KR101110171B1 - 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제에 있어서, 암모니아수와, 상기 암모니아수에 나노 사이즈로 분산된 오일 액적을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 향상된 흡수율을 갖는 흡수제를 제공하기 위한 것이다.
Description
본 발명은 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수기에 있어서 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 흡수제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
지금까지 거의 모든 냉동 공조 기술은 효율적으로 우수한 증기 압축식 냉각 시스템을 위주로 이루어져 왔다. 하지만, 대부분의 증기 압축식 냉각 시스템의 경우 동력원으로 전기를 사용하고 있는 관계로 하절기의 낮 동안에 전기사용이 급증하여 효율적인 에너지 정책에 있어서 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 따라서, 최근에는 에너지의 원활한 공급을 흡수식 냉각 시스템의 사용을 권장하고 있는 실정이다.
흡수식 냉각 시스템의 냉각 사이클은 증발기에서 증발된 저온, 저압의 냉매증기를 흡수기에서 흡수제에 흡수시킨 다음 이것을 다시 발생기에서 가열하여 고온, 고압의 냉매증기로 만들어 응축기로 보낸 후 이를 증발기에서 증발시키는 구성을 갖는다.
이러한 흡수식 냉각 시스템은 물-리튬브로마이드(H20/LiBr)를 냉매/흡수제로 이용하는 방식과 암모니아-물(NH3/H2O)을 냉매/흡수제로 이용하는 방식이 일반적으로 사용되고 있다. 이들 중 암모니아- 물 흡수식 냉각 시스템의 흡수기로는 유하 박막 흡수기와 기포 분사형 흡수기가 대표적이다. 유하 박막 흡수기는 뛰어난 열전달 효과와 안정된 운전상태 유지로 인하여 현재 상용화되어 사용되고 있으나, 용액의 분사 및 효과적 박막형성에 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 최근에는 열전달 효과뿐만 아니라 우수한 물질전달효과를 나타낼 수 있는 기포 분사형 흡수기에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
흡수제의 흡수율은 흡수기의 크기 및 전체 냉각 시스템의 냉각 효율을 결정하는 요소이다. 그러나, 기포분사형 흡수기에 있어서 기포 형태의 암모니아가 흡수기의 흡수제에 흡수되면서 발생하는 열에 의해 흡수제의 온도가 상승하게 되며, 그에 따라 흡수제의 흡수율이 감소하는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 흡수제의 흡수율을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 암모니아수에 오일 액적을 첨가, 분산시켜 향상된 흡수율을 갖는 흡수제를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 오일 액적을 암모니아수에 분산시키는 흡수제의 제조방법에 있어서 장시간 사용에도 안정성을 지속시킬 수 있는 흡수제의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제에 있어서, 암모니아수와, 상기 암모니아수에 나노 사이즈로 분산된 오일 액적을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제를 개시한다.
상기 오일 액적은 n-decane으로 형성될 수 있으며, 상기 오일 액적은 0.1 vol% 내지 2.0 vol%의 농도를 가질 수 있다.
상기 흡수제는 상기 오일 액적의 분산 안정을 위한 분산 안정제를 더 포함할 수 있으며, 상기 분산 안정제는 친수성 계면활성제와 친유성 계면활성제가 혼합된 성분을 가질 수 있다. 아울러, 상기 오일 액적과 분산 안정제는 4:1의 비율을 가질 수 있다.
한편, 본 발명은 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법에 있어서, 암모니아수를 마련하는 단계와, 상기 암모니아수에 오일 액적을 첨가하는 단계, 및 상기 오일 액적이 첨가된 암모니아수를 교반 처리하여 상기 오일 액적을 나노 사이즈로 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법을 개시한다.
상기 암모니아수의 마련 단계는 물에 친수성 계면 활성제를 첨가하고 교반시켜 제1혼합물을 제조하는 단계와, 상기 제1혼합물에 암모니아수를 첨가하고 교반시켜 제2혼합물을 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 오일 액적의 첨가 단계는 상기 오일 액적과 친유성 계면 활성제를 혼합시키고 교반시켜 제3혼합물을 제조하는 단계와, 상기 제2혼합물에 상기 제3혼합물을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 흡수제의 제조 방법 상기 오일 액적이 첨가된 암모니아수의 교반 처리시 초음파 조사 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 암모니아수 내에 오일 액적을 나노 사이즈로 분산시킴으로써 흡수제의 흡수율을 향상시켰으며, 이에 따라 흡수기의 사이즈를 줄이거나 흡수식 냉각 시스템의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은2 종류의 분산 안정제를 이용한 제조방법을 통해 장시간 사용한 경우에도 오일 액적의 응집을 방지함으로써 안정성이 향상된 흡수제를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법을 보인 순서도.
