[논문]냉매 열교환기 구성방법에 따른 제 2종 흡수식 히트펌프의 성능 특성 변화에 관한 연구

이창현; 윤준성; 김인관; 권오경; 차동안; 배경진; 김민수; 박찬우

doi:10.6110/kjacr.2017.29.7.373

냉매 열교환기 구성방법에 따른 제 2종 흡수식 히트펌프의 성능 특성 변화에 관한 연구
Performance Characteristics of Type II LiBr-H2O Absorption Heat Pump in Accordance with the Refrigerant Heat Exchanger Configuration 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.7, 2017년, pp.373 - 384

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

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study was to determine the effect of refrigerant heat exchanger on the performance of type II absorption heat pump performance using numerical analysis. Two heat exchange installation methods were used: solution to refrigerant and waste hot water to refrigerant. These methods were compared to the standard model of hot water flow without using refrigerant heat exchanger. When waste hot waters were bypassed to refrigerant heat exchanger, COP was not affected. However, steam mass generation rates were increased compared to those of the standard model. When solutions were bypassed to the refrigerant heat exchanger, results were different depending on the place where the solution rejoined. COP and steam mass generation rates were lower compared to those when waste heat water was passed to refrigerant heat exchanger. Thus, it is possible to obtain higher steam mass generation rates by using waste water and installing refrigerant heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2종 히트펌프 시스템에 냉매 열교환기를 구성하면서, 용액을 바이패스 시킨 후 리턴 위치에 따른 영향과 폐 온수를 바이패스 시킬 때의 분배 위치에 따른 영향에 대해 수치적으로 해석하였다. 또한 각각의 경우 냉매 열교환기 및 용액 열교환기와의 상호작용에 대해 연구하였다.
본 논문에서는 LiBr-H₂O를 용액으로 사용하는 흡수식 히트 펌프에 관한 연구를 진행하였으며 수행 하고자 하는 흡수식 히트 펌프의 해석 모델링은 다음과 같다.
흡수식 히트펌프에서 재생기 출구로부터 농용액이 흡수기로 이동하고 흡수기 출구로부터 희용액이 재생기로 이동하며, 용액 열교환기를 통해 희용액과 농용액이 열 교환을 하게 된다. 본 논문에서는 재생기출구 지점 용액의 일부를 냉매열교환기로 바이패스 시킨 후 리턴 위치에 따른 영향을 파악하고자 한다.
흡수식 히트펌프에서 폐 온수는 직렬방향으로 재생기에 공급된 후 증발기로 공급되어진다. 본 논문에서는 폐 온수의 일부가 냉매 열교환기로 바이패스 되어 증발기 입구에서 합류되는 경우, 폐 온수의 분배위치에 따른 영향을 알아보고자 한다. Fig.
본 연구에서는 2종 히트펌프 시스템에 냉매 열교환기를 구성하면서, 용액을 바이패스 시킨 후 리턴 위치에 따른 영향과 폐 온수를 바이패스 시킬 때의 분배 위치에 따른 영향에 대해 수치적으로 해석하였다. 또한 각각의 경우 냉매 열교환기 및 용액 열교환기와의 상호작용에 대해 연구하였다.
재생기로부터 나온 냉매 증기는 응축기에서 포화액 상태로 냉각되어 증발기로 보내지고, 증발기 내에서 폐 온수에 의해 포화증기상태로 된다. 본 연구에서는 기존의 제 2종 흡수식 히트펌프에서 응축기와 증발기 사이지점에서 냉매 열교환기가 구성되었을 때의 각각을 모델링하여 해석을 진행하였다. 사용된 지배 방정식 및 해석 조건은 다음과 같다.
상기 식(10)에서 언급 되어진 냉매 열교환기 효용도에 따른 흡수식 히트펌프의 각각의 요소들의 열량 변화가 위에서 언급한 네 가지의 경우에서 상이하게 작용할 것으로 예측하고 그 효과를 파악하고자 한다. 상기 계산변수를 정리하면 Table 2와 같다.
용액 열교환기의 효용도에 따른 성능계수 및 스팀 발생량의 변화가 앞서 언급한 네 가지의 경우와 기준모델을 비교해보았을 때 각각 그 결과가 상이하게 나타날 것으로 예상하고 이를 파악하고자 한다.

