2.1 흡착식 히트펌프 구성 및 성능 평가 방법

Fig. 1(a, b)은 연구에 사용된 흡착식 히트펌프 시스템의 개략도와 실제 실험장치 사진을 보여준다. 흡착식 히트펌프 시스템은 반응기와 응축기 그리고 증발기로 구성되어 있다. 장치 사진에서 보듯이 2개의 반응기가 시스템에 장착되어 있는데, 이 연구에서는 일차적으로 하나의 반응기만 사용하여 증발기, 응축기와 번갈아 연결하여 흡탈착 사이클을 구성하였다. 즉, 흡착 과정에서는 반응기가 증발기와 연결되어 증발-흡착 과정이 이루어지고, 탈착 과정에서는 반응기가 응축기와 연결되어 탈착-응축 과정이 이루어진다. 열원의 입출구 온도를 측정하기 위해서 각 열교환기(반응기, 응축기 그리고 증발기) 입출구에 T타입 열전대를 삽입하였고, 각 챔버 내부 온도와 압력을 측정하기 위해 4선식 RTD 센서와 압력계를 설치하였다. 사용된 센서의 상세 제원 및 정확도는 Table 1과 같다. 열교환기 내에 흐르는 유량을 측정하기 위해 유량계를 설치하였으며, 온도, 압력, 그리고 유량계 출력 신호를 계측기(Keysight, DAQ970A)와 연결하여 데이터를 측정하였다. 히트펌프의 성능 향상을 위해 증발기는 유하액막식(Falling film type) 증발기를 사용하였고, 응축기의 경우 발수코팅(Hydrophobic)이 적용된 열교환기를 사용하였다. 탈착 열원 입구 온도는 데이터센터 폐열 온도를 가정하여 50~60℃ 범위를 설정하여 실험하였으며, 응축기와 흡착 시 냉각수의 입구 온도는 여름철 외기 온도를 고려하여 30℃로 설정하였고, 증발기의 열원 입구 온도는 20~26℃까지의 범위로 설정하여 실험을 진행하였다.

실험 과정은 각 조건에서 성능을 비교하기 위해 각각 증발기 열원 입구 온도, 증발기 열원과 응축기의 냉각수 유량, 탈착 열원의 온도를 변화시키며 실험을 진행하였으며, 증발기의 입․출구 온도를 측정하여 식(1)을 사용하여 열전달량을 측정하였다. 안정된 값을 얻기 위해 총 5번의 흡탈착 사이클을 진행하여, 안정된 값을 보이는 3~5번째 사이클에서의 평균 열전달량을 대표값으로 사용하였다. 이후 식(2)과 식(3)을 사용하여 SCP와 COP를 계산하여 운전 조건에 따른 냉각 성능을 비교하였다.

계측기의 정확도가 주요 성능지표에 미치는 영향을 정량화하기 위해 오차 전파법을 사용하여 각 열전달량, SCP와 COP의 불확도를 산출하였다. 입․출구 온도의 불확도는 식(4)을 통해 산출하였으며, 열전달량의 경우 지배적인 온도차 불확도와 질량유량의 불확도를 사용하여 식(5)과 같이 불확도를 산출하였다. 증발기의 유량계는 제조사에서 제시한 ±0.5%(Reading)를 사용하였으며, 흡․탈착 반응기의 유량계에는 ±0.5%(Full scale)를 사용하였다. 입․출구 온도를 측정한 T-type 열전대는 KOLAS 인증기관의 교정 결과를 바탕으로 산출한 불확도 ±0.12℃를 사용하였다. 또한 SCP와 COP의 불확도는 산출된 열전달량의 불확도를 통하여 식(6)과 식(7)을 사용하여 산출하였으며, 계산 결과 증발 열전달량, 탈착 열전달량, SCP, COP의 평균 상대 불확도는 각각 ±28.5%, ±7.9%, ±28.5%, ±29.6%로 나타났다.

