2.1 실험 장치

본 연구에서는 흡수식 히트트랜스포머의 요소부품 중 부피가 가장 크고 성능에 큰 영향을 미치는 고온 흡수기의 성능 특성을 파악하기 위해 Fig. 1과 같이 유하액막식 흡수기를 제작하였다. 흡수기 전열관은 외경 16 mm, 길이 500 mm의 Floral 형상의 동관을 사용하였으며, 관의 배열은 2열 6단으로 총 12개의 전열관으로 제작하였다. 흡수기의 자세한 사양은 Table 1에 나타내었다.

Fig. 2는 흡수식 히트트랜스포머의 운전조건에 따라 흡수기의 성능특성을 파악하기 위한 실험장치 개략도 이며, Fig. 3과 같이 제작하였다. 흡수기 실험장치는 크게 재생기, 응축기, 증발기, 흡수기로 구성되어 있으며 각각의 열교환기는 항온조와 연결하여 일정하게 열원 및 부하를 모사하였다. 흡수식 히트트랜스포머의 운전 조건에 따라 일정하게 흡수기의 성능 특성을 파악하기 위해 재생기와 응축기, 증발기는 흡수기에 비해 용량을 약 5배 이상으로 설계 및 제작하였다.

흡수액은 흡수기에서 냉매증기를 흡수하고, 묽어진 희용액은 재생기에서 농용액으로 재생시켜 다시 흡수기로 순환한다. 냉매는 증발기에서 증발하여 흡수기에서 농용액에 흡수되며, 재생기에서 다시 냉매증기와 농용액으로 분리된다. 이후 분리된 냉매증기는 응축기에 응축되어 증발기로 순환한다. 흡수기에 공급되는 농용액의 농도는 재생기와 응축기의 열량을 제어하여 농용액의 농도를 일정하게 유지하였으며, 농용액의 온도는 용액 열교환기와 보조 열교환기의 열량을 제어하여 일정하게 유지하였다. 농용액의 유량은 재생기에서 흡수기로 보내는 배관에 용액펌프를 설치하고 이를 인버터와 밸브로 제어하였다. 흡수기에 공급되는 냉매증기는 응축기에서 응축된 냉매를 냉매펌프를 통해 증발기에 공급하였으며, 일정한 온도와 압력을 유지하기 위해 증발기에 공급하는 열원의 온도와 유량을 제어하였다. 그리고 실험장치의 내부를 진공 상태로 유지하기 위해 진공펌프를 설치하여 실험 전 진공상태로 만들었다. 흡수기에서 농용액이 냉매증기를 흡수하는 과정에서 발생하는 흡수열은 온수와 열교환하며, 가열된 온수는 냉각기와 연결된 판형 열교환기를 통해 냉각되어 다시 흡수기로 순환된다.

흡수기의 농용액과 희용액의 유량, 온도, 농도 등을 측정하기 위해 입․출구 라인에 각각 RTD와 질량유량계를 설치하였으며, 농도는 질량유량계로 측정한 밀도와 온도를 이용하여 계산하였다. 증발기와 흡수기 사이에는 RTD를 설치하여 냉매증기의 온도를 측정하였으며, 흡수기와 증발기의 압력을 측정하기 위해 진공 압력계를 각각 설치하였다. 그리고 온수의 열량을 측정하기 위해 흡수기 온수라인 입․출구에 RTD와 압력계, 체적 유량계를 설치하였다. Table 2는 본 실험에 사용된 계측장치의 측정범위와 정밀도를 나타내며, 계측기의 사양과 계측 데이터를 바탕으로 계산한 흡수열량과 흡수기 열전달계수의 불확실도는 각각 5.52%, 6.91%이다.

2.2 실험 조건 및 방법

본 연구에서 흡수식 히트트랜스포머의 고온 흡수기 실험의 작동유체로 사용된 냉매와 흡수액은 H2O와 LiBr 이다. 흡수식 시스템은 진공상태에서 운전되므로 실험장치 또한 진공상태를 유지하는 것이 매우 중요하다. 따라서 실험 전 진공펌프를 이용하여 실험장치를 진공상태로 만든 후 누설여부를 확인하고, 흡수액과 냉매를 각각 재생기와 증발기에 주입하였다. 그리고 흡수액 펌프와 냉매펌프, 재생기 내 흡수액 순환펌프, 증발기 내 냉매 순환펌프를 작동시켜 흡수액과 냉매를 순환시켰다. 냉각수 및 온수를 먼저 작동시킨 후 증발기와 재생기에 열원을 공급하였다. 실험 조건에 따라 정상상태에 도달하는 시간은 평균적으로 약 3시간정도 소요되었으며, 흡수기 실험장치가 정상상태에서 안정화를 이루면 30분간 데이터를 측정하였다.

