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문제 정의
- 따라서 본 연구는 흡착제와 열교환기 사이의 열전달을 향상시키기 위해서 핀-관 열교환기에 바인더를 이용하여 흡착제를 코팅하였으며, 운전조건에 따른 성능 특성을 파악하였다. 이는 흡착식 냉동기의 흡착탑을 설계하는데 있어 기초적인 데이터를 제공할 것이다.
- 본 연구는 핀-관 열교환기에 흡착제를 코팅하여 흡착제와 열교환기의 열전달을 향상시키기 위한 연구로써 코팅두께별로 다양한 운전조건에 따라 실험을 진행하였으며, 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 그리고 증발기, 응축기, 흡착탑의 냉수, 냉각수, 온수배관 입·출구에 RTD와 유량계를 설치하여 온도와 유량을 제어하였으며 이를 통해 흡착탑의 열량을 측정하였다.
- 기존의 흡착탑 성능에 대한 연구는 핀-관 열교환기에 직경이 약 0.2~0.5 mm 사이의 Silica-gel 흡착제를 Mesh망으로 고정하여 흡착 및 탈착 성능에 대한 연구를 진행하였다.1) 하지만 이러한 방법은 흡착제 물질과 열교환기 핀 사이에 접촉저항이 생겨 열전달 효율을 저해하며, 흡착제와 핀 사이의 간격이 넓기 때문에 흡착성능이 낮다.
- 탈착 후에는 모든 증기밸브를 닫고 증발기와 흡착탑 배관에 각각의 증발온도와 흡착온도에 해당하는 냉수와 냉각수를 공급하였다. 냉수와 냉각수의 온도 및 유량은 실제 흡착식 냉동기의 운전조건을 고려하여 결정하였으며, 냉수온도 12℃, 냉각수 온도 30℃를 기준으로 냉수와 냉각수 온도를 변화시켰으며, 냉수와 냉각수 유량은 각각 0.68, 1.316 m3/h로 설정하여 실험을 진행하였다. 흡착시간은 7분으로 설정하였으며, 자세한 실험조건은 Table 4에 나타내었다.
- 흡착 시 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 열전달 성능을 측정하기 위해 흡착제 표면온도를 측정하여야 한다. 따라서 Fig. 4와 같이 코팅된 핀-관 열교환기의 상단과 하단, 좌측과 우측, 중심에 5개의 온도센서를 설치하여 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 흡착제 표면온도를 측정하였으며, 흡착제 표면온도는 평균값을 사용하였다. 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 크기는 420(L)×274(W)×116(H) mm이며, 관은 4열 12행 엇갈림 배열로써 냉각수 및 온수는12개의 관으로 분배된다.
- 또한 시스템 내의 압력변화량을 측정하기 위해 각각의 증발기, 응축기, 흡착탑에 진공압력계를 설치하였다. 흡착 시 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 열전달 성능을 측정하기 위해 흡착제 표면온도를 측정하여야 한다.
- 089에 해당한다. 매 실험마다 초기 흡착제의 수분함수율을 동일하게 만들기 위해 1시간이상 탈착을 진행하여 수증기 분압을 유지함으로써 흡착제를 동일한 초기상태의 수분함수율로 만들었다. 이때 흡착제의 수분함수율은 Fig, 1에서 확인할 수 있듯이 약 0.
- 본 연구는 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 열전달 특성을 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 실험 장치를 설계하였으며, Fig. 3과 같이 제작하였다. 실험 장치는 크게 증발기, 흡착탑, 응축기로 구성되어 있으며 증기밸브로 연결되어 있다.
- 본 연구에서는 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 흡착제 코팅두께에 따른 성능 특성을 파악하기 위해 코팅두께를 각각 0.1 mm, 0.15 mm, 0.2 mm로 코팅하였으며, 코팅두께에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기는 Fig. 5와 같다. Fig.
- 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기를 흡착탑에 설치 후 진공펌프를 이용하여 실험장치 내부를 진공상태로 만들고 냉매를 증발기에 주입하였다. 실험은 실제 온수와 응축수 조건을 고려하여 응축기와 흡착탑 배관에 각각 30℃ 냉각수와 80℃ 온수를 공급하였다. 이는 수증기 분압이 약 0.
- 열전달량 값은 420초 동안 측정하였으며, 본 실험에서 제시한 열전달량 값은 총괄열전달계수가 최대인 시간에서의 온도차를 반영한 값을 적용하였다. 핀-관 열교환기의 흡착제 코팅두께가 0.
- Jeong et al.은 FAPO 흡착제와 바인더를 이용하여 금속표면에 코팅하여 흡착 및 열전달 특성을 파악하였다. 그 결과 흡착제의 최적의 코팅두께는 0.
