KR20010026171A - 플라즈마로 친수성 표면 개질된 관을 이용한 흡수식 냉동기 - Google Patents

플라즈마로 친수성 표면 개질된 관을 이용한 흡수식 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마로 친수성 표면 개질된 전열부, 특히 표면 개질 동관을 흡수식 냉동기 및 냉온수기에 적용한 것으로서 공조 냉동 분야 및 관외 응축·증발과 관련된 열교환기 등의 분야에 속하는 전열촉진 기술에 관한 것이다. 본 발명은 플라즈마 친수성 표면 개질된 전열부, 특히 표면 개질 동관을 흡수식 시스템의 열교환기에 적용함으로써 일반적인 흡수식 시스템용 열교환기에 비하여 우수한 열 및 물질 전달 성능을 가진 열교환기를 제공하는데, 상기 플라즈마 친수성 표면 개질 전열부에는 후퇴 접촉각이 30°이하인 플라즈마 고분자 중합막이 형성된다. 상기 플라즈마 친수성 고분자 중합막은 흡수식 냉동기 및 냉온수기를 구성하는 응축기, 증발기 및 흡수기의 평활관 또는 가공관에 응용될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 흡수식 시스템에만 한정되지 않으며, 일반적인 열교환기에도 응용된다.

Description

플라즈마로 친수성 표면 개질된 관을 이용한 흡수식 냉동기{ABSORPTION CHILLER USING TUBES WITH HYDROPHILIC SURFACE MODIFICATION BY PLASMA POLYMERIZATION}
본 발명은 플라즈마로 친수성 표면 개질된 전열부, 특히 표면 개질 동관을 흡수식 냉동기 및 냉온수기에 적용한 것으로서 공조 냉동 분야 및 관외 응축·증발과 관련된 열교환기 등의 분야에 속하는 전열촉진 기술에 관한 것이다.
흡수식 냉동기는 지구 온난화 문제로 인해 사용 규제를 받는 프레온(CFC)계 냉매를 사용하지 않으며, 비교적 저렴한 비용의 도시가스를 구동원으로 하기 때문에 경제적이면서도 냉방부하에 의한 하절기 최대 전력 수요를 경감을 가져올 수 있다. 이와 같은 장점으로 인해 대형건물의 냉방용으로 흡수식 냉동기의 수요가 증가하고 있는 추세이다.
흡수식 냉동기의 구성 요소는 증발기, 흡수기, 응축기, 고온 및 저온 재생기 등의 원통-관 열교환기로 이루어져 있는데, 이들 열교환기에서 발생하는 열 및 물질 전달의 성능 향상은 흡수식 냉동기의 직접적인 성능 개선과 함께 시스템의 소형·경량화에 따른 설치면적의 축소 등의 부가적인 효과에도 이바지할 수 있으므로 각 열교환기에서의 전열 촉진에 관한 연구가 요구되고 있다.
일반적으로 전열을 촉진시키는 방법에는 기계적 가공으로 관의 형상을 변형하여 전열 면적을 증가시킴으로써 열전달 성능을 향상시키는 방법과 계면활성제를 이용한 친수성 코팅방법에 의한 전열 촉진 방법 등이 있다. 그러나, 상기와 같은 관내외벽의 형상 변형에 의한 전열촉진 방법은 높은 가공비와 신규 설비 투자를 수반하게 되므로 경제적인 측면에서 활용도가 떨어진다고 할 수 있다. 반면, 계면활성제에 의한 친수성 코팅 방법은 일정비율로 혼합된 화학 용액 안에 흡수기용 열교환기를 투입시키는 방법으로, 일정 시간이 경과되면 코팅이 물과 함께 용해되어 열전달 성능이 급격히 저하되는 결점이 있다. 따라서 지속적인 열전달 성능 유지와 기존의 관 형상 변경 방법에서 표출되는 여러 가지 문제점들을 개선시킬 새로운 전열 촉진 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 플라즈마 친수성 표면 개질된 전열부, 특히 표면 개질 동관을 흡수식 냉동기의 주요 구성요소인 응축기, 증발기, 흡수기 등과 같은 열교환기에 장착시켜 열전달 및 물질 전달을 촉진시키고자 하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명에서 사용한 표면 개질 방법은 DC 방전 또는 RF 방전으로 생성된 플라즈마에 의해 금속 표면에 친수성을 갖는 고분자 중합막을 형성시켜 반영구적인 성능 유지를 도모하게 한 것이다. 따라서, 기존 표면처리에서 발생하는 여러 가지 문제점을 혁신적으로 개선할 수 있게 된다.
