2.1 실험전열관

본 연구에서는 흡수기의 기본 성능 특성은 Endcross 26 전열관을 사용하였을 경우 그 특성을 파악 하였고 그 외에 Endcross 26-2V, Endcross 38, Endcross 40, End Dimple, Floral, NF 등 총 7가지 타입의 전열관을 적용하였을 경우 열 및 열적 특성을 비교 분석하였다. 실험한 전열관의 형상은 다음과 같으며 Table 1에 정리 하였다. Fig. 1은 본 연구에 사용되어진 Falling Film absorber의 개략도를 나타낸 것이며 실제 실험 장치는 구성은 Fig. 2와 같다. 실험장치 구성은 크게 흡수기와 응축기 측으로 구성된다. 흡수 전열관은 2열 20줄 총 40개(상하 10 mm 좌우 5 mm 전열관 간격, 응축전열관은 2열 10줄 총 20개의 전열관(코로게이트)으로 구성된다. 장치 상단에는 흡수액을 균일 액막 형태로 제공하는 액 분배 트레이(tray)를 설치하였고, 장치 내에 흡수기 하부에 히터를 가열하여 흡수액을 재생하였다. 재생 시 발생한 증기는 응축되어 냉매탱크로 저장되고 밸브를 통해 흡수액의 농도 조절에 사용하였다. 재생된 리튬브로마이드 수용액은 장치 하단의 펌프에 의해 전열관 상부의 액분배 트레이로 공급하도록 하였다. 흡수부와 응축부 사이에는 엘리미네이터(eliminator)를 설치하여 응축기로 흡수액의 비산을 방지하였다.

흡수기의 측면에는 Sight Glass를 설치하여 흡수액의 액막 형태를 관찰 할 수 있게 하였다. 장치내의 압력을 진공상태로 만들기 위해 진공펌프를 설치하였으며, 냉각수를 일정한 온도로 공급하기 위해 항온조를 설치하였다. 냉각수는 흡수기 전열관 하부에서 2열씩 20패스로 상부로 흐른다. 각각의 냉각수 양측 패스에는 4 wire RTD를 설치하여 냉각수의 온도 변화를 측정하였다. Fig. 2의 좌측에서 보듯이 전열관과 전열관 사이에 4 wire RTD를 설치하여 유하되는 흡수액 온도변화도 측정하였다. 흡수기 상부에서 압력을 측정하기 위해 디지털 압력계, 흡수액 공급 유량을 측정하기 위하여 질량 유량계, 본 연구에 사용된 계측기의 정보는 Table 2와 같다.

2.2 실험 방법

실험에 사용되는 작동유체는 냉매로는 물, 흡수제는 H₂O/LiBr(리튬브로마이드수용액)을 사용하였다. 작동순서는 먼저 진공펌프로 장치를 진공상태(0.86 kPa, 5~6 mmHg)로 만든 후 장치 내에 흡수액을 투입하고 장치 내 히터로 가열하여 63%의 고농도 흡수액을 만든다. 그 이후 온도 조절용 판형 열교환기와 질량유량계를 통해 장치 상단의 트레이로 흡수액을 공급한다. 공급 된 흡수액은 트레이에 의해 액막 형태로 흡수기의 전열관 위로 유하되며 흐른다. 이렇게 유하된 용액은 흡수기 전열관내의 냉각수와 열교환을 하게 되며 히터에 의해 발생된 증기를 흡수하게 된다. 흡수기 전열관 하부에서 샘플링 밸브를 이용하여 흡수액을 추출하여 굴절계로 농도 측정을 하였다. 흡수기 하단에 고인 희 용액은 장치 하부의 히터에 가열된 후 증기를 발생하고 농용액이 된 후 흡수액 펌프를 통해 재순환 하였다. 냉각수와 흡수액 유량은 펌프의 인버터로 조절된다. 흡수기 상부로 공급되는 흡수액의 농도는 질량유량계를 이용하여 밀도와 온도값 측정데이터를 농도 관계식에 적용하여 농도 값을 측정하였다. 이러한 농도 값은 직접 추출한 용액 농도와 비교하여 동일성을 파악 하였다. Table 3은 실험에 사용된 실험조건을 나타낸 것을 나타낸 것으로 7종류의 전열관에 대하여 동일한 조건으로 실험하였다.