- 기존의 연구에서 Cha et al.은 금속표면에 흡착제를 바인더 비율에 따라 수분흡착량 실험과 유효열전도율을 측정하여 비교하였다. 최적의 바인더 비율은 10wt%로 제시하였다.
- 3,4) Heyden et al.은 알루미늄 판에흡착제 ALPO-18을 코팅하여 코팅 두께에 따라 열 및 물질전달을 분석하였다. 코팅의 두께가 0.
- 실험 장치는 크게 증발기, 흡착탑, 응축기로 구성되어 있으며 증기밸브로 연결되어 있다. 증발기와 응축기는 각각 Endcross와 Corrugated 전열관을 사용하였으며, 냉수배관과 냉각수배관은 각각의 항온조와 연결하여 증발온도와 응축온도를 변화시킬 수 있게 설계하였다. 흡착탑은 코팅조건에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기를 교체할 수 있게 설계하였으며, 흡착과 탈착 공정에서 각각 흡착열을 제거하고 탈착열량을 공급하기 위해 실제 사용되는 냉각탑과 폐열원을 고온과 저온의 항온조로 모사하여 설계하였다.
- 핀-관 열교환기 표면에 흡착제를 코팅하기 위한 코팅사양은 Table 3에 자세하게 나타내었다. 코팅방법은 Dip coating과Spray coating을 병행하여 열교환기 표면에 흡착제를 코팅하였으며, 건조방법 또한 열풍건조와 진공 열풍건조를 병행하여 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기를 건조하였다.
- 0011 g/g인 것으로 확인되었다. 탈착 후에는 모든 증기밸브를 닫고 증발기와 흡착탑 배관에 각각의 증발온도와 흡착온도에 해당하는 냉수와 냉각수를 공급하였다. 냉수와 냉각수의 온도 및 유량은 실제 흡착식 냉동기의 운전조건을 고려하여 결정하였으며, 냉수온도 12℃, 냉각수 온도 30℃를 기준으로 냉수와 냉각수 온도를 변화시켰으며, 냉수와 냉각수 유량은 각각 0.
- 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 흡착 시 발생하는 흡착열량을 계산하기 위해 식 (1)을 이용하였으며, 냉각수 입·출구 온도와 흡착제 표면 평균온도를 이용하여 식 (2)를 통해 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 LMTD를 구하였다.
- 핀-관 열교환기 표면에 흡착제를 코팅하기 전 열교환기를 초음파 세척기로 세척 후 건조하여 이물질 및 기름때를 제거한 후에 코팅을 진행하였다. 흡착제와 바인더, 희석제를 코팅 비율에 따라 계량하고 이를 교반하여 코팅용액을 제조하였다. 기존의 연구에서 Cha et al.
- 증발기와 응축기는 각각 Endcross와 Corrugated 전열관을 사용하였으며, 냉수배관과 냉각수배관은 각각의 항온조와 연결하여 증발온도와 응축온도를 변화시킬 수 있게 설계하였다. 흡착탑은 코팅조건에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기를 교체할 수 있게 설계하였으며, 흡착과 탈착 공정에서 각각 흡착열을 제거하고 탈착열량을 공급하기 위해 실제 사용되는 냉각탑과 폐열원을 고온과 저온의 항온조로 모사하여 설계하였다. 그리고 흡착식 냉동기는 진공상태에서 운전됨으로 실험 전 실험장치 내부를 진공상태로 만들기 위해 진공펌프를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 RTD(PT 100Ω)와 온도센서(T type)의 측정오차는 각각 ±0.1℃, ±0.3℃이며, 진공압력계(Setra 730)와 유량계(Toshiba)의 측정오차율은 각각 ±0.25% ±0.2%이다.
- 3과 같이 제작하였다. 실험 장치는 크게 증발기, 흡착탑, 응축기로 구성되어 있으며 증기밸브로 연결되어 있다. 증발기와 응축기는 각각 Endcross와 Corrugated 전열관을 사용하였으며, 냉수배관과 냉각수배관은 각각의 항온조와 연결하여 증발온도와 응축온도를 변화시킬 수 있게 설계하였다.
데이터처리
- 대표적인 흡착제 코팅에 관한연구로 Li et al.은 Silica-gel 흡착제를 바인더를 이용하여 열교환기에 코팅하여 흡착 및 탈착 성능을 평가하여 기존의 Mesh망을 이용한 실험방법과 비교하였다. 그 결과 Silica-gel이 코팅된 열교환기의 총괄열전달계수와 흡착속도는 각각 약 4.
