반응 블록을 이용한 CHP의 동적모사

박상민, 김동현, 김화용

서울대학교 화학공학과

Dynamic Simulation of CHP using Reaction Block

Park Sang-Min, Kim Dong-Hyun, Kim Hwa Young

Seoul National University Chemical Engineering

서론

열에너지를 에너지원으로 사용하는 화학적 열펌프는 기계적 열펌프에서 사용하는 압축기가 없으며 1차 에너지를 직접 이용하기 때문에 효율이 높으며, 장치면에서 움직이는 부분이 없어 수명이 길고 고온에서 사용이 가능할 뿐만 아니라 소음공해가 없는 장점을 갖고 있어 non-CFC냉난방기에서 차지하는 몫은 더욱 증가되가고 있다. 이 중에서도 상용화에 근접한 전도성블록을 이용한 CHP에 대한 관심은 더욱더 고조되어가는 실정이다. 따라서, 반응블록을 이용한 CHP의 연구개발과 상용화에 관한 연구의 일환으로 해석이 아직 정립되지 않은 반응블록내부의 전달현상의 모사와 이를 통한 실험적 해석을 하고자 한다.

이론

팽창흑연을 이용한 반응블록을 이용한 화학적 열펌프의 경우에 블록내부의 열 및 물질전달이 전체 출력에 중요한 역할을 하고 있다는 사실은 주지되어 있는 것이다. 전체 출력의 효율을 높이기 위해서는 반응 속도항의 평형온도차나 평형압력차를 증가시켜야 한다. 이는 반응 속도식자체가 열 및 물질전달식에 커플링되어 일어나는 것인데, 반응 진행시에 온도의 입출력이 용이해야 하고 기체의 즉, 암모니아의 출입이 자유로워야 한다는 것을 의미한다.

흑연을 지지체로 해서 만든 블록은 반응이 일어나는 자리를 제공하고 부피변화를 최소화할 뿐 아니라 다른 매개물들보다 높은 열전도도를 가지고 있어 에너지의 출입을 쉽게 하여준다. 측정치에 의하면 팽창흑연으로 제조된 반응블록은 압력이 가해진 방향에 수직한 방향으로 흑연입자들이 정렬하게 되어 흑연의 층상구조에 기인한 열전도도와 기체투과도의 이방성을 보여주게 된다. 이런 열전도도와 기체투과도의 이방성이 팽창흑연을 블록의 반응지지체로 이용하게된 주요원인이다. 예로, 그 전도도를 살펴보면, 종류에 따라 다르지만 Steel의 열전도도의 값이 4 - 40 W/mK 인데, 반응블록의 열전도도역시 4 - 40 W/mK 의 값을 가지는 것으로 보고되어 있다. 열전도도값의 큰 편차를 보이는 이유는 블록내의 팽창흑연의 무게분율 때문이다. 이런 이유로 열전도도를 증가시키기 위해 블록내 팽창흑연의 양을 늘리게 되면 블록의 기공율이 작아지게 되어 기체투과도가 감소하게 된다. 결과로 물질전달저항이 커지게 되어 반응속도가 감소함을 초래한다. 이런 열전달과 물질전달의 상충하는 효과를 조정하는 방법으로 블록의 분할을 고안하게 되었다. 또한, 기존의 블록에서 문제가 되었던 외벽의 열교환기와 블록의 접촉불안정을 개선의 가능성을 엿볼 수 있었다. 블록의 분할에 의한 열펌프성능의 개선에 대한 효과를 알아보고자 한다.

실험

반응식, 에너지방정식과 물질전달식이 커플링되어 있는 복잡한 형태의 비선형방정식이다. 또한, 각 방정식에 쓰이는 물성들이 전환율과 온도 그리고 압력에 따라 반응 중에 변화하는 값들이다. 기공율(□), 열전도도(□), 기체투과도(□), 열용량(Cp)등의 값들이 좋은 예이다. 이들중, 반응에 따라 크게 값이 변하지 않는 열전도도의 값은 상수로 취급하였으며, 기체투과도는 변하게 되는데, 압력과 점도 그리고 기체투과도를 이용하여 블록내의 gas diffusivity를 lumped parameter 로 정의하였으며, 모사시에는 변화의 형태를 알 수가 없으므로 상수로 취급하였다. 블록이 분할된 것과 그렇지 않은 것의 즉, 1차원과 2차원의 해석을 하여서 반응 모델을 검토하였다. 수치해석기구로는 유한차분법을 이용하였고, 다른 표준화된 모듈을 이용하여 수렴성 검토결과 0.001의 상대 오차한계로 모사를 수행하였다.