흡수기의 성능특성을 파악하기 위해 실제 흡수식 히트트랜스포머의 작동조건을 기준으로 흡수액의 농도, 온도, 유량, 증발온도, 온수 입구 온도와 유속 등을 변화시켜가면서 실험을 진행하였으며, 자세한 실험 조건은 Table 3에 나타내었다.

2.3 실험 결과 처리

고온 흡수기의 열전달률은 식(1)을 이용하여 구할 수 있다.

여기서 $\dot m_{ref}=\dot m_{s,\:out}-\dot m_{s,\:i n}$는 흡수기에 흡수된 냉매증기량이다.

흡수기 전열관의 총괄열전달계수는 식(2)를 이용하여 구할 수 있다.

여기서 $A_{o}=\pi D_{o}\ln$는 관외 표면적이며, $\Delta T_{lm}$은 흡수기의 대수평균온도차로 식(3)과 같다.

여기서 $T_{s,\:i n}^{eq}$, $T_{s,\:out}^{eq}$는 용액의 입·출구 평형온도이다.

흡수액 측의 액막 Reynolds 수(Ref)는 식(4)와 같이 정의하였다.

단위길이 당 액막 유량$(\Gamma)$의 정의는 식(5)와 같다.

3.1 액막 Reynolds 수와 용액입구 농도 변화에 따른 흡수기의 성능 특성

Fig. 4는 흡수기의 액막 레이놀즈수 변화에 따른 열전달률과 총괄 열전달계수를 보여주고 있다. 액막 레이놀즈 수가 증가함에 따라 흡수기의 열전달률과 총괄 열전달계수는 모두 증가하지만 증가율은 감소하는 경향을 보이고 있다. 액막 레이놀즈수가 20에서 50으로 변함에 따라 열전달률은 약 64% 증가하지만, 액막레이놀즈 수가 50에서 80으로 변할 경우에는 열전달률은 약 11% 증가하는 것으로 나타났다. 흡수기의 총괄열전달계수 또한 액막 레이놀즈수가 50 이상에서는 증가정도가 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 액막 레이놀즈수가 증가함에 따라 액막두께가 증가하면서 표면의 젖음성이 좋아지고 흡수액이 흡수기 출구까지 과냉상태로 흡수능력을 유지하지만, 일정 이상의 액막 레이놀즈수에서는 액막두께에 의한 열저항이 증가하기 때문에 흡수기의 열전달률 및 총괄 열전달계수의 증가정도가 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 1단 흡수식 히트트랜스포머의 고온흡수기의 액막 레이놀즈수는 50이 최적이라 판단하였으며, 이때 열전달률과 총괄 열전달계수는 각각 4.42 kW, 1,347 W/m$^{2}$K로 나타났다.

Fig. 5는 액막 레이놀즈수 변화에 따른 흡수기의 용액 입․출구 농도 차와 온수 및 희용액의 출구온도를 보여주고 있다. 흡수기의 액막 레이놀즈수가 증가함에 따라 희용액의 출구온도가 증가하면서 용액 포화온도와 가까워짐에 따라 흡수기 열량의 증가정도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 액막 레이놀즈수가 증가함에 따라 흡수기의 용액 입․출구 농도 차는 감소하는 것으로 나타났으며, 흡수기의 액막 레이놀즈수가 20일 때 용액 입․출구 농도차는 약 3.8%이며, 액막 레이놀즈수가 80일 때 용액 입·출구 농도 차는 약 2.1%로 감소하였다. 흡수기의 용액 입·출구 농도 차가 감소할수록 시스템 효율이 감소하므로 농도 차와 희용액 출구 온도를 고려하여 흡수기의 전열관 배열을 설계해야 한다.