2.3 실험 결과 해석

흡수기 전열관의 총괄 열전달 계수는 식(1)을 이용하여 구할 수 있다.

여기서 $\dot{Q}$는 흡수기 냉각수 열교환량, A_o는 관외 표면적, ΔT_LM는 대수평균온도차이다.

흡수기에 냉각수 열교환량은 식(2)와 같이 구할 수 있다.

여기서 $\dot{m_{c,w}}$는 냉각수 유량, C_p,cw는 냉각수 정압비열, ΔT_cw는 냉각수 입, 출구 온도차이다.

관외 표면적 A_o는 식(3)과 같이 구할 수 있다.

여기서 D_o는 관외경 L은 전열관 유효 길이, N은 전열관 개수이다.

대수평균온도차는 식(4)와 같다.

여기서 T_s,i는 흡수액 입구 평균 온도, T_s,o는 흡수액 출구 평균 온도이다.

흡수액 액막유량(Γ)의 정의는 식(5)와 같다.

여기서 $\dot{m_s}$는 흡수액 유량이다.

흡수액측의 액막 Reynold 수(Re_Γ)와 전열관 내측 냉각수의 Reynold 수(Re)는 다음과 같이 정의한다.

3.1 Falling film 흡수기 성능 특성

Fig. 4는 흡수액 액막유량에 따른 흡수기내 흡수액 온도분포를 보여주는 그래프이다. 온도계 측정위치는 Fig. 2의 우측에 표시하였다. 흡수기 입구 부분과 0 지점사이는 전열관이 없는 영역이며 단열 흡수(Adiabatic absorption)가 일어나는 곳으로 흡수기 내부로 H₂O/LiBr 수용액이 들어가면서 포화 상태에 도달하는 것이다. 이론적으로는 단열상태이므로 열전달이 일어나지 않고 압력-온도-농도(P-T-X)가 평형에 이르는 부분이 된다. 0~193 mm은 상부영역으로서 흡수기 전체영역의 35%를 차지하고 있다. 이 영역에서는 온도 변화가 가장 많이 발생하는 지점으로 가장 높은 액막유량(Ref 29)에서는 초기 50℃에서 37.5℃까지 온도가 감소하고, 낮은 액막유량(Ref 12)에서는 50℃에서 33.9℃까지 흡수액 온도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 액막유량이 증가함에 따라 흡수액 온도 변화가 줄어드는 것을 볼 수 있으며 이는 흡수액 유량증가에 따라 열용량의 증가로 인해 온도 변화폭이 감소하기 때문이라고 판단된다. 중간영역(193 mm에서 385 mm 영역)도 전체 영역의 약 35%를 차지한다. 하지만 상단과 달리 온도 변화폭이 크게 감소한 것을 볼 수 있다. 하부 영역(385 mm에서 545 mm 영역)은 전체 영역의 30% 차지하지만 단별 흡수액의 온도 변화가 거의 없는 영역이 된다. 즉, 하부영역은 상부영역에 비하여 현열 열전달이 저조한 영역임을 알 수 있다. 이러한 경향은 Deng et al.⁽¹⁴⁾의 연구에서도 유사한 경향을 나타낸다.

Fig. 4

Fig. 5는 흡수기 상단에서 중단 하단별 증기 흡수량 분포를 나타난다. 단별 증기 흡수량은 Fig. 4에서 측정된 온도데이터와 측정된 흡수기 압력을 이용하여 포화농도를 이용하여 위치별 증기 흡수량을 계산한 것이다. 그림에서 보듯이 증기의 흡수량은 흡수액 액막유량이 증가하면 상승하는 것으로 파악이 되고 대부분의 증기의 흡수는 상단(0~193 mm)에서 일어나는 것으로 판단된다. 중간영역(193 mm에서 385 mm 영역)에서는 증기 흡수량이 감소하고 하부 영역(385 mm에서 545 mm 영역)은 증기 흡수량이 매우 적은 것으로 파악 된다.