각 흡착과 탈착 과정은 5분 동안 진행하였으며, 흡착 과정 동안에는 반응기에는 냉각수가 공급되고 탈착 과정에서는 반응기에 온수(열원)가 공급된다. 흡탈착 과정은 밸브 제어를 통해 전환되었고, 흡탈착 전환되고 1분의 대기 시간을 설정하여 반응기 온도가 안정화된 후 증발기(응축기)와 연결되도록 하였다. 추가적으로 밸브를 수동으로 전환하는 시간 10초를 추가하여 총 70초의 전환시간을 설정하였다. 2개의 반응기로 교번 운전하는 흡착식 히트펌프의 경우 열회수와 질량 회수를 위한 시간을 설정하게 되는데 본 실험에서는 단일 챔버를 사용하는 때문에 열회수와 질량 회수는 적용하지 않았다. 따라서, 흡착-증발 시간(370초) 동안 증발기의 평균 냉각 열량을 사용된 흡착제의 총 무게로 나누어 SCP를 계산하였으며, COP는 증발기의 평균 냉각 열량을 탈착 과정 동안의 평균 탈착 열전달량으로 나누어 계산하였다.

Fig. 1 Experimental test section of the adsorption heat pump system.

2.2 MOFs 코팅 열교환기

흡탈착 반응기에는 넓은 코팅 면적을 확보할 수 있으며 열교환 면적 또한 넓은 Fig. 2(a)와 같은 핀-튜브(Finned tube) 열교환기를 사용하였다. Fig. 2(b)와 같이 핀-튜브 열교환기 전체 면적에 걸쳐 MOF 흡착제를 코팅하였다. 알루미늄 기반 MOF(Al-MOF)를 흡착제로 사용하였고, 딥(Dip)-코팅 방식을 통해 열교환기 전면에 흡착제가 고른 두께로 도포되도록 하였다. 딥-코팅 방식은 열교환기를 코팅 용액에 침지 시키는 방식으로 복잡한 구조를 가진 열교환기에도 코팅을 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 열교환기를 다시 용액에서 꺼내는 속도를 조절하여 코팅의 두께를 설정할 수 있다. 그러나 복잡한 구조의 열교환기를 코팅하는 경우 침지 이후에 코팅 용액이 고이거나 구조를 막는 부분이 생길 수 있는데, 이 부분은 질소가스를 분사하여 제거하였다. 딥-코팅 이후 상온에서 15분간 건조시킨 후 80℃에서 30분간 건조하여 코팅층을 고정하였다. 이러한 과정을 여러 번 반복하여 원하는 두께의 MOF 흡착제를 핀-튜브 열교환기에 코팅할 수 있었다.

핀-튜브 열교환기의 핀 사이 간격이 막히지 않고 작동 유체의 유동이 유지되는 범위 내에서 흡착제 코팅 횟수를 조절하여 흡착량을 결정하였다. 흡착제량을 늘리기 위해 3개의 열교환기에 코팅을 진행하여 사용하였으며, 각 열교환기는 Fig. 2(c)와 같이 병렬로 연결하여 흡착 반응기에 설치하였다. 3개의 열교환기 모두 건조 이후에도 안정적인 표면을 유지하였으며, 3개의 열교환기에 코팅된 흡착제의 총량은 1575.3 g으로 측정되었다.

Fig. 2 Finned-tube heat exchangers coated with a MOF adsorbent.

3.1 증발기 냉수 입구 온도 영향

증발기의 입구 온도는 흡착식 히트펌프의 성능에 직접적인 영향을 주는 주요 운전 변수이며, 특히 흡착 평형 압력과 질량전달 구동력과 밀접하게 연관되어 있다. 본 실험에서는 증발기 냉수의 입구 온도를 20.1℃에서 26.0℃까지 변경하며 온도 변화에 따른 냉각열량을 측정하고 이를 바탕으로 SCP와 COP를 계산하여 비교하였다. 유량은 동일하게 10 LPM으로 고정하였으며, 탈착 열원의 입구 온도인 T_hot,in은 60.6~60.9℃, 응축기와 흡착 반응기의 입구 온도(T_cooling,in)는 약 30℃로 설정하였다. 5번의 사이클에서 증발기 입․출구의 온도 분포는 Fig. 3(a)과 같이 측정되었다. 이를 바탕으로 각 사이클에서의 냉각열량을 Fig. 3(b)와 같이 측정하였고, 사이클별 평균 냉각열량은 Fig. 3(c)과 같이 나타났다. 흡착 반응기가 건조된 상태에서 실험을 시작하기 때문에 첫 번째와 두 번째 사이클에서 흡착량이 크게 나타나고 따라서 증발기에서 냉각열량도 크게 측정되는 것을 볼 수 있다. 사이클이 진행되어 3~5번째에 이르면 흡탈착 사이클이 준 정상상태에 도달하게 되어 열전달량 차이가 미미해지기 때문에 3~5번째 사이클의 평균값을 열전달량으로 사용하였다.