결과 및 토론

합성반응을 모델로 하여 적용압력(Pc)와 기체투과도의 영향을 살펴보고자 하였다.

-Pc의 영향

적용 압력이 높아지는 경우, 즉 평형온도차가 커지는 경우에는 기체투괴도에 따른 효과가 그리 크지 않지만, 그차가 줄어들수록 반응 진행속도에 큰 영향을 주는 것을 알 수가 있었다. 실제 연속조업의 경우 두 개의 반응기를 한 쌍으로 조업하게 되는데 그 압력은 급격하게 떨어지고 탈착의 경우가 병목이 되는 것으로 보고되어 있다. 재생기와 발생기의 블록을 제조하는 경우 Tc와 Pc, 출력들의 조업변수의 결정에 따라 염의 함침량과 탄소의 분율, 그리고 블록의 크기가 결정되게 된다.

-기체투과도의 영향

기체투과도가 작아지면 암모니아 가스의 전달이 어려워져서 반응이 일어나는 속도가 작아지게된다. 물질전달의 속도에 의해 반응속도가 상대적으로 작아지는 부분이 블록안에 생기게 되는데, 이런 지연이 일어나는 지역이 기체투과도가 감소함에 따라 중심부로부터 벽쪽으로 이동함을 알수가 있었다. 또한, 국부전환율을 살펴봄으로써 열전달과 물질전달중 어느 전달현상이 전체 열펌프시스템의 출력을 결정하는 인자인지를 추론할 수가 있었다. 기체투과도가 10-13근처일때는 물질전달의 저항이 거의 작용을 하지 않아서 열전달이 용이한 열교환기에 가까운 부분의 반응속도가 빠르다. 열전도도가 작아질수록 이러한 블록내의 위치에 따른 반응속도의 차이는 점점 크게 나타나게 되었다. 그러나 기체투과도가 10-14나 그 이하의 값을 가질때는 같은 열전도도하에서 물질전달저항이 지배적이 되어 블목의 내부중 오히려 열전달이 어려운 블록의 중심쪽의 반응이 더 빨리 일어남을 알 수가 있었다.

-분할의 유무에 따른 반응속도의 비교

그림1과 그림2는 각 투과도와 적용압력, 그리고 블록의 형태에 따른 결과를 보여주고 있다. 투과도가 10-14인 경우 고압인 경우는 그다지 분할의 효과를 볼 수 없지만, 저압에서는 큰 차이를 보여서 전환율의 진행속도가 2배가 나는 것을 볼 수가 있다. 투과도가 10-15일때는 분할에 의한 블록의 성능향상이 확실하게 보여준다. 같은 압력에서는 월등히 우수한 성능을 보여주며, 분할된 블록이 2기압하, 분할되지 않은 블록이 5기압하에서도, 즉 압력이 더 낮은 경우에도 더 빠른 전환율을 보여줌을 알 수가 있었다.

결론적으로 실용적 열펌프 제작을 위해서는 출력과 경제성을 고려해야 한다. 고성능의 열펌프 제작을 위해서는, 고출력을 위하여 염의 함침량을 늘려야하며 열전달 능력의 향상을 위하여 흑연의 무게 분율을 중가시킬 필요가 있다. 그리고 열펌프의 부피를 작게 하기 위하여 블록의 packing을 조밀하게 하여야 한다. 그런데 이것은 모두 블록의 기체투과도를 감소시켜 반응속도를 떨어 뜨리게 되는 결과를 초래하게 된다. 이런 상황이 발생하면, 블록의 반응속도는 앞에서 보는

그림1.분할된블록(2D)과 도우넛블록(1D)의 Pc에 따른 전환율(K=10-14)

그림2.분할된블록(2D)과 도우넛블록(1D)의 Pc에 따른 전환율(K=10-15

바와 같이 현저히 낮아지게 되어 실용성과 경제성이 떨어지게 된다. 또는 충분히 반응이 진행되기도 전에 반응 모드를 재생모드로 전환하여야 하는 일이 벌어지게 된다. 이러한 경제적, 실용적 목적을 달성하려면 열펌프의 cycle time을 줄이고 높은 출력을 얻을 수 있어야 한다. 활성화탄소와 염으로 구성되어진 반응블록은 열전달능력과 물질전달능력의 개선을 통한 출력의 증가를 추구한 반응 시스템이다. 현재 세계적으로 널리 연구되고 있는 도우넛 블록의 물질전달과 분할된 블록의 물질전달 효과에 대한 이번 연구로서 분할된 블록시스템이 전체적인 열펌프의 효율을 개선에 대한 새로운 대안이 될 수 있다는 것을 알 수 있었다.

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