreases with the increasing effectiveness of the heat exchange solution. Thus, a reverse flow type absorption heat pump can match the high steam generation rate and COP of the ordinary flow type when a highly effective heat exchange solution is applied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 2종 히트펌프 시스템의 고효율 화를 위하여 온수의 공급 방식에 대한 연구는 그다지 많이 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 온수의 직렬 공급 방식에서 재생기에서 증발기로 흐르는 정 흐름과 증발기에서 재생기로 흐르는 역 흐름이 흡수식 히트펌프에 미치는 영향을 수치적 해석을 수행하였다. 아울러 각 흐름별 용액 열교환기와의 상호 작용도 연구 하였다.
본 논문에서는 LiBr-H2O를 용액으로 사용하는 흡수식 히트펌프에 관한 연구를 진행하였으며 수행 하고자 하는 흡수식 히트펌프의 해석 모델링은 다음과 같다. 본 연구에서 기준 모델은 90℃의 산업폐열과 25℃의 냉각수를 사용하여 흡수기에서 120℃의 냉매증기를 생산하는 것으로 설정했으며, Fig.
본 연구에서는 2종 히트펌프 시스템의 폐 온수의 직렬 공급 방식에서 재생기에서 증발기로 흐르는 정 흐름과 증발기에서 재생기로 흐르는 역 흐름이 흡수식 히트펌프에 미치는 영향을 수치적 해석을 수행하였다. 아울러 각 흐름별 용액 열교환기와의 상호 작용을 연구 하였다.
따라서 본 연구에서는 온수의 직렬 공급 방식에서 재생기에서 증발기로 흐르는 정 흐름과 증발기에서 재생기로 흐르는 역 흐름이 흡수식 히트펌프에 미치는 영향을 수치적 해석을 수행하였다. 아울러 각 흐름별 용액 열교환기와의 상호 작용도 연구 하였다.
본 연구에서는 2종 히트펌프 시스템의 폐 온수의 직렬 공급 방식에서 재생기에서 증발기로 흐르는 정 흐름과 증발기에서 재생기로 흐르는 역 흐름이 흡수식 히트펌프에 미치는 영향을 수치적 해석을 수행하였다. 아울러 각 흐름별 용액 열교환기와의 상호 작용을 연구 하였다.
1에서 보듯이 직렬 방향으로 재생기에 공급된 후 증발기로 공급되어 진다. 이러한 정 방향과 더불어 본 연구에서는 폐 온수 직렬 공급 시 Fig. 2와 같이 역방향으로 증발기에 먼저 공급된 후 재생기로 공급 되어지는 경우 그 특징을 파악하고자 한다.

가설 설정

위의 식(1)~식(8)은 히트펌프 요소기기 별 질량밸런스와 에너지 밸런스에 대해 것이며 용액의 경우는 P, T, x 즉 압력, 온도와 농도에 따른 함수이며, 냉매의 경우는 압력과 온도의 함수임을 가정하여 관계식을 모델링 하였다.

제안 방법

(1)이 LiBr-H₂O를 사용하는 제 2종 흡수식 히트펌프의 열역학적 설계 해석을 하였다. Chen^(2~4)등에 의하여 흡수식 히트펌프 시스템의 최적화 연구가 이루어 졌는데 열펌프의 성능을 최적화하기 위하여 COP와 히트펌프의 총괄열전달 면적과의 관계를 연구하였고, 태양열 구동 흡수식 히트펌프의 최대의 COP를 얻기 위하여 열역학적 해석을 수행 하였다.
2종 흡수식 히트펌프 운전 조건 변경에 따른 시뮬레이션을 진행하였으며 선행연구와의 결과값 비교를 통해 사이클의 정확성 정도를 파악하였다. Fig.
Fig. 5는 폐온수 공급을 재생기에서 증발기 순서로 공급되는 정방향 standard 조건과 증발기에서 재생기로 공급 되는 역 흐름의 경우 요소기기별 열전달량 결과를 용액 열교환기 효용도에 따라 비교하였다. 그림에서 보듯이 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 각 요소별 열전달 량 변화를 나타냈는데 용액 열교환기 효용도가 증가하면 용액열교환기의 열전달량이 증가하게 된다.
본 논문에서는 LiBr-H2O를 용액으로 사용하는 흡수식 히트펌프에 관한 연구를 진행하였으며 수행 하고자 하는 흡수식 히트펌프의 해석 모델링은 다음과 같다. 본 연구에서 기준 모델은 90℃의 산업폐열과 25℃의 냉각수를 사용하여 흡수기에서 120℃의 냉매증기를 생산하는 것으로 설정했으며, Fig. 1에서 보듯이 90℃의 산업폐열 온수를 재생기와 증발기로 직렬로 공급하게 된다. 흡수식 히트펌프의 요소들인 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기, 용액 열교환기 등을 각각 모델링하여 해석을 진행하였다.
1에서 보듯이 90℃의 산업폐열 온수를 재생기와 증발기로 직렬로 공급하게 된다. 흡수식 히트펌프의 요소들인 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기, 용액 열교환기 등을 각각 모델링하여 해석을 진행하였다. 사용된 지배 방정식 및 해석 조건은 다음과 같다.