가설 설정

식(1)~식(9)는 히트펌프 요소기기별 질량 및 에너지 밸런스에 대한 식이다. 용액의 경우 압력, 온도와 농도에 따른 함수이며, 냉매의 경우 압력과 온도의 함수로 가정하여 관계식을 모델링 하였다. 열교환기의 효용도(ε)에 대한 정의는 식(10)이며 성적계수의 정의는 식(11)~식(12)와 같다.

제안 방법

⁽¹⁾의 흡수식 히트펌프의 운전변수에 따른 수치 해석에서 폐 온수의 정방향 및 역방향 공급 시 각 경우에 따른 영향을 시뮬레이션 하였으며, Kang et el^.(2)의 LiBr-H2O를 사용하는 제2종 흡수식 열펌프의 열역학적 설계 해석에서 히트펌프의 각 요소기기의 효용도에 따른 시스템 성능변화에 대해 고찰하였다. 그 외에 Chen^(3~5)의 제 2종 흡수식 열펌프의 열역학적 최적 설계해석에서 흡수식 열펌프에 있어 열 저항이 미치는 영향에 대한 열역학적 해석이 진행되었다.
이와 더불어 Fig. 1의 (b)와 같이 재생기 출구에서 바이패스 된 용액이 용액 열교환기 이후 지점에서 합류(case 2) 되는 경우를 연구하였으며, 두 경우 모두 10%(Bypass Ratio)만 흘러가도록 기준을 정하였다. 여기서 냉매 열교환기 바이패스 비율을 10%로 정한 것은 선행 계산을 통하여 바이패스 비율이 증가함에 따라 성능이 선형적으로 감소하는 것을 파악이 되어 임의의 최대 분배 비율로 10%를 정하였다.
이와 더불어 같은 조건에서 Fig. 2의 (b)와 같이 재생기에서 나온 폐온수가 분할되어 증발기 입구에서 합류(case 4)되는 경우를 연구하였으며, 두 경우 모두 냉매 열교환기로 바이패스 전 폐 온수 유량의 10%(Bypass Ratio)만 흘러가도록 기준을 정하였다.
기준 모델은 냉매 열교환기가 구성되지 않은 2종 흡수식 히트펌프로서 90℃의 산업 폐열과 25℃의 냉각수를 사용하여 흡수기에서 120℃의 증기를 생산하는 것이며, 90℃의 산업 폐열 온수를 직렬로 공급하는 것으로 설정하였다. 본 계산에 적용한 구체적인 기준조건은 Table 1과 같다.
현재까지 2종 히트 펌프 시스템의 운전 변수로 냉각수, 온수의 온도 및 유량 변화에 대한 연구가 일반적이었으며, 냉매 열교환기 구성에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 냉매 열교환기의 구성에 있어서 냉매와 용액 또는 폐 온수의 열 교환과 바이패스 지점이 흡수식 히트 펌프에 미치는 영향에 대한 수치적 해석을 수행하고, 기존 온수의 직렬흐름 방식과 비교 하였다.
사이클의 정확성 정도를 파악하기 위하여 선행연구와의 결과 값을 비교하였다. Fig.
1의 (b)와 같이 재생기 출구에서 바이패스 된 용액이 용액 열교환기 이후 지점에서 합류(case 2) 되는 경우를 연구하였으며, 두 경우 모두 10%(Bypass Ratio)만 흘러가도록 기준을 정하였다. 여기서 냉매 열교환기 바이패스 비율을 10%로 정한 것은 선행 계산을 통하여 바이패스 비율이 증가함에 따라 성능이 선형적으로 감소하는 것을 파악이 되어 임의의 최대 분배 비율로 10%를 정하였다.