Fig. 6은 액막유량 변화에 따른 위치별 냉각수 측 평균 온도를 Floral 전열관과 End cross 26 전열관에서 비교 한 그래프이다. Fig. 3에서 보듯이 냉각수는 하단에서 유입하고 상단으로 유출되는 역 흐름 방식이 된다. 따라서 하단에서 상단으로 올라 갈수록 냉각수의 온도는 증가하게 된다. 단별 냉각수의 온도는 각 단의 양끝 water box에 4선식 RTD를 설치하여 측정하였고 양단의 온도를 산술 평균하였다. 그림에서 보듯이 액막 Re 수가 증가함에 따라 출구의 온도가 증가함을 알 수 있다. 이는 앞에서 언급하였듯이 용액 액막 Re 수가 증가하면 흡수액의 현열 열전달 및 증기 흡수량이 증가하여 전체 열전달량이 전반적으로 증가하기 때문이다. 흡수기 하부에서 상부길이 방향에 따른 냉각수 온도 변화는 흡수기 상부로 갈수록 기울기가 급하게 변함을 알 수 있다. 이는 앞에서 언급하였듯이 흡수기 상부에서 열전달이 하부보다 원활히 발생하기 때문이다. 전체적으로 같은 액막 Re 수에서 냉각수 출구 온도는 EC 26 전열관이 Floral 전열관보다 높음을 확인할 수 있다. 이는 Table 1에서 보듯이 End cross 26 전열관 내외측 가공에 따른 대류 열전달 계수 촉진이 Floral 전열관 보다 높기 때문으로 판단된다. 이러한 경향은 Park et al.⁽¹⁵⁾의 연구에서도 유사한 경향을 나타낸다.

3.2 전열관 종류별 특성 비교

Fig. 7은 전열관 종류별 흡수액 액막 레이놀드(Ref)에 따른 열전달량 값을 나타낸 그래프이다. 실험 시 열량은 냉각수 기준으로 계산하였으며 흡수액 입출구 앤탈피차와 증기 흡수량을 고려한 흡수액측 열량을 비교하였을 약 5~7% 정도 차이가 났으며 이는 열손실에 의한 것으로 사료되었다. 상기하였듯이 액막유량이 증가함에 따라 모든 전열관의 열전달량 값은 전반적으로 증가하는 경향을 보인다. 전열관 중에서는 Floral tube가 전반적으로 낮은 열전달량을 나타내며, 20 이하의 낮은 액막 Re수 에서는 EC 26, 20 이상의 높은 액막 Re 수에서는 End Dimple tube 또는 EC 38이 높은 열전달량을 나타낸다.

Fig. 8은 전열관 종류별 흡수액 액막 레이놀드(Ref)에 따른 총괄 열전달 계수를 나타내는 그래프이다. 열량과 유사하게 액막유량이 증가함에 총괄 열전달 계수 값도 유사하게 증가하는 것을 알 수 있다. 20 이하의 낮은 액막 Re 수에서는 EC 26 전열관이 높은 총괄 열전달 계수를 나타내며, 실제 흡수식 냉동기 상용기기의 운전구간인 액막 Re수 20~30 영역의 높은 액막유량에서는 EC 40 전열관이 가장 높은 총괄 열전달 계수를 나타내고 있으며 그 다음으로는 EC 2V 전열관이 높은 총괄 열전달 계수를 나타낸다. 반면에 Floral 전열관은 열량 값과 유사하게 전반적으로 낮은 열전달 계수를 나타냄을 알 수 있었다. EC 40 전열관은 Floral 전열관 대비 평균 약 51% 높은 총괄 열전달 계수를 나타냄을 확인하였다.