이론/모형

아울러 용액순환비는 재생기에서 열매체 냉매증기 1 kg을 발생하기 위한 희용액 공급량으로 정의는 식(11)과 같다. 본 연구에서 적용된 모사 프로그램은 공학용 프로그램인 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 용액 열교환기의 효용도가 증가할수록 흡수기에는 고온의 농용액과 재생기에는 저온의 희용액이 유입되므로 두 요소의 열전달은 용액 열교환기 효용도에 비례적으로 증가하게 된다. 응축기는 재생기의 유입 희용액이 낮을수록 저 압측 압력이 더 떨어지게 되어 냉매 냉매증기 포화온도와 냉각수와의 온도차가 감소되어 응축 열전달량이 감소하게 된다.
(2) 전체적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 고압부의 압력 즉, 흡수기, 증발기의 압력은 증가하며 저압부의 압력 즉, 재생기와 응축기의 압력은 감소함을 알 수 있다. 폐 온수의 역 흐름이 순 흐름 보다 전체 적으로 압력이 높음을 알 수 있다.
(3) 전체적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 농용액의 농도는 약간 감소하고 희용액의 농도는 약간 증가하는 것으로 파악된다. 역 흐름이 순 흐름 보다 전체 적으로 농도가 평균 약 1.
(4) 전체적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 용액순환비는 증가하는 것을 알 수 있다. 역 흐름이 순 흐름 보다 전체 적으로 용액순환비가 평균 약 0.
(5) 용액 열교환기의 효용도가 증가 할수록 흡수기에서는 흡수기 관내 발생 냉매증기와 고온의 흡수액과의 온도차가 커지므로 비례적으로 흡수기 관내 발생 수증기 발생량은 증가하게 된다. 성적계수는 용액 열교환기의 효용도가 증가 할수록 내부적으로 열 회수량 증가로 증가하게 된다.
용액열교환기 효용도 변화에 따른 성적계수를 나타내고 있다. 두 결과 모두 용액열교환기 효용도가 증가할수록 성적계수가 증가하는 경향으로 절대치도 유사한 결과가 확인되었다. 따라서 계산방법의 타당성을 확보 할 수 있었다.
증발기는 흡수기 유입 농용액이 고온이 될수록 증발기의 압력이 더 증가되므로 폐 온수와 포화 냉매 온도차가 감소하게 되어 증발 열량이 감소하게 된다. 본 계산의 기준조건인 용액 열교환기 효용도 0.77 기준에서 보면 역 흐름이 순 흐름 보다 증발기 입열량이 크고 재생기 입열량도 역시 큼을 알 수 있다. 이는 고온의 폐온수가 증발기로 먼저 유입됨에 따라 냉매 증발량이 증가하여 증발기 열교환량이 증가 하는 것으로 파악된다.
전체 적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 농용액의 농도는 약간 감소하고 희용액의 농도는 약간 증가하는 것으로 파악된다. 이는 용액 열교환기 효용도 변화가 증가함에 따라 고압부인 흡수기, 증발기의 압력은 증가하여 포화 농도는 감소하며 저압부인 재생기와 응축기의 압력은 감소하여 포화 농도가 증가함을 알 수 있다. 아울러 역 흐름이 순 흐름 보다 전체 적으로 농도가 평균 약 1.
7은 폐 온수공급을 재생기에서 증발기 순서로 공급되는 순 흐름 standard 조건과 증발기에서 재생기로 공급 되는 역 흐름의 경우 흡수액의 농도 변화 결과를 용액 열교환기 효용도에 따라 비교하였다. 전체 적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 농용액의 농도는 약간 감소하고 희용액의 농도는 약간 증가하는 것으로 파악된다. 이는 용액 열교환기 효용도 변화가 증가함에 따라 고압부인 흡수기, 증발기의 압력은 증가하여 포화 농도는 감소하며 저압부인 재생기와 응축기의 압력은 감소하여 포화 농도가 증가함을 알 수 있다.