이론/모형

본 연구에서 적용된 프로그램은 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하였다.

성능/효과

(2) 전체적으로 보았을 때, 냉매 열교환기의 효용도가 증가할 때 전체 시스템 압력은 증가하고, 농도는 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 냉매 열교환기의 효용도가 증가할수록 냉매 증기 발생량이 증가하고 이로 인한 냉매 순환량의 증가가 전체 시스템의 압력과 농도의 변화에 영향을 준다고 파악된다.
(3) 기준 모델과 비교해 보았을 때, 냉매 열교환기 바이패스 비율 10% 기준에서 냉매 열교환기에 용액을 바이패스 시킨 case 1, 2의 경우 case 1에서 약 0.3%, case 2에서 약 4.7% 정도로 COP는 크게 떨어지는 것을 확인하였으며, 냉매 열교환기에 폐 온수를 바이패스 시킨 case 3, 4의 경우 바이패스 비율이 약 4% 정도일 경우가 최적의 분배율이지만 바이패스 비율 10% 기준 일 경우 기존 모델 대비 COP 변화는 나타나지 않았다. 그러나 스팀 발생량 측면에서 보았을 때, 온수를 바이패스 시킨 case 3, 4의 경우가 기존 모델대비 흡수기 증기 발생량이 증가하였고, 용액을 바이패스 시킨 case 1, 2의 경우는 흡수기 증기 발생량이 감소하였다.
3은 선행 연구인 kang⁽²⁾의 모델링 결과와 본 모델링 계산 결과를 비교한 결과이다. 두 결과 모두 용액 열교환기 효용도 변화에 따라 성적계수가 증가하는 경향을 나타내고 있으며 그 절대값도 근사적으로 비슷하여 모델링 방법의 타당성을 확인 할 수 있었다.
4% 증가하는 것으로 가장 높게 확인되었다. 따라서 냉매 열교환기를 구성할 경우 폐 온수의 일부가 재생기에 공급되기 전 냉매 열교환기로 바이패스 되는 경우가 가장 효과적인 냉매 열교환기 배치 방법임을 확인하였다.
case 3의 경우 폐 온수가 재생기로 공급되기 전에 일부가 냉매 열교환기로 바이패스 되기 때문에 case 4의 경우보다 높은 온도의 폐 온수가 냉매 열교환기로 바이패스 되며, 이로 인해 냉매 열교환기에서의 열 교환량이 많아지게 된다. 따라서 증발기로 유입되는 포화냉매의 온도 또한 case 4에 비해 상대적으로 높아지고 증발기로 공급되는 폐 온수와의 온도차가 case 4에 비해 감소하게 되어 전체적인 증발기 열량 값은 case 3이 약간 더 낮게 확인되었다. 냉매 열교환기의 효용도 변화에 따라 증발기에서 발생증기가 증가하면서 전체적인 냉매 순환량이 증가하고 재생기의 열 교환량이 약간 증가하게 된다.
농도의 경우 냉매 열교환기 효용도의 변화에 따라 전체적으로 감소하는 것으로 나타났다. 상기 언급한 바와 같이 냉매 열교환기의 효용도 증가로 인한 냉매의 순환량의 증가가 기인한 것으로 보이며, case 2의 경우 냉매 순환량이 커지면서 농도 변화가 크게 나타났다.
스팀 발생량의 경우에도 기준 조건 모델 대비 case 1, 2는 전반적으로 감소하는 경향을 나타내며, case 3, 4에서는 스팀 발생량이 증가하는 것을 알 수 있다, 스팀 발생량은 용액 열교환기의 효용도가 0.9일 경우를 기준으로 본 계산의 기준조건 모델 대비 case 1은 약 0.5%, case 2는 약 6.5% 정도 감소하였으며, case 3은 약 2.4% 증가하는 것을 볼 수 있으며, case 4는 약 2.3% 증가하는 것을 알 수 있다.
