공냉형 흡수식 냉난방기용 다성분계 작동 매체의 물성 측정 및 분석

이형래, 구기갑, 오영삼*, 박달영*, 백영순*

서강대학교 공과대학 화학공학과

*한국가스공사 연구개발원 이용기기연구실

The Measurement and Analysis on the Physical Properties

of Multi-component System for Air-cooled Absorption Refrigerator

H.-R. Lee, K.-K. Koo, Y.-S. Oh*, D.-Y. Park*, Y.-S. Baek*

Dept. of Chemical Engineering, Sogang University

*R & D Center, Korea Gas Corporation

서론

에너지의 효율적 이용과 지구 환경 보호를 위하여 기존의 증기 압축식 냉동기를 대체하기 위한 흡수식 냉동기에의 관심은 날로 고조되고 있으며, 최근 냉동기의 소형화에 대한 요구로 그 연구 방향은 흡수식 냉동기의 수냉형 냉각 방식에서 공냉형으로의 전환에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 상용되고 있는 H2O/LiBr 흡수 용액은 부식성이 높고 공냉형에 적용시 결정 생성의 심각한 문제점을 가지고 있기 때문에, 공냉형 흡수식 냉동기의 개발을 위해서는 공냉형에 적용할 수 있는 새로운 작동 유체에 대한 연구가 반드시 필요하다. 이는 주로 기존의 H2O/LiBr 작동 유체에 할로겐 염이나, 고비점의 유기물을 첨가한 작동 유체에 대한 공냉형 흡수식 냉동기에의 적용 가능성을 검토하게 된다.

본 연구실에서도 공냉형에 적용시킬 수 있는 고농도의 H2O/LiBr 용액을 개발하기 위하여 용해도 향상 특성을 갖는 LiI와 LiNO3를 첨가한 H2O/(LiBr+LiI)계, H2O/(LiBr+LiNO3)계 및 H2O/(LiBr+LiNO3+LiI)계에 대한 용해도를 온도 함수로 측정하였다(1). 그러나, 이 용액들은 증기압이 상승하여 흡수 능력이 감소하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, LiI와 LiNO3에 의한 증기압 상승 효과를 억제하기 위하여 H2O/(LiBr+LiI+LiCl)계를 선정하여 적정 혼합비를 결정하였고 용해도, 증기압 특성을 발표하였다(2).

본 연구에서는 최적 혼합비를 갖는 4성분계 모델 용액의 농도에 따른 용해도, 증기압 실험을 통하여 실제 흡수식 냉동기에서의 작동 영역을 파악할 수 있는 P-T-X 선도를 작성하고, 측정된 열용량 결과를 이용하여 H-T-X 선도를 작성하여 흡수 사이클 에너지 수지의 기초 자료로 활용하고자 한다. 그리고, 이를 이용하여 모델 용액이 실제 냉동기에 적용되었을 때, 흡수 용액으로서의 가능성을 평가할 수 있는 성능 계수(COP)를 계산하고자 한다. 또한 밀도, 점도 및 표면 장력 등의 물성치를 측정하고 기존의 H2O/LiBr 용액의 물성치와 비교하여, 실제 공냉형 흡수식 냉동기에의 적용 가능성을 평가하고자 한다.

실험 장치

본 연구에서 사용한 모든 작동 유체는 99+% LiBr(Aldrich), 99% LiI(Aldrich),  99+% LiCl(Aldrich)와 초순수(deionized distilled water)를 사용하여 제조하였다. 용해도 측정 장치(1)는 silicon 마개로 sealing된 3중 반응 cell, 항온조(Lauda, RM20S) 및 온도 측정을 위한 RTD 디지털 온도계(FLUKE, 2180A) 등으로 구성되어 있다. 결정 생성의 핵으로 작용할 수 있는 cluster를 제거하기 위하여, 반응 cell에 주입된 용액을 예상 결정화 온도보다 약 15K 정도 높은 온도에서 충분한 시간동안 교반시킨 후, 냉각 속도를 0.1K/min으로 제어하며 최초 결정이 생성되는 결정화 온도(crystallization temperature)를 측정하였다.

증기압 측정은 2.8kPa 이상의 증기압 측정에 주로 이용되는 비등점법(boiling point method)(3)를 이용하여 측정하였다. 측정 용액 150ml와 소량의 비등석을 반응 플라스크에서 충분히 교반시키고, 응축기의 냉각수 온도를 0℃로 고정시킨다. 용액의 온도가 실온의 항온조 온도와 평형을 유지하게 되면, 계 내의 공기를 배기시키고, 계를 외부와 차단한다. 항온조의 온도를 5℃씩 증가시키면서 용액의 온도를 관찰하고, 용액의 온도가 항온조 온도 증가에 미치지 못하고 일정 온도로 유지되면, 평형 온도(boiling point)와 디지털 압력 게이지(VRC, model 912091)의 압력을 측정한다. 소량의 공기를 계 내에 주입하고, 위와 같은 방법으로 증기압과 용액의 비등점을 반복 측정한다.

열용량은 25ml 부피의 시료 용기인 드와 용기(Dewar vessel), 히터, 써미스터, 뷰렛, 교반기와 항온조로 구성되어 있는 용액 열량계(isoperibol solution calorimeter ; model 4300, Calorimetry Sci. Co.)를 이용하여 측정하였다.

