박문용
(Moon Yong Park)
1
이우수
(Woo Su Lee)
2
이승수
(Seung Soo Lee)
1
Xuan Quang Duong3
정재동
(Jae Dong Chung)
4†
-
세종대학교 기계공학과 석사과정
(
M.S. Course, Department of Mechanical Engineering, Sejong University, Seoul, 05006,
Korea
)
-
위닉스 연구개발팀 매니저
(
Manager, Winix, R&D Team, Hwaseong, Gyeongi-do, 18583, Korea
)
-
베트남 해양대학교 교수
(
Professor, Department of Mechanical Engineering, Vietnam Maritime University, Hai
Phong, 18000, Vietnam
)
-
세종대학교 기계공학과 교수
(
Professor, Department of Mechanical Engineering, Sejong University, Seoul, 05006,
Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Adsorption storage(흡착 저장), Thermochemical energy storage system(열화학 에너지저장 시스템), Heat energy storage density(열에너지저장 밀도)
기호설명
$C_{p}$：
열용량 [J/kg․K]
$D$：
튜브 지름 [mm]
${EDT}$：
유효 Discharging 시간 [s]
$E_{{a}}$：
흡착제 활성화 에너지 [J/mol]
$\triangle H$：
흡착 열 [J/mol]
$h$：
열 전달계수 [W/m2․K]
$1/h_{{CR}}$：
접촉 저항 [m2․K/W]
$k_{{a}}$：
Pre-exponential factor of Arrhenius of
adsorption [s-1]
$k$：
열 전도도 [W/m․K]
$L_{{o}}$：
핀 높이 [mm]
$L_{t}$：
총 튜브 길이 [mm]
$\dot m$：
질량유량 [kg/s]
$M_{{a}}$：
Kinetic coefficients
$M_{{b}}$：
흡착제 질량 [kg]
$N_{s}$：
패킹 밀도 [mol/m3]
$P$：
압력 [Pa]
$Q_{{i n}}$：
전달 열 [kJ]
$r$：
반지름 [mm]
$R$：
Radial direction [mm]
$R_{{u}}$：
기체상수 [J/kg․K]
$\Delta S$：
상변화 엔트로피튜브 지름 [J/mol․K]
$T$：
온도 [K]
$t$：
시간 [s]
$v$：
속도 [m/s]
$x$：
반응율
$Z$：
Axial direction
$Z_{o}$：
핀 피치 [mm]
그리스 문자
$\delta$：
핀 두께 [mm]
$\rho$：
밀도 [kg/m3]
하첨자
$b$：
흡착 베드
$c$：
구리
$eq$：
평형상태
$eva$：
증발기
$f$：
열교환 유체
$i$：
내측
$i n$：
입구
$ic$：
초기조건
${LTH}$：
Low temperature fluid
$o$：
외측
$out$：
출구
1. 서 론
현대사회의 열에너지 사용량은 급격하게 증가하고 있다. 사용하는 에너지가 증가함에 따라 사용된 에너지를 회수하는 것도 중요한 주제로 부상하고 있다.
기존 발전소나 산업시설에서는 고온의 폐열을 활용하는 시스템들이 적용되고 있지만 중저온에 대해서는 아직도 연구단계의 수준에 머물러 있다.
중저온 열원을 이용한 냉방시스템으로 흡수식과 흡착식 냉동 시스템이 활발하게 연구되고 있다.(1-3) 또한, 온수 활용을 위한 현열 및 잠열 저장 방법들도 활발히 연구되고 있다. 현열과 잠열을 이용한 열에너지저장 시스템은 이미 상용화 단계에 있지만(4-5) 최근 열화학 에너지저장 시스템은 많은 장점으로 크게 관심을 끌고 있는 기술이다. 각 시스템의 특징을 간략하게 Table 1에 제시했다. 열화학 에너지 저장 시스템은 높은 에너지밀도를 가지고 있으며 장기간 저장해도 열에너지 손실이 작기 때문에 부피 대비 많은 에너지를 장기간
저장할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 높은 에너지밀도를 바탕으로 열택배와 에너지 업그레이드 등으로 응용될 가능성을 가지고 있다.