도 2는 도 1에 나타난 흡수제의 제조방법을 시각적으로 나타낸 도면.
도 3은 흡수제의 제조 직후와 72시간 후의 가시화사진 및 틴들효과 사진.
도 4는 오일 액적의 농도에 따른 암모니아 농도별 입도 크기를 나타내는 그래프.
도 5는 흡수제의 흡수 실험을 위한 실험 장치를 나타내는 도면.
도 6은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 흡수량을 나타낸 그래프.
도 7은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 유효 흡수비를 나타낸 그래프.
도 2는 도 1에 나타난 흡수제의 제조방법을 시각적으로 나타낸 도면.
도 3은 흡수제의 제조 직후와 72시간 후의 가시화사진 및 틴들효과 사진.
도 4는 오일 액적의 농도에 따른 암모니아 농도별 입도 크기를 나타내는 그래프.
도 5는 흡수제의 흡수 실험을 위한 실험 장치를 나타내는 도면.
도 6은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 흡수량을 나타낸 그래프.
도 7은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 유효 흡수비를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명과 관련된 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제 및 이의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법을 보인 순서도이고, 도 2는 도 1에 나타난 흡수제의 제조방법을 시각적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 흡수제의 제조 방법은 암모니아수를 마련하는 단계(S10)와, 암모니아수에 오일 액적을 첨가하는 단계(S20)와, 오일 액적이 첨가된 암모니아수를 교반 처리하여 오일 액적을 나노 사이즈로 분산시키는 단계(S30)를 포함한다. 암모니아의 교반 처리시 초음파 조사 처리를 수행하는 단계가 추가적으로 포함될 수 있다.
도 2를 참조하면, 암모니아수를 마련하는 단계(S10)는 물(순수)에 친수성 계면 활성제(111)를 첨가하고 교반시켜 제1혼합물(110)을 제조하는 단계(S11)와, 제1혼합물(110)에 암모니아수(120)를 첨가하고 교반시켜 제2혼합물(130)을 마련하는 단계(S12)를 포함할 수 있다.
오일 액적의 첨가 단계(S20)는 오일 액적과 친유성 계면 활성제를 혼합시키고 교반시켜 제3혼합물(140)을 제조한 후, 제3혼합물(140)에 제2혼합물(130)을 첨가함으로써 이루어질 수 있다. 친유성 계면 활성제(141)는 친수성 계면 활성제(111)와 함께 오일 액적을 안정하게 분산시키기 위한 분산 안정제로서 사용된다. 다시 말해, 본 발명에서의 분산 안정제는 친수성 계면활성제(111)와 친유성 계면활성제(141)가 혼합된 성분을 가질 수 있다.
이러한 과정을 마친 제4혼합물(150)에 초음파 조사 처리 및 교반 처리를 수행하면 흡수제의 제조가 완료된다. 이러한 제조과정에 의해, 오일 액적은 암모니아수에 나노 사이즈로 분산되며, 그에 따라 장시간 사용에도 안정성을 가지게 되는 것이다.
이하, 다음의 실시예를 통해 본 발명과 관련된 흡수제의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 본 발명을 좀 더 명확하게 이해하기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 목적으로 제시하는 것은 아니며, 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상의 범위 내에서 정해질 것이다.
본 실시예에 의하면, 오일 액적으로 n-decane을 사용하였다. 그리고, 분산 안정제인 친수성 계면활성제(111)와 친유성 계면 활성제(141)로서 TWEEN20 (Polysorbate 20: sorbitan monolaurate, C58H114O26)과 C12E4가 각각 사용되었다.
아래의 표 1은 오일 액적의 농도에 따른 오일과 분산 안정제의 질량을 나타내는 표이다. 흡수제의 양은 600ml를 기준으로 하였다.
| vol % | n- decane (g) | Stablizer | |
| C 12 E 4 (g) | TWEEN20 (g) | ||
| 0.1 | 0.438 | 0.089 | 0.021 |
| 0.5 | 2.19 | 0.443 | 0.104 |
| 1.0 | 4.38 | 0.887 | 0.208 |
| 2.0 | 8.76 | 1.774 | 0.416 |
본 실시예에 따르면, 600ml 비커에 TWEEN20과 순수를 첨가하여 교반시켜 제1혼합물(110)를 제조하였으며, 제1혼합물에 25-28wt%의 암모니아수(120)를 첨가하여 교반시켜 제2혼합물(130)을 제조하였다. 그리고, 50ml 비커에 C12E4와 n-decane을 첨가하여 교반시켜 제3혼합물(140)를 제조하였으며, 제2혼합물(130)에 첨가하여 제4혼합물(150)을 제조하였다. 마지막으로, 제4혼합물(150)에 초음파를 이용하여 1시간 동안 분쇄과정을 거쳐 흡수제를 제조하였다.