성능/효과
- 5 mm 사이의 Silica-gel 흡착제를 Mesh망으로 고정하여 흡착 및 탈착 성능에 대한 연구를 진행하였다.1) 하지만 이러한 방법은 흡착제 물질과 열교환기 핀 사이에 접촉저항이 생겨 열전달 효율을 저해하며, 흡착제와 핀 사이의 간격이 넓기 때문에 흡착성능이 낮다.2) 따라서 직접 핀의 흡착제를 코팅을 하면 기존의 방법에 비해 간격을 줄이고, 접촉저항을 줄여 열전달이 더 잘 일어난다.
- 1) 흡착제 코팅두께가 0.2 mm일 때 흡착제 표면 온도는 최대 32.3℃로 가장 높게 측정되었으며, 총괄열전달계수는 약 189.1 W/m²·℃로 나타났다.
- 1) 하지만 이러한 방법은 흡착제 물질과 열교환기 핀 사이에 접촉저항이 생겨 열전달 효율을 저해하며, 흡착제와 핀 사이의 간격이 넓기 때문에 흡착성능이 낮다.2) 따라서 직접 핀의 흡착제를 코팅을 하면 기존의 방법에 비해 간격을 줄이고, 접촉저항을 줄여 열전달이 더 잘 일어난다. 대표적인 흡착제 코팅에 관한연구로 Li et al.
- 2) 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기는 냉각수온도가 28℃에서 30℃로 증가함에 따라 열전달량은 약 1% 미만으로 감소하였지만 냉각수 온도가 30℃에서 32℃로 증가함에 따라 열전달량은 약 15% 이상 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 3) 증발온도 12℃에서 흡착제 코팅두께가 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 열전달량은 약 1,521 W로 흡착제 코팅두께가 0.1, 0.15 mm인 핀-관 열교환기에 비해 각각 약 11, 43% 높은 것으로 나타났다.
- 4) 냉각수 온도가 28℃에서 32℃로 증가함에 따라 흡착제 코팅두께가 0.1, 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 각각 약 27, 31% 감소하였으며, 냉수 온도 12℃, 냉각수 온도 30℃에서 흡착제 코팅두께가 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 흡착제 코팅두께가 0.1 mm인핀-관 열교환기에 비해 약 2배 정도 높은 것으로나타났다.
- 은 Silica-gel 흡착제를 바인더를 이용하여 열교환기에 코팅하여 흡착 및 탈착 성능을 평가하여 기존의 Mesh망을 이용한 실험방법과 비교하였다. 그 결과 Silica-gel이 코팅된 열교환기의 총괄열전달계수와 흡착속도는 각각 약 4.6배, 2배 정도 증가하여 열 및 물질전달이 향상됨을 파악하였다.3,4) Heyden et al.
- 은 FAPO 흡착제와 바인더를 이용하여 금속표면에 코팅하여 흡착 및 열전달 특성을 파악하였다. 그 결과 흡착제의 최적의 코팅두께는 0.2 mm로 판단하였으며, 코팅하지 않은 흡착제보다 코팅이 된 흡착제에서 열전달이 향상되었음을 확인하였다.7)
- 기준온도 조건인 냉수 온도 12℃, 냉각수 온도 30℃에서 흡착제 코팅두께가 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 약 189 W/m²·℃로 나타났으며, 흡착제 코팅두께가 0.1 mm인 핀-관 열교환기에 비해 약 2배 정도 높은 것으로 나타났다.
- 이는 코팅두께가 두꺼울수록 코팅된 흡착제의 양이 증가하여 코팅두께가 얇은핀-관 열교환기에 비해 많은 냉매증기를 흡착하고상대적으로 흡착제의 낮은 열전도도에 대한 열저항이 커지기 때문인 것으로 판단된다. 냉각수 온도가 28℃에서 32℃로 증가함에 따라 흡착제 코팅두께가 0.1, 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 각각 약 27, 31% 감소하였다.
- 11은 냉각수 온도 변화에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수를 보여주고 있다. 냉각수 온도가 증가함에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 흡착제의 코팅두께가 두꺼울수록 더 크게 감소하는것으로 나타났다. 이는 코팅두께가 두꺼울수록 코팅된 흡착제의 양이 증가하여 코팅두께가 얇은핀-관 열교환기에 비해 많은 냉매증기를 흡착하고상대적으로 흡착제의 낮은 열전도도에 대한 열저항이 커지기 때문인 것으로 판단된다.