Fig. 6은 흡수기 입구 농용액 농도 변화에 따른 흡수기의 열전달률 및 총괄 열전달계수를 보여주고 있다. 농용액의 농도가 증가함에 따라 흡수기의 열전달률은 증가하고, 총괄 열전달계수는 감소하는 경향이 나타났다. 용액이 냉매증기를 흡수하는 구동력은 흡수기 내부에 있는 냉매증기의 압력과 액막 계면에 있는 냉매증기의 분압 차이에 의한 것이다.⁽¹¹⁾ 액막 계면에서의 냉매증기의 분압은 농용액의 농도가 증가할수록 낮아진다. 따라서 흡수기 내부의 압력이 동일할 때, 농용액의 농도가 진할수록 냉매증기 흡수량이 증가하여 더 많은 흡수열이 발생한다. 흡수기 입구 농용액의 농도가 61 wt.%에서 1 wt.% 증가함에 따라 열전달률은 약 5.2% 증가하고, 1 wt.%감소함에 따라 열전달률은 약 17.3% 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 7은 농용액의 입구 농도 변화에 따른 흡수기의 용액 입·출구 농도 차와 온수와 희용액의 출구온도를 보여주고 있다. 농용액의 입구 농도가 증가함에 따라 흡수기 내의 포화온도는 점차 상승하는 경향을 나타내었으며, 희용액 및 온수 출구온도는 냉매증기를 흡수하는 구동력이 증가함에 따라 약간 증가하는 것으로 나타났다. 농용액 입구 농도가 61 wt.%에서 63 wt.%로 증가함에 따라 흡수기의 용액 입·출구 농도 차는 약 2.6%에서 3.1%까지 증가하는 것으로 나타났다.

3.2 고온수 입구온도 및 유속과 증발온도 변화에 따른 흡수기의 성능 특성

Fig. 8은 고온수의 입구온도 별 관내 유속에 따른 흡수기의 열전달률을 보여주고 있다. 고온수 입구온도별로 고온수 관내 유속이 0.5 m/s에서 1 m/s로 증가함에 따라 흡수기의 열전달률은 평균 약 15.4% 증가하지만, 고온수 관내 유속이 1 m/s에서 1.5 m/s로 증가함에 따라 흡수기의 열전달률은 평균 약 6.9% 증가하여 고온수 관내 유속이 1 m/s를 기준으로 열전달률의 증가정도가 약 45%정도 감소하였다. 따라서 열전달률 및 압력손실, 펌프 동력 등을 고려했을 때 흡수기의 고온수 관내 유속은 1 m/s를 기준으로 설계해야 한다고 판단된다. 고온수의 입구온도가 증가함에 따라 흡수기의 열전달률은 감소하는 것으로 나타났다. 고온수 입구온도가 100℃에서 115℃로 증가함에 따라 열전달률은 약 47%정도 감소하였다. 이는 고온수의 입구온도가 증가함에 따라 흡수 능력이 감소하고, 흡수액 포화온도와의 온도 차가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 9는 고온수의 입구온도와 관내 유속에 따른 흡수기의 총괄 열전달계수를 보여주고 있다. 고온수의 입구온도 별로 고온수의 관내 유속이 0.5 m/s에서 1.5 m/s로 증가함에 따라 총괄 열전달계수는 약 18~23% 증가하였다. 또한 고온수의 유속이 동일할 때, 고온수의 입구온도가 100℃에서 115℃로 증가함에 따라 총괄 열전달계수는 평균 약 1.6%의 차이를 보이는 것으로 미미한 영향을 나타났다. 흡수기의 총괄 열전달계수는 고온수의 입구온도보다 고온수의 관내 유속에 따라 더 큰 변화를 보였으며, 이는 고온수의 관내 유속이 증가함에 따라 고온수의 Reynolds 수(Ref)가 증가하여 관내 열전달계수에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 10과 Fig. 11은 증발온도와 고온수의 입구온도에 따른 흡수기의 열전달률 및 총괄 열전달계수를 보여 주고 있다. 흡수기에서 용액이 냉매증기를 흡수함으로 증발기의 증발온도를 정확히 유지하며 실험하는 것은 매우 어렵고 중요하다. 본 연구에서는 증발온도 78℃를 기준으로 3℃씩 변화시켜가면서 증발온도와 흡수기 내부 압력을 일정하게 유지하여 실험을 진행하였다. 증발온도가 증가함에 따라 냉매증기의 포화압력이 상승 하고 용액의 흡수 구동력의 증가로 인해 열전달률은 선형적으로 증가한다. 고온수의 입구 온도 별로 증발온도가 72℃에서 84℃로 증가함에 따라 흡수기의 열전달률은 평균 약 4 kW씩 증가하는 것으로 나타났다. 증발온도에 따라 흡수기의 총괄 열전달계수는 일정한 것으로 나타났으며, 증발온도에 따라 총괄 열전달계수는 평균 약 0.6% 정도 미미한 차이를 보이는 것으로 나타났다.