밀도 측정 장치는 평형 셀(equilibrium cell)로 이용하는 용량 100cm3의 메스 실린더와 평형 셀 내의 시료 용액의 온도 제어 및 액체 비중계(hydrometer, 0.002g/cm3 divisions)의 눈금을 쉽게 읽을 수 있도록 제작된 유리 항온조 및 써미스터(thermistor)로 구성되어 있으며, 점도 측정 장치는 유리 항온조와 온도계(FLUKE, 2180A), 그리고 약 11ml의 시료 용액을 주입할 수 있는 점도계(ubbelohde-type viscometer, Proton)로 구성되어 있다. 또한, 표면 장력 측정 장치는 용액이 주입되는 외부의 원형관과 관의 직경이 정확하게 보정되어 있는 모세관으로 구성되어 있으며, Capillary-rise 법(4)으로 측정하였다. 외부 원형관에 주입된 용액은 표면 장력에 의하여 모세관 기둥을 따라 올라가게 되며, 모세관 기둥의 높이는 케시토메타(Cathetometer, 0.01mm)을 이용하여 측정하였다. 이상의 밀도, 점도 및 표면 장력 측정에 이용되는 항온조 온도는 별도의 순환조(Polyscience ; model 9710, ±0.01)로부터 열매체를 순환시켜 제어하였으며, 원하는 온도와 평형이 가능한 충분한 시간 동안의 농도 변화를 최소화하기 위하여 용액의 주입 부분을 파라필름(parafilm)으로 밀봉하였다.

결과 및 토의

본 연구에서 측정하고자 하는 H2O/(LiBr+LiI+LiCl) 4성분계 작동 유체의 첨가제 혼합비는 참고 문헌 (2)에서의 용해도와 증기압 실험 결과로부터 체계적으로 결정되었다. 제안된 4성분계 모델 용액의 용해도는 248.59∼350.46K 온도 범위에서 측정되었고, 증기압은 50.0∼70.0wt% 농도 범위와 318.36∼455.75K의 온도 범위 내에서 측정되었다. 4성분 모델 용액은 공냉형에 적용할 수 있는 62.0wt%이하에서는 H2O/LiBr 계보다 결정화 온도가 약 20K 정도 강하됨을 확인하였다(Fig. 1). 또한, 본 모델 용액은 흡수기에 적용할 수 있는 저압 영역에서 같은 농도 H2O/LiBr 용액의 흡수 능력에 거의 일치하고 있음을 증기압 실험을 통하여 확인할 수 있었다(Fig. 2). 이상의 용해도, 증기압 실험 결과를 바탕으로 P-T-X 선도를 구성하여, 4성분계 모델 용액의 확장된 작동 영역을 확인하였으며, 고농도 4성분 모델 용액의 열용량 실험 결과를 이용하여 흡수 사이클 설계에 필요한 엔탈피 변화값인 H-T-X 선도를 구성하고, 이를 성능 계수(COP) 계산에 활용하였다.

발생기에서 흡수기로 되돌아오는 농용액은 열교환기를 거쳐 스프레이 노즐에 의해 흡수기 내의 냉각관에 산포되기 때문에, 흡수 용액의 점도는 흡수기 내의 용액 유동 상태에 큰 영향을 미치게 된다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 본 모델 용액의 점도는 H2O/LiBr 용액의 점도값과 근사하고 있어, 점도 상승에 의한 유동 흐름에의 저항값은 그다지 상승하지 않을 것으로 예상된다. 또한 새로운 흡수 용액의 표면 장력값이 증가하게 된다면, 흡수기의 스프레이 노즐로부터 산포된 흡수 용액과 냉매 증기와의 접촉시 흡수 용액의 흡수 능력은 감소하게 된다. 본 모델 용액은 기존의 H2O/LiBr 용액과 표면 장력이 거의 일치하고 있는 것으로 확인되어, 본 용액은 흡수기 내에서 용액의 산포, 접촉 면적의 확대 등에 대해서 큰 영향을 미치지 않을 것으로 평가할 수 있다.

모델 용액의 열용량은 H2O/LiBr 용액보다 약 0.4(kJ/kg K) 정도 증가하고 있음을 확인하였으며, Fig. 4에서 보는 바와 같이 모델 용액은 기존 흡수 용액보다 다소 저비중의 용액임을 확인할 수 있었다. 이상의 4성분계 모델 용액의 측정된 각 실험값들에 대한 상관 관계식은 최소 자승법을 이용하여 구하였다.

본 연구에서의 4성분계 작동 유체에는 열 및 물질 전달 촉진제, 부식 억제제와 같은 일반적인 첨가제의 영향은 고려되지 않은 상태이므로, 본 연구실에서는 4성분계 흡수 용액의 열 및 물질 전달 특성과 부식에 대한 연구를 수행할 계획이며, LiI와 함께 용해도 향상 특성을 가지고 있는 LiNO3를 첨가한 5성분계 용액에 대한 용해도, 증기압 등의 물성 측정을 수행 중에 있다.

참고문헌

1. 김형태, 이형래, 노상용, 구기갑, 오영삼, 백영순, 화학공업의 이론과 응용, 3(1), 829(1997).

2. 이형래, 구기갑, 오영삼, 백영순, 방효선, 화학공업의 이론과 응용, 3(2), 2521(1997).

3. Shigeki Iyoki, et al., J. Chem. Eng. Data, 35, 429(1990).

4. Shigeki Iyoki, et al., J. Chem. Eng. Data, 38, 302(1993).

Fig. 1 Crystallization Temperature of      Fig. 2 Vapor Pressure of

H2O/(LiBr+LiI+LiCl) System             H2O/(LiBr+LiI+LiCl) System

Fig. 3 Viscosity of                     Fig. 4 Density of

H2O/(LiBr+LiI+LiCl) System             H2O/(LiBr+LiI+LiCl) System