Table 2는 실험 진행 시 증발기의 냉수 입구 온도에 따른 냉각열량과 탈착 열전달량을 정리한 표이다. 입구 온도가 20.1℃에서 26.0℃까지 증가함에 따라 증발기 냉각열량은 338.7 W에서 553.1 W로 63.3% 증가하였고 탈착 열전달량은 1307 W에서 1693 W로 29.6% 증가하였다. 증발기 냉각열량 뿐만 아니라 탈착 반응기 열전달량도 증가하는 것은 더 많이 증발하고 흡착한 상태에서 탈착이 이루어지면서 탈착되는 수증기의 양도 증가하기 때문으로 볼 수 있다. 증발기 입구 온도가 증가함에 따라 증발 열전달량이 증가하는 경향을 Fig. 4(a)에서도 확인할 수 있다. 증발기 냉각열량과 탈착 반응기 열전달량을 가지고 SCP와 COP를 계산한 결과를 Fig. 4(b)에 나타냈다. 증발기 냉수 입구 온도 증가에 따라 SCP는 증발기 냉각열량과 동일하게 63.3% 증가하며, 반면에 COP는 이보다 적은 26.0% 증가한 것을 알 수 있다. 증발기 냉수 입구 온도 증가에 따른 COP 증가가 상대적으로 작은 것은 증발기 냉각열량 증가와 함께 탈착 반응기 열전달량도 같이 증가하기 때문이다.

Fig. 3 Inlet and outlet temperature and heat transfer rate at the evaporator (T_chilled,in = 26℃).

Fig. 4 Effect of chilled water inlet temperature.

3.2 증발기 및 응축기 열원 유량 영향

증발기 및 응축기의 냉수(냉각수) 유량이 시스템 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 냉각수 유량을 5~15 LPM까지 변화시키며 실험을 진행하였다. 실험 동안 증발기 냉수 입구 온도와 탈착 열원 입구 온도는 각각 약 22℃와 61℃로 유지하였다. Table 3는 유량의 변화에 따른 증발기 냉각열량, 탈착 열전달량, SCP와 COP를 정리해서 보여준다. 표의 결과를 보면 유량이 5 LPM에서 15 LPM까지 증가함에 따라 증발기 냉각열량은 332.4 W에서 425.3 W로 약 27.9% 증가하고, 탈착 열전달량은 1575 W에서 1417 W로 감소한 것을 알 수 있다. 증발기 유량 증가에 따라 흡착 과정에서 수증기 흡착량이 증가했기 때문에, 탈착 과정에서 전환 시간 동안 더 많은 양의 수증기가 탈착되면서 탈착 반응기 챔버 내의 온도와 압력이 증가하게 된다. 이에 따라 탈착 반응기의 벽면 온도와 챔버 내 온도차에 의한 현열 교환량이 감소하여 전환 시간 동안 탈착 열전달량이 감소하게 된다.

Fig. 5(a)는 각 유량 조건에서 사이클에 따른 증발기 냉각열량 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 유량 조건에서 냉각열량이 비교적 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있는데 마찬가지로 3~5번째 사이클의 냉각열량을 평균하여 대표값으로 사용하였다. 증발기의 냉수 유량이 증가할수록 냉각열량은 증가하였는데 이는 냉수 유량 증가에 따라 관내 열전달 계수가 상승하여 열전달량이 증가하기 때문이다. Fig. 5(b)는 냉수(냉각수) 유량에 따른 시스템의 성능 지표인 SCP와 COP의 변화를 나타내었다. 냉수(냉각수) 유량이 증가함에 따라 SCP는 5 LPM에서 211.1 W/kg이고 15 LPM에서 270.0 W/kg으로 증가하였으며, 증발 열전달량과 동일하게 27.9% 증가하였다. COP는 0.211에서 0.300으로 42.2% 증가하였는데 이는 유량 증가에 따라 증발기 냉각열량은 증가하고 동시에 탈착 열전달량은 감소하기 때문이다. 증발기 및 응축기의 열원 유량은 흡착식 히트펌프의 시스템 성능, 특히 COP에 큰 영향을 끼치는 주요 운전 변수라는 것을 알 수 있다.