열화학 열에너지저장 시스템은 Fig. 1과 같이 화학반응에서 발생하는 에너지의 출입을 활용하는 저장 방식이다. 적절한 조건의 흡착제로 이뤄진 흡착 베드에 냉매를 공급하면 화학적 결합에 의한
흡착, 탈착반응이 일어난다. 흡착제에서 냉매가 탈착할 때에는 흡열반응이 발생하여 베드를 통과하는 온수로부터 에너지를 저장한다. 반대로 냉매가 흡착될
때는 베드를 통과하는 냉수로 저장한 에너지를 방출하는 방열과정이 진행된다. 열화학 열에너지저장 시스템은 이러한 흡착과 탈착을 이용하여 에너지를 저장하고
활용한다.
Fig. 1 System schematic of thermochemical energy storage.
Table 1. Comparison of different types of TES system
|
TES System
|
Sensible
|
PCM
|
Thermochemical
|
|
Working temperature range
|
~100℃(Water)
|
20~80℃(Paraffins, Salt hydrates)
|
20~200℃
|
|
Energy density
|
Low(~0.2 GJ/m3)
|
Middle(~0.5 GJ/m3)
|
High(~3 GJ/m3)
|
|
Technical maturity
|
Commercially
|
Commercially
|
Research and development
|
|
Cost
|
~10(€/kWh)
|
~50(€/kWh)
|
~100(€/kWh)
|
다양한 연구들에서 흡착과 탈착을 활용한 에너지저장 시스템을 연구해왔다. Bao(6)와 Feng et al.(7)은 Metal hydride thermal energy storage(MHTES)에서 Magnesium hydride를 활용한 경우의 흡착반응을 연구했다.
핀-튜브의 재질과 형상에 따른 성능변화를 확인했으며 열교환을 통해 배출되는 온수가 충분히 유용한 수준을 유지한다는 것을 확인했다. 하지만 탈착을 위해서
고온의 구동원을 필요로 한다는 부분에서 해당 흡착쌍을 폐열 활용 시스템에 적용하기에는 부적절하다. Oliveira and Wang(8)는 CaCl$_{2}$의 물성치 변화에 따라 시스템의 에너지밀도 변화를 확인하였고 Deshmukh et al.(9)은 실리카젤-물 흡착쌍을 활용하여 에너지저장 시스템을 구성했다. 하지만 두 연구 모두에서 잠열 에너지저장을 대체할 만큼 열에너지저장 밀도가 높지 못했으며
최종적으로 활용하게 되는 온수의 온도에 초점을 맞추지 않았다는 한계가 존재한다.
위의 연구들 모두 에너지저장 시스템의 중요성을 포함하고 있지만 아직까지 열화학 에너지저장 시스템은 기술의 성숙도가 현열 및 잠열 저장과 비교해 낮은
수준이다. 더욱이 중저온의 폐열을 활용하여 온수를 공급하는 저장 시스템 설계는 연구가 더욱 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 가정용 태양열 집열 및
한국 지역난방공사에서 공급하는 중저온의 열을 구동원으로 하는 조건에서 작동하는 열화학 에너지저장 시스템을 고려하였다. 여러 흡착쌍 중 Magnesium
hydride의 경우 탈착에 필요한 온도가 지나치게 높아 중저온의 구동원을 이용하는 경우에는 적합하지 못했다. 실리카젤-물, FAM-Z01-물의 경우에는
흡착 베드의 최대 온도가 낮아 원하는 수준의 출구온도를 얻을 수 없었다. 반면 SrCl$_{2}$-NH$_{3}$ 흡착쌍은 약 1800 kJ/kg의
에너지 밀도와 높은 베드 온도를 갖췄기에 본 연구에서 다루기에 가장 적합하다고 판단했다. 각 구동조건들이 에너지밀도에 미치는 영향을 확인함으로 열화학
에너지저장 시스템의 상용화에 기여하고자 한다.