본 발명은 같은 크기 및 동일 형상을 가진 열교환기의 표면에 간단한 처리를 통해 우수한 전열 성능을 가진 제품으로 개선시킴으로써 에너지 효율의 극대화와 시스템의 소형·경량화를 실현시킨 것이다. 이와 동시에 기존 장치에 설치되어 있는 열교환기에도 플라즈마 친수성 표면 개질 기술을 적용시켜 열전달 성능을 개선시킬 수 있으며, 가공관의 경우도 플라즈마 친수성 표면 개질을 하면 고성능의 전열 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 흡수식 냉동기의 구성도이다.
도 2a는 수평관 외벽에서 두꺼운 수막 응축의 형태를 보여주고, 도 2b는 친수성 처리된 수평관 외벽에서 얇은 수막 응축의 형태를 보여준다.
도 3a는 수평관 외벽에서 두꺼운 수막 증발의 형태를 보여주고, 도 3b는 친수성 처리된 수평관 외벽에서 얇은 수막 증발의 형태를 보여준다.
도 4a는 친수성 처리 전 평활관에서 분무 상태를 보여주고 도 4b는 친수성 처리 후 평활관에서 분무 상태를 보여준다.
도 5는 흡수식 냉동기의 응축기 실험장치의 개략도를 보여준다.
도 6은 평활관에서 친수성 처리 조건에 따른 응축 열전달 특성을 비교한 것으로, 친수성 처리 전 평활관에서의 응축 열전달 Q는 2902W이다.
도 7은 흡수식 냉동기에서 응축기의 냉각수 입구온도 변화에 따른 응축 열전달 특성을 비교한 것이다.
도 8은 플라즈마 친수성 표면 개질의 시간 경과에 따른 응축 열전달 특성 변화를 보여준다.
도 9는 흡수식 냉동기의 증발기 실험장치의 개략도이다.
도 10은 흡수식 냉동기에서 증발기의 냉방부하 변화에 따른 증발 열전달 특성을 비교한 것으로 증발 압력은 31.8Torr이다.
도 11은 리튬브로마이드 흡수기용 실험장치의 개략도이다.
도 12는 리튬브로마이드 흡수기의 용액 유량 변화에 따른 열전달 특성을 비교한 것이다.
도 13은 리튬브로마이드 흡수기의 용액 유량 변화에 따른 물질전달 특성을 비교한 것이다.
도 14는 리튬브로마이드 흡수기의 냉각수 유량 변화에 따른 열전달 특성을 비교한 것이다.
도 15는 리튬브로마이드 흡수기의 냉각수 유량 변화에 따른 물질 전달 특성을 비교한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라즈마 친수성 표면 개질된 전열부, 특히 표면 개질 동관을 흡수식 시스템의 열교환기에 적용함으로써 일반적인 흡수식 시스템용 열교환기에 비하여 우수한 열 및 물질 전달 성능을 가진 열교환기를 제공하는데, 상기 플라즈마 친수성 표면 개질 전열부에는 후퇴 접촉각이 30°이하인 플라즈마 고분자 중합막이 형성된다. 상기 플라즈마 친수성 고분자 중합막은 흡수식 냉동기 및 냉온수기를 구성하는 응축기, 증발기 및 흡수기의 평활관 또는 가공관에 응용될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 흡수식 시스템에만 한정되지 않으며, 일반적인 열교환기에도 응용된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 가장 보편적으로 사용되는 이중 효용 흡수식 냉동기의 구성을 보여준다. 상기 흡수식 냉동기는 냉동 작용을 일으키는 증발기(1), 냉매를 흡입·흡수하는 흡수기(2), 냉매를 응축하는 응축기(3), 냉매를 끓여 재생시키는 고온 재생기(4) 및 저온 재생기(5) 등의 기본 열교환기로 구성되어 있으며, 열 효율 향상을 위한 용액 열교환기(6, 7), 용액 순환 장치(8), 냉매 순환장치(9) 및 진공 유지를 위한 추기 장치(10) 등의 보조 장치가 설치된다.