여기서, 오일과 분산 안정제는 그 비율이 4:1이 되도록 첨가하였다. 오일과 분산 안정제의 비율을 4:1로 설정한 이유는 이러한 비율에서 흡수제가 가장 좋은 흡수율을 보이면서도 분산 안정성이 좋기 때문이다. 오일과 분산 안정제의 비율이 2:1인 경우, 분산 안정성 면에서는 우수하나 기포 흡수 실험 과정 중 포밍 현상이 심하여 실험을 진행할 수가 없었다. 또한, 오일과 분산 안정제의 비율이 8:1인 경우 흡수율 향상의 효과가 좋지 않으며, 분산 안정성 면에서도 4:1 보다 안 좋은 결과를 보였다.
오일 액적은 0.1 vol% 내지 2.0 vol%의 농도를 갖도록 하였다. 오일의 농도를 2.0 vol% 보다 높인 경우 포밍 현상이 심하여 실험을 진행할 수가 없었다.
[실험 1: 분산 안정성의 테스트 - 틴들 효과 사진 분석]
이상과 같이 제조된 흡수제에 대해 오일 액적의 농도에 따른 암모니아의 농도별로 분산 안정성을 테스트 하였다.
도 3은 흡수제의 제조 직후와 72시간 후의 가시화 사진 및 틴들 효과 사진을 나타내고 있다. 위쪽에 나타난 사진이 가시화 사진이며, 아래쪽에 나타난 사진이 틴들 효과 사진이다. 이에 따르면 물을 모유체로 하는 경우를 제외하고, 72시간이 지나도 오일의 분산 안전성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
[실험 2: 분산 안정성 테스트 - 흡수제의 입도 크기 분석]
도 4는 오일 액적의 농도에 따른 암모니아 농도별 입도 크기를 나타내는 그래프이다. 여기서도 흡수제의 제조직후와 72시간 후의 입도 크기를 각각 측정하였다. 입도 측정에는 전기영동 광산란법(DLS)를 이용한 제타 전위 입격 측정 시스템을 사용하였다.
물을 모유체로 하는 경우, 즉, 암모니아가 함유되지 않은 경우에는 72시간 경과 후 입도 크기가 180-190nm로 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 암모니아수를 모유체로 하는 경우에는 오일의 농도와 상관없이 일정한 입도 크기를 유지하였으며, 오일 입자의 응집이 일어나지 않은 것을 알 수 있다. 이로서, 장시간이 지나도 암모니아수 내의 오일 입자의 분산 안정성이 유지되는 것을 알 수 있다.
[실험 3: 흡수제의 흡수율 측정 및 유효 흡수비 분석]
다음으로, 제조된 흡수제의 흡수 성능을 흡수 실험을 통해 테스트하였다. 도 5는 흡수제의 흡수 실험을 위한 실험 장치를 나타내는 도면이다. 그리고 아래의 표 2는 흡수실험에서의 실험조건을 나타내는 표이다.
| Oil |
n-decane | |
| Concentration (vol%) | 0, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 | |
| Stablizer | C12E4 | TWEEN20 |
| 81 | 19 | |
| Oil : Stablizer | 4 : 1 | |
| Total volume of sample | 600ml | |
| Ultra sonication |
Time | 1 hour |
| Frequency | 20 kHz | |
| Power | 350 W | |
| Bubble absorption time (sec) | 500 | |
| Initial ammonia solution concentration (wt%) | 0, 8, 14.3 | |
| Test section |
Diameter (mm) | 30 |
| Height (mm) | 250 | |
| Orifice diameter (mm) | 2.0 | |
| Ammonia gas |
Purity (%) | 99.999 |
| Average inlet gas flow (LPM) | 3 | |
| Inlet gas temperature (℃) | 20 | |
실험장치는 암모니아 가스가 채워진 암모니아 챔버와, 흡수제가 채워진 테스트 챔버를 포함하는 구성을 가진다. 암모니아 챔버는 테스트 챔버에 암모니아 가스를 공급하며, 글로브 밸브를 이용하여 테스트 챔버의 입구측 유량을 일정하게 조절하여 흡수제에 일정한 유량의 암모니아 가스가 공급되도록 한다. 그리고 테스트 챔버의 출구측 유량을 측정한다. 이에 따르면, 암모니아 가스가 흡수제에 흡수되는 동안에는 출구 측에서 암모니아 가스가 배출되지 않으며, 흡수가 끝나 갈수록 출구 측에서 암모니아 가스가 배출되게 된다.