2. 수치해석
2.1 수치해석 모델
열화학 열에너지저장 시스템에서 환형 핀-튜브 형상을 가진 흡착 베드를 수치해석을 통해 해석했다. 해석을 위해서 Fig. 2에 제시된 것과 같이 2D 축 대칭 모델을 채택했다. 완전 탈착된 흡착 베드로부터 얻을 수 있는 열에너지 총량은 흡착의 진행도에 따라 달라진다. 때문에
NH$_{3}$가 SrCl$_{2}$와 반응하는 흡착과정을 집중적으로 해석하였다.
Fig. 2 The cross section of the interest region.
2.2 가정
(1) 압력 분포는 흡착 베드에서 일정하다.
(2) 흡착 베드의 축 방향 열전도는 무시한다.
(3) 흡착과정 동안의 증발기 압력은 일정하다.
(4) 흡착제와 냉매는 열적 평형관계에 있다.
(5) 복사 열전달은 무시한다.
2.3 지배방정식
본 연구에서 사용된 흡착쌍은 SrCl$_{2}$NH$_{3}$와 NH3다. 반응은 식(1)과 같이 일어난다.
흡착제와 냉매가 반응하는 과정들은 모두 흡착 베드 내에서 일어난다. 흡착/탈착량과 속도는 흡착 베드의 온도, 압력과 관련이 있으며 열 및 물질전달
방정식을 풀어야 한다. 흡착 베드 내에서 지배방정식은 식(2)와 같다.
식(2)의 $7N_{s}\Delta H\dfrac{\partial x(t,\:r)}{\partial t}$는 생성항을 의미한다. 흡착과정 동안 생성항은 ‘+’,
탈착과정 동안 ‘-’ 부호를 갖는다. $\Delta H$는 흡착과정 중 발생하는 Latent heat으로 구동 조건의 변화에 따라서 변화하지 않는다.
생성항의 시간에 따른 반응분율 차이 $\dfrac{\partial x(t,\:r)}{\partial t}$는 Huang et al.(10)이 제시한 추정식을 사용했다.
식(3)의 $P_{eq}$는 흡착 베드 내의 평형압력을 의미하며 다음 식(4)와 같이 구할 수 있다. 핀과 튜브, 열교환 유체의 에너지 방정식은 식(5)와 식(6)과 같다.
- 핀과 튜브에서의 에너지 방정식
- 열교환 유체에서의 에너지 방정식
2.4 초기조건 및 경계조건
초기조건에서 흡착베드 전체에 대해 반응분율은 균일하며 완전 탈착된 상태로 가정한다.
- 초기조건
$T_{b}(0,\:r)=293.15K$
$P(0,\:r)=3MPa$
$x(0,\:r)=0$
- 경계조건
흡착베드 및 암모니아의 경계면
흡착베드와 핀, 튜브와 열교환 유체의 경계면
2.5 성능계수
축열시스템을 고려할 때 실제 사용 가능한 에너지량과 밀도는 중요한 요소다. 저장된 에너지를 유용하게 활용 가능해야 하며 높은 밀도를 바탕으로 전체
시스템 부피를 작게 설계해야 한다. 때문에 본 연구에서는 축열 시스템의 에너지밀도를 평가하기 위해 유효 에너지밀도를 사용했다. 유효 에너지밀도는 다음과
같이 표현된다.
EDT(Effective Discharging Time)란 열교환 유체의 출구온도가 설정한 출구온도보다 높은 온도를 갖는 시간을 의미한다. 단순 에너지밀도의
경우 EDT까지가 아닌 흡착시간 전체 동안 얻은 에너지를 계산하며 이는 활용가치가 낮은 에너지까지 포함하기 때문에 유용하게 활용 가능한 에너지량을
제대로 판별하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.
