기호설명

1. 연구배경 및 목적

국내외적으로 하절기 냉방으로 인한 전력피크문제를 해결하기 위해 태양열 및 산업체 폐열을 활용하는 열구동 시스템에 관심이 매우 높아지고 있는 상황이다. 이중에서 흡착식 냉동기는 상대적으로 낮은 온도의 폐열을 구동열원(60~80℃)으로 사용하며, 냉매는 물을 사용함으로 친환경적인 냉동시스템이다. 하지만 흡착식 냉동기는 성능이 낮고 부피가 큰 단점을 가지고 있다. 흡착식 냉동기의 흡착탑은 시스템의 성능 및 부피를 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 따라서 흡착탑의 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.

흡착식 냉동기는 크게 흡착공정과 탈착공정으로 이루어져 있으며, 흡착공정은 흡착제가 수분을 흡착할 때 발생하는 열을 냉각수를 통하여 효율적으로 제거하고, 탈착공정은 흡착제로부터 수분을 탈착시키기 위해 폐열(온수 등)을 통해 흡착제에 열을 효율적으로 공급해주어야 한다. 흡착식 냉동기에 사용되는 흡착제(실리카겔, 제올라이트 등)는 낮은 작동분압에서 흡착과 탈착을 반복하고 열전도율이 낮기 때문에 흡착제와 흡착탑 사이의 열전달 및 물질전달을 향상시키는 것이 매우 중요하다.⁽¹⁾

흡착탑의 열전달과 물질전달을 향상시키기 위한 연구를 살펴보면 크게 mesh 등의 그물망으로 흡착제를 열교환기에 고정시키는 방법, 흡착제를 열교환기에 코팅하는 방법 등이 주로 연구되고 있다. Saha et al.⁽²⁾의 연구에서는 핀-관 열교환기에 직경이 약 0.2~0.5 mm 사이의 Silica-gel 흡착제를 Mesh망으로 고정하여 흡착 및 탈착 성능에 대한 연구를 진행하였다. 하지만 이러한 방법은 흡착제 물질과 열교환기 핀 사이에 접촉저항이 생겨 열전달 효율을 저해하며, 흡착제와 핀 사이의 간격이 넓기 때문에 흡착성능이 낮다. 따라서 최근에는 열교환기 핀에 흡착제를 직접 코팅하여 기존의 방법에 비해 간격을 줄이고, 접촉저항을 줄여 열전달을 향상시키려는 연구가 주로 수행되고 있다.^((3-4)

또한 기존의 흡착식 냉동기에 사용되어지던 실리카겔 흡착제는 작동 온수온도가 80℃ 이하에서 성능이 크게 떨어지고 작동분압(0.1~0.3)에서 수분흡착량이 낮음으로 시스템의 부피가 대단히 크다는 단점이 있다.⁽⁵⁾ 이를 해결하기 위해 일본의 Kakiuchi et al.⁽⁶⁾과 Goldsworthy⁽⁷⁾이 속한 Mitsubishi Plastics 그룹에서는 온수온도 60℃에서도 작동가능하고 기존의 실리카겔 RD형에 비해 유효흡착량이 4배가 크고, 20만 회의 흡탈착 반복실험에서도 내구성을 가지는 FAPO(FerroAluminoPhOsphate, 이후 FAPO로 명칭) 제올라이트를 개발하였다. FAPO 흡착제는 수분흡착곡선이 S자 형태로서 작동분압이 약 0.1~0.3 사이에 수분흡착량이 크게 증가한다.

Kwon et al.^((8,10)과 Hong et al.⁽⁹⁾은 국내에서도 FAPO 제올라이트 흡착제 합성에 성공하였으며, 이를 BET로 측정한 결과 흡착식 냉방시스템의 작동분압(0.1~0.3)에서 수분흡착량은 약 0.183 g/g인 것으로 제시하였다. Jeong et al.⁽¹¹⁾은 합성된 FAPO 흡착제 그 자체는 열전도율이 낮기 때문에 흡착제와 열교환기의 접촉저항을 줄이기 위해 코팅기술을 개발하고, 흡착식 냉방시스템의 용량설계가 가능하도록 핀-관 열교환기를 대상으로 코팅두께별로 흡착제를 코팅하여 흡착탑의 열량 및 총괄열전달계수를 측정하였다.

본 연구에서는 FAPO 흡착제와 열교환기 사이의 열전달량을 향상시키기 위해 구리재질의 평판에 FAPO 흡착제를 코팅하였으며, 코팅두께 외에 바인더 비율, 코팅유무에 따른 수분흡착량을 측정하고 이를 통해 최적 코팅조건을 제시하고자 하였다. 이후 제시된 최적 코팅조건을 기준으로 증발온도와 흡착탑 베드온도를 변화 시켜 수분흡착특성을 파악하였다. 이러한 결과는 흡착제가 코팅된 흡착탑을 설계하는데 있어 기초적인 데이터를 제공할 것이다.