증발기(1)는 내부를 진공 상태로 유지하고 냉매 순환 장치(9)를 이용하여 전열관 외표면에 냉매를 균일하게 분사시키면 냉매는 전열관 내부로 흐르는 냉수로부터 증발 잠열을 빼앗아 증발하고 냉수는 냉각되므로 이 과정을 통해 냉열을 얻게 된다.
흡수기는 증발기에서 냉매가 증발하면서 발생되는 수증기 분압의 증가로 인해 증발 온도가 상승되는 것을 방지하는 역할을 한다. 흡수기 전열관 외표면에 흡수 용액(LiBr)을 산포시켜 얇은 용액 막을 형성시키면 이 용액 막을 통해 수증기를 흡수하게 되며 이 과정을 통해 흡수열이 발생하게 되는데 이 열은 전열관 내로 흐르는 냉각수에 의해 제거된다. 수증기의 흡수는 용액의 농도와 관계가 있기 때문에 재생기로부터 공급되는 농용액을 분사하며 용액의 분사 방식은 증발기와 동일하다.
응축기는 저온 재생기(5)에서 증발한 냉매가 엘리미네이터(12)를 거쳐 전열관 내부로 흐르는 냉각수에 의해 응축되는 곳으로 이미 저온 재생기에서 응축된 고온의 냉매와 합쳐져 응축기 하부를 통해 증발기(1)로 복귀하는 역할을 한다.
전술한 증발기, 흡수기, 응축기는 모두 원통-관형 열교환기의 구조를 가지며 전열관으서는 로우 핀 튜브 등의 가공관이나 평활관이 일반적으로 사용되고 있다.
도 2a 내지 도 2b는 각각 평활관(도 2a 및 도 3a) 및 친수성 처리관(도 2b 및 도 3b) 외벽에서 두꺼운 수막과 얇은 수막의 응축 및 증발의 형태를 비교한 것이다. 일반적인 전열관으로서 사용되는 평활관의 응축은 도 2a와 같이 불규칙적인 수적의 생성과 성장을 통해 비교적 두꺼운 수막을 유지하게 된다. 증발의 경우도 도 3a와 같이 분무된 냉매가 관 외표면에 두꺼운 수막의 형태로 형성되는데 이와 같은 두꺼운 수막에서는 열 저항이 증가하여 열전달 성능이 저하하게 된다. 반면, 본 발명에서 사용한 플라즈마 친수성 처리관은 관 외표면에 얇은 수막을 형성하게 되므로 전열 면적 증가와 열저항 감소로 인해 열전달 성능이 향상되는 것이다. 그러므로, 본 발명의 구성 요소로 채택한 플라즈마 친수성 처리관을 전열관으로서 채택하면 우수한 열 및 물질 전달 성능을 얻을 수 있다. 또한, 평활관 뿐만 아니라 로우 핀 튜브, 콜리게이트 튜브, 스파이럴 튜브, 써머 핀 튜브 등의 가공관도 플라즈마 친수성 처리를 하게 되면 열 및 물질 전달의 성능이 향상된다.