3. 수치해석 및 검증
본 연구에 사용된 모든 지배방정식은 FVM(Finite Volume Method)을 통해 해석됐다. 도메인은 2차원 사각 격자 338,800개로 해석
독립성을 확보했다. 시간 간격으로 1s가 사용됐으며 인텔 제온 Gold 6230R CPU를 활용했을 때 모델 당 약 72시간이 소요됐다.
수치해석 모델을 검증하기 위해 Huang et al.(10)의 연구에서 제시한 실험 결과값과 본 연구에서 얻은 수치해석 결과를 비교하여 Fig. 3에 제시했다. 해석에서 사용된 조건은 증발기의 압력 3 bar, 열교환 유체의 온도 303 K이며 SrCl2NH3와 NH3를 흡착제 및 흡착질로 사용했다.
Fig. 3은 흡착과정에서 시간에 따른 흡착베드의 반응분율을 의미하며 본 연구결과와 흡사함을 확인할 수 있다. 수치해석에 사용된 핀의 형상과 물성치 등은 Table 2에 제시
됐다.
Table 2. Parameter values and property data for adsorption bed
|
Parameter
|
Symbol
|
Value
|
|
Fin pitch(mm)
|
$Z_{o}$
|
7.5
|
|
Fin height(mm)
|
$L_{o}$
|
15
|
|
Fin thickness(mm)
|
$\delta$
|
0.4
|
|
Tube inner diameter(mm)
|
$D_{i}$
|
10
|
|
Tube outer diameter(mm)
|
$D_{o}$
|
10.8
|
|
Total tube length(mm)
|
$L_{t}$
|
1500
|
|
Latent heat(J/mole)
|
$\Delta H$
|
41431
|
|
Phase change entropy(J/moleㆍK)
|
$\Delta S$
|
230
|
|
Packing density of bed mole(m-3)
|
$N_{s}$
|
2671
|
|
Pre-exponential factor of Arhenius(s-1)
|
$k_{a}$
|
0.019
|
|
Activation energy of adsorption(J/mole)
|
$E_{a}$
|
6921
|
Fig. 3 Comparison between the experiment and the simulation.
4. 결 과
4.1 증발기 압력의 영향
흡착식 열에너지저장 시스템에서 최종적으로 배출되는 에너지 형태는 흡착 베드와 열교환을 거쳐 배출되는 유용하게 사용 가능한 온도 이상의 열교환 유체다.
Fig. 4는 흡착제와 흡착질의 Clausius-Clapeyron 선도이다. 흡착질은 실선을 기준으로 온도와 압력에 따라 액체 혹은 기체 상태로 존재한다. 점선을
기준으로 흡착 및 탈착반응을 일으키게 되며 온도와 압력의 관계는 식(10)과 같다. Fig. 4에 따르면 증발기와 연결된 흡착베드의 압력이 높아짐에 따라 흡착과정에서 베드의 온도는 상승한다. 따라서 본 연구에서는 증발기에 따라 베드에서 열교환을
거쳐 배출되는 온수의 출구온도 변화와 유효 에너지밀도를 살펴보았다.
Fig. 5는 20℃의 냉수가 0.05 m/s의 속도로 공급되는 경우에 6, 7, 8 bar의 증발기 압력에서 시간에 따른 베드의 출구온도 변화를 보여준다.
각각의 경우에 대해 베드의 평균 온도는 최대 62℃, 71℃, 77℃까지 상승했으며 증발기의 압력이 상승함에 따라 베드의 온도도 함께 상승하는 경향을
보였다.
Fig. 4 Clausius-Clapeyron diagram of NH3 and SrCl2(8/1).
Fig. 5 The variation of the outlet temperature at different evaporator pressure.
흡착과정 중 베드에서 열교환 유체로 전달되는 에너지 $Q_{i n}$을 출구온도가 40℃ 이상인 구간에서만 유효하다고 판단하여 유효 에너지밀도를 계산했다.