6은 폐온수공급을 재생기에서 증발기 순서로 공급되는 순 흐름 standard 조건과 증발기에서 재생기로 공급되는 역 흐름의 경우 시스템 압력 변화 결과를 용액 열교환기 효용도에 따라 비교하였다. 전체적으로 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 고압부의 압력 즉, 흡수기, 증발기의 압력은 증가하며 저압부의 압력 즉, 재생기와 응축기의 압력은 감소함을 알 수 있다. 이는 위에서 언급되었듯이 용액 열교환기의 효용도가 증가 할수록 흡수기에는 보다 고온의 농용액과 재생기에는 보다 저온의 희용액이 유입되므로 흡수기 압력은 높아지고 재생기 압력은 낮아지기 때문이다.
전체적으로 용액 열교환기 효용도 증가에 따라 용액 순환비는 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 위에서 언급 되었듯이 용액 열교환기의 효용도가 증가할수록 증발기와 응축기의 열량이 감소하므로 냉매 순환량이 감소하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡수식 히트펌프 중, 2종 히트펌프는 어떤 방식이며, 성적계수는 어떠한가?	7을 얻을 수 있다. 흡수식 2종 히트펌프는 중온의 폐열에너지를 구동열 에너지로 사용하여 고온의 에너지를 생산하는 시스템으로 고온의 에너지를 이용하고 저온의 에너지를 배출한다. 히트 트랜스포머(Heat Transformer)라고 불리기도 하며, 특히 120℃의고온의 수증기를 얻고 성적계수는 약 0.4정도가 된다.
	흡수식 히트펌프는 어디에 주로 사용되는가?	흡수식 히트펌프는 전기 에너지에 의해 구동되는 압축식과 달리, 가스의 연소열이나 온수, 냉매증기의 열을 이용하여 열을 펌핑하는 것으로 대용량의 열을 회수하는 곳에 주로 사용된다. 일반적으로 흡수식 히트펌프는 1종 히트펌프와 2종 히트펌프로 나누어지는데, 1종 히트펌프는 증발기에 35℃ 정도의 폐 온수를 공급 하고, 열원에는 가스 혹은 고온증기를 이용해 75℃ 정도의 온수를 제조해 이용한다면, 전체 시스템의 효율도 성적계수는 약 1.
	1종 히트펌프는 어떻게 구동되며, 성적계수는 어떠한 수치가 얻어지는가?	흡수식 히트펌프는 전기 에너지에 의해 구동되는 압축식과 달리, 가스의 연소열이나 온수, 냉매증기의 열을 이용하여 열을 펌핑하는 것으로 대용량의 열을 회수하는 곳에 주로 사용된다. 일반적으로 흡수식 히트펌프는 1종 히트펌프와 2종 히트펌프로 나누어지는데, 1종 히트펌프는 증발기에 35℃ 정도의 폐 온수를 공급 하고, 열원에는 가스 혹은 고온증기를 이용해 75℃ 정도의 온수를 제조해 이용한다면, 전체 시스템의 효율도 성적계수는 약 1.7을 얻을 수 있다. 흡수식 2종 히트펌프는 중온의 폐열에너지를 구동열 에너지로 사용하여 고온의 에너지를 생산하는 시스템으로 고온의 에너지를 이용하고 저온의 에너지를 배출한다.

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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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