2. 실험장치 및 방법

2.2 실험방법

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus.

Fig. 2 Photo of experimental apparatus.

냉매 증기의 흡착실험을 수행하기 전에 먼저 흡착탑과 증발기 내부에 실제 흡착식 시스템과 동일한 압력상태를 유지하기 위해 진공펌프를 설치하여 작동하였다. 이후 원하는 압력이 유지되면 진공펌프의 작동을 멈추었다. 그리고 Copper plate에 코팅된 흡착제의 수분을 제거하기 위하여 흡착탑 하부에 80℃의 온수를 흘려보내 주어 충분히 탈착과정이 이루어지도록 하였다. 완전히 탈착된 것을 확인한 후, 흡착실험을 진행하기 위해 냉각수 온도와 증발온도는 적절한 유량을 순환시켜 온도 조건을 맞추었으며 온도 조건이 안정화되었을 때 흡착실험을 진행하였다. 흡착실험은 실험의 세팅 시간에 맞추어서 흡착탑과 증발기의 밸브를 개방, 폐쇄하는 방식으로 반복 하였다. 흡착 시간은 30분까지 측정하였으며 7분까지는 1분 단위로 측정하였으며, 이후에는 10분 단위로 측정하였다.

(1)

$$ Q=\dot{m} \cdot C p \cdot\left(T_{\text {out }}-T_{i n}\right) $$

(2)

$LMTD =\dfrac{(T_{i n}-T_{bed})-(T_{out}-T_{bed})}{\ln\dfrac{\left(T_{i n}-T_{bed}\right)}{\left(T_{out}-T_{bed}\right)}}$

(3)

$U =\dfrac{Q}{A\times LMTD}$

(4)

$w_{Q}=\sqrt{(\dfrac{\delta Q}{\delta\dot m}w_{\dot m})^{2}+(\dfrac{\delta Q}{\delta C_{p}}w_{C_{p}})^{2}+(\dfrac{\delta Q}{\delta\Delta T}w_{\Delta T})^{2}}$

(5)

$w_{U}=\sqrt{(\dfrac{\delta U}{\delta Q}w_{Q})^{2}+(\dfrac{\delta U}{\delta LMTD}w_{LMTD})^{2}}$

흡착제가 코팅된 Copper plate의 흡착 시 발생하는 흡착열량을 계산하기 위해 식(1)을 이용하였으며, 냉각수 입․출구 온도와 흡착제 표면 평균온도를 이용하여 식(2)를 통해 흡착제가 코팅된 Copper plate의 LMTD를 구하였다. 그리고 식(1)과 식(2)를 이용하여 흡착제가 코팅된 Copper plate의 총괄열전달계수를 식(3)으로 구하였다.(10) 열전달량과 총괄열전달계수에 대한 불확실성은 식(4)와 식(5)를 이용하여 계산하였으며, 실험조건에서 제시한 온도 및 유량센서 등의 측정오차는 Table 1에 나타내었으며, 이를 반영한 열전달량과 총괄열전달계수의 불확실도는 평균 각각 11%, 10%로 나타났다.

Fig. 3 Test samples.

3. 실험결과 및 고찰

본 연구에서 제작한 실험장치를 통해 얻어진 수분흡착량 결과검증을 위해 Kakiuchi et al.⁽⁶⁾의 비슷한 흡착탑의 온도 때에서 유사한 결과를 얻어내어 실험결과의 타당성을 확인하였다. Fig. 4는 작동분압에 따른 FAPO 흡착제의 수분흡착량을 나타낸 것이다. FAPO 흡착제의 특성인 S자 형태의 수분흡착곡선이 흡착과 탈착이 이루어지는 압력범위 0.1~0.3에서 잘 나타났으며, 이때의 흡착량은 약 0.183 g/g이었다. 또한 흡착탑의 온도 25℃의 경우가 40℃의 경우보다 수분흡착량이 크게 나타났다.