6, 7, 8 bar의 증발기 압력에서 각각 유효 에너지밀도는 675.9, 792.8, 889 kJ/kg을 갖는다. 흡착 및 탈착반응의 정도를 나타내는
Global reaction advancement는 증발기의 압력이 높을수록 최대값이 크고, 빠르게 증가한다. 때문에 증발기 압력이 높을수록 EDT
동안 더 많은 에너지를 방출할 수 있다. 또한, 흡착반응이 증발기 압력이 낮을 때보다 원활하게 일어난다. 결과적으로 증발기 압력이 증가함에 따라 흡착
베드의 최대 온도가 상승하고, 관 내 유체와의 열교환이 활발하게 일어나며 유효 에너지밀도가 높게 나타났다.
4.2 LTF(Low Temperature Fluid) 온도의 영향
열에너지저장 시스템에서 온수를 얻기 위해서 공급되는 냉수를 유용한 온도까지 가열시켜야 한다. 상대적
으로 높은 입구온도가 공급된다면 출구온도와의 $\triangle T$가 작기 때문에 온수를 쉽게 얻을 수 있다. 하지만 낮은 온도의 유체가 공급된다면
큰 $\triangle T$를 만들어야하기 때문에 구동조건에 대한 섬세한 고려가 요구된다.
Fig. 6은 베드에 공급되는 열교환 유체의 온도에 대해 시간에 따른 출구의 온도변화를 나타낸다. 서울시 아리수는 계절에 따라 10℃~30℃까지 유동적으로 변화한다.
계간 온도차이를 반영하여 10℃~30℃까지 10℃의 $\triangle T$에 대해 출구온도 변화를 확인했다. 10℃의 수돗물을 공급할 경우에는 40℃
이상의 유효 온수를 얻을 수 없었다. 20℃와 30℃의 수돗물을 입구온도로 설정한 경우에 유효 에너지밀도는 각각 889, 1005 kJ/kg로 확인
됐다. 일정한 구동조건으로 1년 동안 시스템을 구동할 경우 계절에 따라 원하는 온도의 온수을 얻지 못하거나 효율이 감소할 수 있다. 때문에 입구온도에
따라 구동조건을 유동적으로 변화시켜야 한다.
4.3 LTF 속도의 영향
Fig. 7은 베드를 통과하는 냉수의 속도에 따라서 출구온도 변화를 보여준다. 공급된 냉수는 목표온도에 도달하기 위해 베드 내부에서 충분히 머물러야 한다. 쉽게
조절 가능한 부분은 열교환 유체의 유속을 줄이는 방법이다. 본 연구에서는 유속의 변화에 따라 유효 에너지밀도와 출구온도의 변화를 확인했다.
유속이 느려짐에 따라 베드 내부에서 열교환 시간이 길어진다. 에너지밀도 측면에서 살펴보면 유속이 느릴수록 유효 에너지밀도는 높게 나타났다. 40℃의
출구온도를 기준으로 0.01, 0.03, 0.05 m/s에서 유효 에너지밀도는 1214.9, 1089.5, 889 kJ/kg을 가졌다. 열교환 시간이
증가하는 만큼 유속이 느려짐에 따라 배출되는 출구온도는 높았으며 0.01 m/s의 경우 최대 53℃의 $\triangle T$가 발생했다.
Fig. 6 The variation of the outlet temperature at different inlet temperatures.
Fig. 7 The variation of the outlet temperature at different inlet velocities.
