운전조건에 따른 평판형 흡수기의 흡수능 및 온도 거동에 관한 연구

이기봉, 전병희, 이재철, 박찬진*, 김성현

고려대학교 화학공학과, 시립인천전문대학 환경공업과*

The Study of Absorption Ability and Temperature Performance in Plate Type Absorber on the Various Operating Conditions

Ki-Bong Lee, Byoung-Hee Lee, Jae-Cheol Lee, Chan-Jin Park*, Sung-Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University,

Dept. of Environ. Eng., Junior College of Inchon*

서론

산업과 과학발달에 의해 더욱 물질적으로 풍요로워진 인류에게 에너지와 환경문제는 새로운 당면문제로 부각되고 있다. 특히 1992년 몬트리올 협정에서는 CFC 및 HCFC의 사용을 각각 1997과 2002년부터 전면 금지시키기로 하였고, 1997년에는 2008∼2012년까지 전세계 온실가스 배출량을 5.2% 줄이는 것을 골자로 하는 교토 선언이 합의되었다. 이러한 상황을 타개하기 위한 많은 연구 중 흡수식 열펌프는 환경친화적인 자연냉매를 사용하는 열구동 시스템으로 다시 주목을 받고 있다. 흡수식 열펌프 시스템은 가정용 및 소형 산업용에 많이 쓰이는 NH3/H2O 시스템과 대형 산업용으로 주로 쓰이는 H2O/LiBr 시스템이 상용화되고 있는데, 근래에는 소형 열구동 흡수식 시스템이 가정용 에어콘에 대비하여 차세대 환경친화적 냉난방시스템으로 주목을 받고 있다. 흡수식 열펌프의 구성요소 중 흡수에 의하여 고온의 열을 얻을 수 있는 흡수기에 박막유동 및 기포타입유동 등의 효율적인 열전달 모드를 적용함으로써 제품의 소형화를 이루고 있는데, 이에 본 연구에서는 동일한 평판형 흡수기에서 박막유동과 기포타입유동을 모두 적용시켜 봄으로써 각 운전모드에서의 흡수능 및 온도 거동을 비교·분석하고자 하였다.

실험

흡수기 실험에 사용된 ammonia gas는 98% 이상의 순도(성강가스(주))이며, ammonia 용액은 Kanto Chemical사의 29% 시판시약을 사용하였다.

흡수기에 설치된 흡수판의 크기는 11.2(가로)×26.4(세로)×3(두께) mm로 적은 유량에서도 층류를 얻기 위해서 흡수판을 바꾸어 가며 예비실험을 행하였다. 이때 매끈한 평판, hair line을 준 판, sand paper로 처리한 판의 세 가지로 테스트 한 결과 sand paper로 처리한 판에서 적은 유속에서도 만족할 만한 층류가 생성되는 것을 확인하였고, 실험장치에 적용할 수 있었다. 또한 흡수기 내부의 온도 상태를 확인하기 위해서 5개의 thermocouple을 등간격으로 설치하였고, 용액의 흐름상태를 확인하기 위하여 정면에 sight glass를 넣었다.

흡수기에 주입되는 용액은 solution tank에 500W의 cartridge heater 3개를 설치하여 예열시키고 input line에 500W, embedded type의 cartridge heater를 설치하여 원하는 온도로 조절하였다. 또한 용액의 유량을 조절하기 위해 흡수기 입구부에 metering valve를 설치하였고, 용액의 양이 많을 때는 input line에서 by-pass를 행하였다.

실험장치에서 thermocouple에 의해 측정된 온도는 data aquisition system에 의하여 컴퓨터에 on-line으로 저장되고, 채취된 sample은 conductivity를 측정하여 실험으로 구한 standard curve로부터 농도를 분석하였다.

실험은 흡수기에 0, 10, 20, 30%의 ammonia 수용액을 20℃, 0.3kg/min로 유입시키고 ammonia gas의 유속을 변화시켜가면서 수행하였다. 이때 각 조건에서 흡수기를 falling film mode와 bubble mode로 운전하면서 각각의 결과를 비교하였다.

흡수기 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같고, Fig. 2에서와 같이 평판형 흡수기에 ammonia 용액과 gas를 counter current로 흘려주면서 실험하였다.

결과 및 토론

흡수기에 유입되는 ammonia 수용액의 농도가 일정할 때 falling film mode와 bubble mode 모두 유입되는 ammonia gas의 유속이 증가할수록 흡수되는 ammonia의 양과 전달되는 열량이 증가함을 알 수 있다. 이때 상대적으로 bubble mode에서 물질전달이 더 우수한 결과를 얻을 수 있는데, 이는 bubble mode에서 용액에 대한 ammonia gas의 접촉면적이 커지기 때문으로 해석할 수 있다. 한편 열전달 과정에서는 falling film mode에서 더 우수한 결과를 얻을 수 있는데, 이는 흡수기내 용액의 흐름에서 형성되는 thermal boundary의 열전달 저항영역이 falling film mode에서 더 작기 때문이다. 그러나 gas의 유속이 증가함에 따라 bubble mode의 흡수기내에서 유동화 현상이 발생하고 열전달 저항영역이 작아져 그 차이가 급격히 줄어드는 현상을 볼 수 있다. 한편 흡수기 내부의 온도 분포를 살펴보면 falling film mode에서는 위로 갈수록 온도가 높고, bubble mode에서는 전체적으로 크게 온도차이가 없으나 아래로 갈수록 온도가 높게 나왔다. 이러한 현상은 흡수가 주로 일어나는 영역의 차이와 냉각수의 영향으로 볼 수 있다.

결론적으로 물질전달 측면에서는 bubble mode가 우수하고, 열전달 측면에서는 falling film mode가 우수하다고 할 수 있는데, gas의 유속이 증가하여 유동화가 발생하거나 열전달을 전체적으로 일어나게 한다면 bubble mode에서 열 및 물질전달 모두 향상된 성능을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

감사

본 연구는 과학기술부 온실가스저감기술개발사업단의 과제로 수행되었으며, 연구비를 지원한 사업단에 감사드립니다.

참고문헌

1. 강용태: 空氣調和 冷凍工學, 27(1), 53(1998)

2. 강용태: □흡수식 냉동기 및 열펌프 워크샵□, 한국정밀화학공업 진흥회(1999)

3. 김성현, 송현섭, 이찬호, 이기봉, 전병희, 현재천: 제1회 온실가스저감기술개발

사업단 종합심포지움(1999)

3. The Korean Institute of Chemical Engineers: NICE, 17(6), 367(1999)

4. Herold K. E., Radermacher R. and Klein S. A.: "Absorption Chillers and

Heat Pumps", CRC Press(1996)

5. Kang Y. T., Christensen R. N. and Kashiwagi T.: ASHRAE Transaction,

104(1), (1998)

Fig. 1 Experimental absorption system

Fig. 2 Schematic diagram of falling film and bubble modes

Fig. 3 Effect of gas flow rate on mass transfer coefficient

Fig. 4 Effect of gas flow rate on heat transfer coefficient

Fig. 5 Temperature profile in the absorber