출구측 유량 측정의 정확도를 향상시키기 위하여 출구측 유량계 전단에 실리카겔을 설치하였다. 실리카겔은 테스트 챔버의 출구측에서 나오는 암모니아 가스가 섞인 수증기를 제거하는 기능을 한다.
입출구측의 질량 유량을 적산하여 그 차이를 흡수시간으로 나누면 흡수율을 구할 수 있다. 다음의 수학식 1은 흡수율을 구하는 식이다.
이렇게 구한 흡수율을 순수 암모니아수의 흡수율로 나누어 유효 흡수비를 구하였다. 다음이 수학식 2는 유효 흡수비(Reff)를 구하는 식이며, 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수의 농도별 흡수량을 구하였다.
도 6은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 흡수량을 나타낸 그래프이고, 도 7은 오일 액적의 농도에 따른 암모니아수 농도별 유효 흡수비를 나타낸 그래프이다.
이에 따르면, 암모니아수 농도 14.3 wt%, 오일의 농도 2.0 vol%에서 순수 암모니아수 대비 17.5%까지 흡수율이 향상된 것으로 확인되었으며, 이를 통해 오일 액적의 나노 분산을 통해 흡수제의 흡수율이 크게 향상된 것을 알 수 있다. 본 실험에 의하면, 오일 액적의 농도가 2.0 vol% 이내의 범위에서 흡수율이 최대화되었으며, 그 이상의 농도에서는 포밍 현상으로 인해 실험을 진행할 수 없었다. 따라서, 오일 액적의 농도는 0.1 내지 2.0 vol% 인 것이 바람직하다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 암모니아수 내에 오일 액적을 나노 사이즈로 분산시킴으로써, 흡수제의 흡수율을 크게 향상시켰으며, 2 종류의 분산 안정제를 이용한 제조방법을 통해 장시간을 사용한 경우에도 안정성을 유지시키게 하였다.
이상에서는 본 발명에 따른 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제 및 이의 제조방법에 대해 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
Claims (11)
- 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제에 있어서,
암모니아수; 및
상기 암모니아수에 나노 사이즈로 분산된 오일 액적을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 제1항에 있어서,
상기 오일 액적은 n-decane으로 형성되는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 제2항에 있어서,
상기 오일 액적은 0.1 vol% 내지 2.0 vol%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 제1항에 있어서,
상기 오일 액적의 분산 안정을 위한 분산 안정제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 제4항에 있어서,
상기 오일 액적과 분산 안정제는 4:1의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 제4항에 있어서,
상기 분산 안정제는 친수성 계면활성제와 친유성 계면활성제가 혼합된 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제. - 암모니아 냉매를 흡수하기 위한 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법에 있어서,
암모니아수를 마련하는 단계;
상기 암모니아수에 오일 액적을 첨가하는 단계; 및
상기 오일 액적이 첨가된 암모니아수를 교반 처리하여 상기 오일 액적을 나노 사이즈로 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법. - 제7항에 있어서, 상기 암모니아수의 마련 단계는,
물에 친수성 계면 활성제를 첨가하고 교반시켜 제1혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 제1혼합물에 암모니아수를 첨가하고 교반시켜 제2혼합물을 마련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 오일 액적의 첨가 단계는,
상기 오일 액적과 친유성 계면 활성제를 혼합시키고 교반시켜 제3혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 제3혼합물을 상기 제2혼합물에 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 오일 액적이 첨가된 암모니아수의 교반 처리시 초음파 조사 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 오일 액적은 n-decane으로 형성되고, 0.1 vol% 내지 2.0 vol%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제의 제조 방법.
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| KR1020100042438A KR101110171B1 (ko) | 2010-05-06 | 2010-05-06 | 암모니아-물 흡수식 냉각 시스템의 흡수제 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2008546870A (ja) | 2005-06-13 | 2008-12-25 | エイチ．グリン マイケル | ナノイオン性液体および使用法 |
| KR20090101359A (ko) * | 2006-12-22 | 2009-09-25 | 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 | 암모니아와 이온성 액체의 혼합물 |
-
2010
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