4.4 모듈 연결방식의 영향
열교환 유체의 유속을 감소시키는 것은 유효 에너지밀도와 출구온도 측면에서 긍정적 결과를 가져온다. 하지만 활용 가능한 온수량을 얻기까지 많은 시간을
필요로 한다. 이러한 문제는 흡착 베드를 구성하는 핀-튜브 열교환기 모듈을 병렬로 배치함으로 해결할 수 있다. 실제 적용시에는 여러 개의 모듈이 직렬
또는 병렬로 연결되는 구조를 가지게 될 것이다. 하지만, 모듈 배열에 대한 영향을 살펴보기 위해서, 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 2개의 모듈에 대해서만 직렬, 병렬로 연결된 경우에 한정하여 선행연구를 수행하였다. 동일한 유량에 대해 에너지밀도와 출구온도 차이를 비교하였다.
Fig. 9는 Fig. 8과 같이 배열 했을 때, 시간에 따른 출구온도 변화를 보여준다. 병렬로 연결된 각 모듈에 0.025 m/s의 유속을 가진 열교환 유체를 공급했을 때
1123 kJ/kg의 유효 에너지밀도를 가졌다. 직렬로 연결된 2개의 모듈에 0.05 m/s의 냉수를 공급했을 때 첫 번째 모듈은 889 kJ/kg의
유효 에너지밀도를 가졌으며 두 번째 모듈은 1211 kJ/kg의 유효 에너지밀도를 보여주었다. 앞서 냉수의 온도가 높을수록 유효 에너지밀도가 증가하는
경향을 확인했다. 직렬연결의 경우 두 번째 모듈이 첫 번째 모듈에 비해 공급되는 열교환 유체의 온도가 높기 때문에 유효 에너지밀도 역시 높게 나타났다.
전체 유량을 동일하게 직렬, 병렬로 모듈을 배열했을 때 직렬로 연결하는 것이 병렬연결보다 높은 온수를 얻을 수 있었지만 유효 에너지밀도는 병렬로 연결된
경우가 더 높았다.
5. 결 론
흡착과 탈착을 활용한 열화학 에너지저장 기술은 높은 에너지밀도를 바탕으로 높은 활용도와 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서는 열화학 에너지저장 시스템에서
구동조건에 따른 유효 에너지밀도의 경향성을 확인하고자 하였다. 그 결과는 다음과 같다.
증발기의 압력이 6 bar인 경우에 흡착 베드의 최대온도는 약 70℃에 불과하지만 증발기의 압력이 8 bar인 경우에는 흡착 베드의 최대온도가 약
80℃까지 상승한다. 증발기의 높은 압력은 유효 에너지밀도와 출구온도를 상승시킨다. 다만 높은 증발기의 온도는 Global reaction advancement의
최대값을 상승시킨다. 이는 베드를 다시 탈착시키는데 요구되는 시간을 증가시킬 수 있다. 탈착과정을 고려하여 하나의 흡탈착 사이클을 설정함에 있어 증발기
압력과 탈착 시간에 대해 충분한 고려가 필요하다.
공급되는 냉수의 온도가 높을수록 유효 에너지밀도와 출구온도가 높은 경향을 보였다. 또한, 유속이 느릴수록 유효 에너지밀도와 출구온도는 증가하는 경향을
보였다.
2개의 모듈이 병렬로 연결된 경우 유효 에너지밀도는 1123 kJ/kg으로 직렬로 연결된 경우의 유효 에너지밀도보다 높았다. 하지만 출구온도는 탈착과정
전체에 대해 직렬로 연결된 경우가 더 높게 나타났다.
Fig. 8 Case study of module integration for serial and parallel arrangements.
Fig. 9 The variation of the outlet temperature for the serial and parallel arrangement.
본 연구에서는 중저온의 열원을 공급받는 경우 온수공급을 위한 에너지저장시스템을 연구했다. SrCl$_{2}$와 NH$_{3}$에 대해 수치해석을 진행한
결과 구동조건에 따라 유효 에너지밀도 및 온수의 온도가 달라짐을 확인했다. 특히 절기에 따라 효율이 변화할 수 있으며 유동적인 온수온도를 가지기 때문에
제품 설계단계에 있어서 보다 세심한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
후 기
이 논문은 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2017 R1D1A1B05030422).
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