본 발명에서 사용된 친수성 표면 개질 방법은 한국과학기술연구원에서 개발한 「플라즈마를 이용한 재료 표면상의 다양한 특성의 고분자 합성방법」(특허출원번호:97-61767)처리 방법을 이용한 것이다. 이러한 플라즈마를 이용한 친수성 처리 방법은 진공조 내부에 처리하고자 하는 금속재료(튜브)를 아노드(anode) 전극으로 하고 일정한 거리를 유지시켜 캐소드(cathode) 전극을 위치시킨 후, 진공 펌프를 이용하여 비교적 저진공 상태(103mmHg 이하)로 진공 상태를 유지시킨다. 진공이 유지된 진공조 내부로 소정 압력의 탄화수소 기체 및 반응성 가스(본 발명에서 사용한 아세틸렌과 질소 또는 기능성 표면개질에 부합되는 기타 고분자 중합기체 및 반응성 기체)를 일정 비율로 혼합하여 주입시킨다. 가스 주입이 완료된 후, 금속 재료의 양 전극에 전압을 인가하여 DC 방전시키면 양이온, 음이온, 라디컬(radical), 전자 등으로 이루어진 플라즈마가 생성된다. 금속재료에서 플라즈마를 생성시키는 방법은 본 발명에서 사용한 DC 방전 이외에 RF 방전이 있는데, 이 RF 방전 방법으로 처리된 금속재료에서도 본 발명의 적용이 가능하다. DC 방전 또는 RF 방전으로 생성된 플라즈마에 의해 금속표면에 친수성을 갖는 고분자 중합막이 형성되어 다른 표면처리 방법보다 물리적, 화학적으로 안정된 기능성 표면을 반영구적으로 유지하게 된다.
상기 플라즈마 고분자 합성 처리 공정을 사용하여 형성된 플라즈마 고분자층은 동적 접촉각(dynamic contact angle) 측정시 30°이하의 후퇴 접촉각(receding contact angle) 값을 지니는 우수한 친수 특성을 가지고 있다. 모노머와 중합 불가능한 가스(nonpolymerizable gas)의 혼합 기체로부터 발생된 플라즈마에서 금속 재료 위에 친수 특성이 우수한 고분자층을 합성하게 된다. 일 예로서, 모노머 기체로서 C2H2를, 중합 불가능한 기체로서 N2를 사용하여 플라즈마 고분자 합성시, 합성기체의 비(C2H2: N2)를 9:1에서 1:9로 변화하는 경우 형성된 플라즈마 고분자층은 모두 30°이하의 후퇴 접촉각 값을 나타낸다. 이와 같은 고분자층의 친수 특성은 고분자 표면의 화학적 특성에 직접적으로 연관되는 것으로, 상기 합성 기체의 플라즈마 하에서 합성된 고분자 표면층은 물을 잘 퍼지도록 하는 높은 표면 에너지를 가지는 것임을 알 수 있다. 친수 특성을 유발하는 높은 표면에너지는 표면층의 친수성 작용기로부터 기인된다. 합성 기체의 비 변화에 따라 형성된 고분자는 수소를 제외한 상태에서 C는 65-50%, O는 5-20%, N은 0-15%의 영역의 조성을 갖는다. XPS(x ray photoelectron spectroscopy) 및 FT IR(fourier transformation infrared spectroscopy) 분석으로부터 플라즈마 고분자 내부에 C-O, C O, (C=O) O, C-N, N-H 등의 친수성 작용기 형성이 확인되었다. 상기 형성 고분자의 우수한 친수 특성은 이러한 친수성 작용기에 의해 나타난다.
플라즈마에 의한 친수성 고분자의 형성은 상기와 같은 C2H2와 N2의 합성 기체를 사용하는 경우에 국한되지 않으며, 예컨대 모노머로서 C2H2이외의 하이드로카본을, 중합 불가능한 가스로서 N2,O2등의 기체를 사용하여 플라즈마 친수성 고분자를 합성하는 경우 등 다양한 실시예를 가질 수 있다.
표 1은 친수성 표면개질을 위한 반응성 가스로서 아세틸렌과 질소를 사용하였을 경우의 혼합 조성비와 열처리 조건을 명시한 것이다. 여기에 기술된 조건들은 본 발명의 친수성 처리와 관련된 성능 비교를 위해 제한적으로 기능성 표면개질에 부합되는 여러 조건 중에서 일부를 사용한 것이므로, 합성 기체의 종류와 혼합조성비 및 기타 처리 조건이 다른 경우에도 본 발명이 적용된다.