Fig. 5 Effect of coolant flow rate in evaporator and condenser.

3.3 탈착 열원 입구 온도 영향

탈착 열원 입구 온도의 변화가 시스템 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 탈착 열원의 온도를 50.9~65.4℃ 범위에서 변화시키며 실험을 진행하였다. 실험에서 증발기 열원 입구 온도는 22℃로 유지하였으며, 냉수(냉각수) 유량은 10 LPM, 응축기 및 흡착 열원 입구 온도는 약 30℃로 고정하였다. 실험을 통해 얻어진 증발기 냉각열량, 탈착 열전달량, SCP 그리고 COP를 Table 4에 정리하였다. 표의 결과를 보면 탈착 열원의 온도가 50.9℃에서 65.4℃로 증가함에 따라 증발기 냉각열량은 192.7 W에서 412.9 W로 114% 증가하였다. 나눠서 살펴보면, 50.9℃에서 55.4℃로 탈착온도가 증가할 때 증발기 냉각열량은 68%가량 크게 증가하였고, 60.9℃에서 65.4℃로 탈착온도가 증가할 때는 냉각열량 증가량이 4.7% 정도로 낮아지는 것을 볼 수 있다. 탈착온도가 증가함에 따라 탈착 과정에서 평형 상대습도(Equilibrium relative vapor pressure)가 낮아지기 때문에 더 많은 수증기가 탈착이 되고, 이 수증기는 증발-흡착과정에서 다시 증발하여 흡착되기 때문에 결과적으로 더 많은 증발 열전달이 일어난다. 이에 따라 탈착온도가 증가할 때 증발기 냉각열량이 증가하게 된다. 그런데, 탈착온도가 올라갈 때 반대급부로 흡탈착 온도 전환 과정에 소모되는 에너지량이 증가하게 되어 탈착온도가 어느 이상 증가할 때는 이 현열손실이 냉각열량 증가를 상쇄하게 된다. 이런 이유로 탈착온도가 60.9℃에서 65.4℃로 증가할 때 냉각열량 증가가 작게 나타나는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 6(a)는 각 탈착 온도 조건에서 사이클에 따른 증발기 냉각열량을 나타낸 그래프로, 모든 조건에서 사이클이 반복됨에 따라 냉각열량은 안정적인 값을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 탈착 온도가 증가할수록 증발 열전달량은 증가하는 경향을 보였다. Fig. 6(b)는 탈착온도가 증가함에 따른 SCP와 COP의 변화를 나타낸 그래프로 탈착온도가 증가함에 따라 SCP는 지속적으로 증가하는 경향을 보였으며, COP는 일정 온도까지 증가 후 감소하는 경향을 보였다. 탈착온도가 50.9℃에서 60.9℃로 증가함에 따라 SCP는 122.4 W/kg에서 262.2 W/kg으로 114% 증가하였다. 반면, COP의 경우 탈착온도가 50.9℃에서 60.9℃로 증가함에 따라 0.179에서 0.262로 약 47% 상승하였으나, 이후 65.4℃에서는 0.250으로 4.8% 감소하는 경향을 보였다. 이는 탈착 온도가 증가함에 따라 흡착제 및 열교환기의 가열에 사용되는 현열량이 증가하면서 시스템으로 공급되는 탈착열량이 증가하는 반면 증발 열전달량의 증가율은 상대적으로 작기 때문으로 판단된다. Liu et al.⁽¹⁰⁾도 탈착 온도가 증가하면서 처음에는 COP가 증가하다가 어느 이상 증가하면 오히려 COP가 감소하는 결과를 보고하였다. 본 실험에서도 비슷한 현상으로 60.9℃의 탈착 온도에서 최대 COP 성능이 나타나는 것을 확인하였다.

이상의 실험 결과로부터 Al-MOF를 적용한 흡착식 히트펌프는 50.9℃의 탈착 열원 조건에서 22.1℃의 냉수를 안정적으로 생산하는 것을 확인하였다. 50.9℃의 낮은 열원에서도 122.4 W/kg의 높은 SCP를 나타냈는데, 다만 COP는 0.179로 다소 낮은 값을 나타냈다. 향후 두 개의 챔버를 사용하여 열 및 질량 회수를 포함한 교번운전을 통해 COP를 더 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

Fig. 6 Effect of hot water inlet temperature.