Fig. 5(a), Fig. 5(b)는 FAPO 흡착제의 코팅유무에 따른 흡착탑 베드온도와 총괄열전달계수의 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다. 흡착을 시작하여 약 50초까지는 흡착제 표면온도가 급격하게 증가하여 이를 통해 총괄열전달계수도 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 약 50초 이후에는 흡착제 표면온도와 총괄열전달계수가 점차 감소하는 것을 확인하였다. 이는 기존의 Gao et al.⁽¹²⁾의 연구에서 볼 수 있듯이 흡착제는 특성상 강한 친수성을 가지고 있기 때문에 흡착 초기 단계에서 많은 양의 증기를 흡착함에 따라 흡착열이 크게 발생하여 흡착제 표면온도와 총괄열전달계수가 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 그 이후에는 냉각수의 흡착열 제거로 온도는 서서히 감소하는 것으로 나타났다. Copper plate의 상부에 코팅을 한 경우가 코팅을 하지 않은 경우보다 전체적으로 흡착제 표면온도와 총괄열전달계수는 크게 나타남을 확인하였다.

Fig. 4 Validation of experimental result with Kakiuchi et al.(6)

Fig. 6(b)는 FAPO 흡착제의 코팅두께에 따른 수분흡착량을 시간에 따라 나타낸 것이며, 흡착제의 코팅두께가 증가할수록 수분흡착량은 감소하는 것으로 나타났다. 흡착제의 코팅두께가 0.1 mm에서 0.2 mm, 0.3 mm로 증가될 때 흡착시간 7분에서 흡착한 수분흡착량의 차이는 각각 약 1.8%, 20.0%로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 코팅두께가 증가할수록 열전달 및 물질전달 저항이 증가함으로 인해 수분흡착량은 감소하는 것으로 판단된다. 코팅두께가 0.1 mm와 0.2 mm일 때 시간에 따른 수분흡착량은 1.8% 미만으로 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 시스템에서 냉방용량을 고려했을 때 절대 수분흡착량(g)은 코팅두께가 0.2 mm가 0.1 mm에 비해 절대 수분흡착량이 약 2배 정도 많으므로 코팅두께가 0.2 mm가 더 적절하다고 판단된다.

Fig. 7(b)는 FAPO 흡착제가 바인더 비율 10%와 코팅두께가 0.2 mm로 코팅되었을 때 흡착탑 베드온도에 따른 수분흡착량을 시간에 따라 나타낸 것이다. 흡착탑 베드온도는 냉각수용 항온조를 이용하여 적절히 제어하였다. 흡착탑 베드온도가 낮을수록 흡착량은 증가하는 일반적인 경향을 나타났다. 이것은 흡착탑의 베드온도가 낮을수록 흡착탑의 포화압력이 낮아져 수분흡착량이 증가하는 것으로 판단된다. 흡착탑 베드온도가 35℃에서 30℃로 감소함에 따라 수분흡착량은 약 39% 증가하는 것으로 나타났다. 증발온도가 10℃, 흡착탑의 베드온도가 각각 25℃, 30℃, 35℃일 때, 상대 분압은 각각 0.38, 0.29, 0.21로 흡착탑의 베드온도가 30℃ 이하일 때 상대분압이 0.29 이상이다. 따라서 FAPO 흡착제의 수분흡착곡선이 S자 형태로 수분흡착량이 작동분압 0.1에서 0.3까지는 크게 증가하고 작동분압이 0.3 이후에는 수분흡착량이 미비하게 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 FAPO 흡착제의 코팅에 따른 수분흡착특성을 파악하기 위해 다양한 실험변수를 통해 수분 흡착량을 측정하였으며 얻어진 결과는 다음과 같다.

(1) FAPO 흡착제의 코팅유무에 따른 흡착탑 베드온도와 총괄열전달계수는 흡착을 시작한 후 약 50초까지는 흡착제 표면온도와 총괄열전달계수가 급격하게 증가하였다. Copper plate의 상부에 코팅을 한 경우가 코팅을 하지 않은 경우보다 전체적으로 흡착제 표면온도와 총괄열전달계수는 크게 나타났다.

(2) 바인더 비율이 증가할수록 수분흡착량은 시간에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 코팅된 흡착제의 바인더 비율이 각각 5%, 10%, 15%로 증가될 때 바인더 무첨가시에 비해 수분흡착량은 각각 약 18%, 26%, 43%로 감소하는 것으로 나타났다. 코팅의 내구성과 흡착속도를 고려하여 적절한 흡착시간과 바인더 비율은 7분, 10%로 선정하였다.

(3) 흡착시간 7분에서 흡착제의 코팅두께가 0.1 mm에서 0.2 mm로 증가될 때 수분흡착량의 차이는 약 1.8%로 감소하였지만 절대 수분흡착량이 약 2배 정도 많으므로 흡착식 시스템에서 냉방용량을 고려했을 때 흡착제 코팅두께는 0.2 mm가 더 적절하다고 판단된다.

(4) 증발기의 증발온도가 높고 흡착탑의 베드온도가 낮을수록 수분흡착량은 증가하는 것으로 나타났다.