반면에 폐 온수의 일부를 냉매 열교환기에서 열교환하는 경우인 case 3, 4에서는 COP 영향은 거의 없음을 알 수 있다. 용액 열교환기의 효용도가 0.9일 경우를 기준으로 본 계산의 기준 조건 모델 대비 COP는 case 1은 약 0.3%, case 2는 약 4.7% 정도 감소하였고, case 3과 4는 거의 동일하게 나타났다.
응축기는 상기 언급한바와 같이 냉매의 순환량의 증가로 인해 냉매 열교환기의 효용도가 증가할수록 열량 값이 증가하며 case 2의 경우가 열량 값이 높게 나타났다. 흡수기는 냉매 열교환기의 효용도가 증가할수록 흡수기에 낮은 온도의 농용액이 유입되면서 관내 발생증기의 온도와 고온의 흡수액과의 온도차가 줄어들게 된다.
응축기는 순환되는 냉매의 양의 증가로 응축되는 냉매의 양은 증가하게 되고 응축기 열량 값은 미세하게 증가하였다. 응축기와 흡수기 열량에 있어서 폐 온수의 바이패스 지점에 따른 영향은 없는 것으로 확인되었다.
전체적으로 냉매 열교환기의 효용도 변화에 따라 전체 시스템의 압력이 증가함을 알 수 있다. 이는 고압부의 경우 증발기 내로 유입되는 포화냉매의 온도 상승에 따른 압력의 증가로 보이며 저압부는 냉매의 순환량 증가로 인해 응축기 내에서 냉각수와의 열 교환량이 감소하여 압력이 증가하는 것으로 보인다.
흡수기로 유입되는 용액의 온도가 낮아지면 흡수기에서 120℃의 스팀을 생산하기 위해 보다 많은 흡수열을 필요로 하고, 이로 인해 냉매의 흡수량이 많아져 전체적으로 필요로 하는 냉매의 순환량이 높아진 것으로 보이며 case 2가 case 1보다 전체적인 증발 열량 값이 높게 나타남을 알 수 있다. 즉 냉매 열교환기의 효용도가 증가할수록 흡수기로 유입되는 농용액의 온도는 감소하며 전체 시스템의 냉매 순환량은 증가함을 나타낸다.
case 2의 경우 냉매 열교환기를 지난 농용액이 합류하여 바로 흡수기로 들어가기 때문에 흡수기로 들어가는 온도는 case 1에 비하여 상대적으로 낮다. 흡수기로 유입되는 용액의 온도가 낮아지면 흡수기에서 120℃의 스팀을 생산하기 위해 보다 많은 흡수열을 필요로 하고, 이로 인해 냉매의 흡수량이 많아져 전체적으로 필요로 하는 냉매의 순환량이 높아진 것으로 보이며 case 2가 case 1보다 전체적인 증발 열량 값이 높게 나타남을 알 수 있다. 즉 냉매 열교환기의 효용도가 증가할수록 흡수기로 유입되는 농용액의 온도는 감소하며 전체 시스템의 냉매 순환량은 증가함을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경문제와 화석 에너지원의 고갈에 대한 해결방안은 무엇인가?	오늘날 에너지 수요 증가로 야기되는 환경문제와 화석 에너지원의 고갈은 대체 에너지의 개발의 필요성을 알려주고 있다. 이에 대한 방안으로 기존 사용되는 냉동 시스템과 유사한 흡수식 히트 시스템에 산업 폐열을 적용하면 산업에 필요한 고온의 에너지로 만들 수 있어 친환경적이며 화석에너지를 대체할 수가 있다.
	흡수식 히트펌프는 무엇인가?	흡수식 히트펌프는 압축식과 달리 가스의 연소열이나 온수, 증기의 열을 이용하는 것으로 대용량의 열을 회수하는 곳에 사용된다. 흡수식 히트펌프는 1종 히트펌프와 2종 히트펌프로 나누어지는데, 1종 히트펌프는 증발기에 약 35℃의 폐 온수를 공급하고, 가스 혹은 고온증기를 열원으로 약 75℃의 온수를 이용한다면 약 1.
	제 2종 흡수식 히트펌프는 어떻게 구성되는가?	제 2종 흡수식 히트펌프는 재생기, 응축기, 증발기, 흡수기, 용액 열교환기로 이루어져 있으며, 재생기와 응축기의 압력이 저압부로서 응축기 내로 흐르는 냉각수의 온도에 의해 결정된다. 고압부는 증발기와 흡수기로 증발기에서 발생하는 냉매 증기의 온도에 의해 결정된다.