- 10은 냉수 온도 변화에 따른 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 열전달량을 보여주고 있다. 냉수 온도가 증가하고 흡착제 코팅두께가 두꺼울수록 핀-관 열교환기의 열전달량은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 코팅두께가 두꺼울수록 핀-관 열교환기 표면에 코팅된 흡착제 양이 증가함으로 더 많은 냉매 증기를 흡착할 수 있기 때문이다.
- 열전달량과 총괄열전달계수에 대한 불확실성은 식 (4)와 식 (5)를 이용하여 계산하였으며, 실험조건에서 제시한 온도 및 유량 센서의 측정오차를 반영하는 경우 열전달량의 불확실성은 평균 11%, 총괄열전달계수의 불확실성은 평균 10%로 나타났다. 또한 증발기와 흡착탑의 주고 받는 열량변화를 통해 에너지밸런스를 계산하였으며, 그 결과 에너지밸런스는 최소 89%, 최대 95%로 나타났다.
- 이는 흡착제 표면에서 발생한 흡착열이 흡착제와 열교환기를 통해 냉각수로 전달되는 시간차이가 존재하기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구에서는 흡착제의 두께가 두꺼울수록 총괄열전달계수가 높게 나왔으며, 최대 총괄열전달계수의 흡착시간도 늦게 나타나는 것으로 확인되었다. 흡착제 코팅두께가 0.
- 077 m²이다. 열전달량과 총괄열전달계수에 대한 불확실성은 식 (4)와 식 (5)를 이용하여 계산하였으며, 실험조건에서 제시한 온도 및 유량 센서의 측정오차를 반영하는 경우 열전달량의 불확실성은 평균 11%, 총괄열전달계수의 불확실성은 평균 10%로 나타났다. 또한 증발기와 흡착탑의 주고 받는 열량변화를 통해 에너지밸런스를 계산하였으며, 그 결과 에너지밸런스는 최소 89%, 최대 95%로 나타났다.
- 이는 코팅두께가 두꺼울수록 핀-관 열교환기 표면에 코팅된 흡착제 양이 증가함으로 더 많은 냉매 증기를 흡착할 수 있기 때문이다. 증발온도 12℃에서 흡착제 코팅두께가 0.2 mm인 핀-관 열교환기의 열전달량은 약 1,521 W로 흡착제 코팅두께가 0.1, 0.15 mm인 핀-관 열교환기에 비해 각각 약 11, 43% 높은 것으로 나타났다.
- 은 알루미늄 판에흡착제 ALPO-18을 코팅하여 코팅 두께에 따라 열 및 물질전달을 분석하였다. 코팅의 두께가 0.2 mm 이하에서 열 및 물질전달에 유리하게 작용하는 것을 확인하였다.5) 현재 흡착식 냉동기에 사용되고 있는 흡착제는 Silica-gel, Zeolite 등이 있다.
- 열전달량 값은 420초 동안 측정하였으며, 본 실험에서 제시한 열전달량 값은 총괄열전달계수가 최대인 시간에서의 온도차를 반영한 값을 적용하였다. 핀-관 열교환기의 흡착제 코팅두께가 0.1, 0.15, 0.2 mm일 때 냉각수 온도가 28℃에서 30℃증가함에 따라 열전달량은 약 1% 미만으로 감소하였지만, 냉각수 온도가 30℃에서 32℃로 증가함에 따라 열전달량은 약 15% 이상 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 FAPO 흡착제의 수분흡착 곡선은 S형 형태로서 작동분압이 약 0.
- 8은 흡착시간에 따른 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수를 보여주고 있다. 흡착시간에 따라 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 총괄열전달계수는 Fig. 7과 같이 흡착제 표면온도와 비슷한 경향을 보이지만 최대 총괄열전달계수의 흡착시간은 약 50초로 최대 흡착제 표면온도 시간에 비해 약 2배 정도 늦게 나타났다. 이는 흡착제 표면에서 발생한 흡착열이 흡착제와 열교환기를 통해 냉각수로 전달되는 시간차이가 존재하기 때문인 것으로 판단된다.
- 7은 기준 조건인 냉각수 온도 30℃, 냉수 온도 12℃에서 흡착제가 코팅된 핀-관 열교환기의 흡착제 표면 온도를 흡착시간에 따라 나타낸 것이다. 흡착을 시작하여 약 50초까지는 흡착제 표면온도가 급격하게 증가하였으며, 약 50초 이후에는 흡착제 표면온도가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 기존의 Gao et al.
- 흡착제 코팅두께가 0.2 mm에서 최대 총괄열전달계수는 약 189.1 W/m²·℃로 나타났으며, 흡착제 코팅두께가 0.15 mm와 0.1 mm에 비해 각각 약 18, 50% 높은 것으로 나타났다.
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