참고문헌 (13)

Yoon, J. S., Kwon, O. K., Cha, D. A., Bae, K. J., Kim, I. G., Kim, M. S., and Park, C. W., 2016, Effects of Operation condition on the performance of Type II LiBr- $H_2O$ absorption Heat Pump, Proceeding of SAREK, pp. 149-151.
Kang, B. H., Kim, Y. I., and Lee, C. S., 1985, Thermal Design Analysis of an Absorption Heat Transformer for using Waste Hot Water, The Magazine of the Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, Vol. 14, No. 4, pp. 11-18.
Chen, J., 1995, Optimal choice of the performance parameters of an absorption heat transformer Heat Recovery Syst. CHP, Vol. 15, No. 3, pp. 249-256.

상세보기
Chen, J., 1997, Equivalent combined cycle of an endoreversible absorption heat transformer and optimal analysis of primary performance parameters, Energy Convers. Mgmt., Vol. 38, No. 7, pp. 705-712.

상세보기
Chen, J., 1997, Thermodynamic analysis of the performance of a solar absorption heat transformer at maximum coefficient of performance, Int. J. Energy Res., Vol. 21, pp. 975-984.

상세보기
Qin, X. Y., Chen, L. G., and Sun, F. R., 2004, The optimal performance of an irreversible four-heat-reservoir absorption heat transformer, J. Eng. Thermophys., S. Wu, J. Chen, Vol. 25, pp. 185-188.
Wu, S. Z. amd Chen, J. C., 2005, Parametric optimum design of an irreversible heat-transformer based on the thermo-economic approach, Appl. Energy, Vol. 80, pp. 349-365.

상세보기
Qin, X., Chen, L., Sun, F., and Wu, C., 2005, Performance of an endoreversible four-heat-reservoir absorption heat-transformer with a generalized heat transfer law, Int. J. Ambient Energy, Vol. 26, pp. 171-179.

상세보기
Sun, F., Qin, X., Chen, L., and Wu, C., 2005, Optimization between heating load and entropy-production rate for endoreversible absorption heat-transformers, Appl. Energy, Vol. 81, pp. 434-448.

상세보기
Eisa, M. A. R., Best, R., and Holland, R. F. A., 1986, Thermodynamic design data for absorption heat transformers- part I. Operating water-lithium bromide, J. Heat Recovery Syst., Vol. 6, No. 5, pp. 421-432.

상세보기
Wang, J. G., Ma, X. H., Lin, H. T., and Chen, J. B., 2004, Thermodynamic analysis for LiBr- $H_2O$ absorption heat transformer, J. Dalian Univ. Technol., Vol. 44, pp. 366-370.
Zebbar, D., Kherris, S., Zebbar, S., and Mostefa, K., 2012, Thermodynamic optimization of an absorption heat transformer, Int. J. Refrig., Vol. 35, pp. 1393-1401.

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Guo, P., Sui, J., Han, W., Zheng, J., and Jin, H., 2012, Energy and exergy analyses on the off-design performance of an absorption heat transformer, Appl. Therm. Eng., Vol. 48, pp. 506-514.

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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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