시편 종류 C2H2: N2(조성비) 플라즈마 처리조건 열처리 조건
HPT 1 1:9 초기 압력:103mmHg작동 압력:0.3mmHg전류:800mA처리시간:90sec 20분간 200℃로 풀림(annealing)처리
HPT 2 3:7
HPT 3 5:5
HPT 4 7:3
HPT 5 9:1
HPT 6 7:3 HPT6과 HPT7은 비열처리
HPT 7 5:5
도 4a 및 도 4b는 평활관의 친수성 처리 유무에 따른 관외벽 생성 수적의 형태를 비교한 것으로 도 4b에서와 같이 친수성 처리 후 평활관의 경우, 얇은 수막이 관외벽에 넓게 퍼져 처리 전보다도 접촉특성이 향상되었다.
도 5는 흡수식 냉동기의 응축기 실험장치의 개략도이다. 표 2는 흡수식 시스템의 응축기용 실험조건을 나타낸 것이다. 응축기 실험은 수증기 공급에 의한 응축 성능 시험을 측정 평가하기 위해 대기압 상태에서 실시하였다.
냉각수 입구온도(℃) 15±0.1
유량(ℓ/min) 3.9±0.1
전기히터 히터용량(kW) 3.5
전열면적 3×3관군(m2) 0.1077
실험 장치는 시험체적인 응축기(22), 일정온도의 냉각수를 시험체적에 공급하는 냉각수 순환장치(23), 응축기 전면에 균일한 증기공급을 위해 제작된 덕트(24)와 항온조(25), 응축기 입·출구(26, 27) 및 응축수 온도 측정 장치(28)와 유량 측정 장치(29) 등으로 구성되어 있다.
증기 공급장치는 전기히터(3.5kW)(30')가 내장된 항온조(40ℓ)(25)와 발생수증기의 원활한 이송을 위한 덕트(24)로 구성되어 있다. 항온조내의 물은 외부로부터 30리터 정도 유입시킨 후, 일정 유량의 수증기 발생을 위해 전기 히터에 공급되는 전원을 전압조정기(0 ~ 240V)(30)와 연결시켜 일정한 전압(208V)을 유지하였으며, 발생된 포화 수증기는 단열처리된 덕트를 통해 시험체적으로 공급하였다.
냉각수 순환장치는 냉각수 공급원인 냉각기(3RT)(31), 냉각수 입구온도를 일정하게 유지하기 위한 항온조(80ℓ)(32), 시험체적인 열교환기내로 냉각수를 공급하는 순환펌프(23), 냉각수의 유량측정을 위한 유량계(0.18~0.96m3/h)(29) 등으로 구성되어 있다. 관내로 유입되는 냉각수는 항온조(32)에서 교반기를 구동시킴으로써 항상 일정한 온도로 유지되며, 유량계를 통과한 후 열교환기로 유입된다. 덕트를 통해 공급된 증기와의 열교환으로 가열된 냉각수는 다시 냉각기(31)로 유입되어 재순환한다.
열교환기에서 생성된 응축수는 전자저울(정밀도 0.01g)(33)을 사용하여 매분당 응축수의 유량을 측정하였으며 열교환기 입·출구에서의 냉각수 온도는 각 1개씩의 T형 열전대(입·출구 상대온도 오차 0.1℃)를 설치하여 측정하였다.
도 6은 친수성 처리조건에 따른 응축 열전달량(QW)을 평활관에 대하여 비교한 것으로서 모든 친수성 처리조건에서 기존 평활관(친수성 처리 전 평활관에서 응축 열전달 Q= 2902W)보다 약 8~12% 정도 높은 열전달 성능을 나타내었다.
도 7은 흡수식 냉동기에서 냉각수 입구온도 조건에 따른 응축 열전달량의 변화를 나타낸것으로 입구온도의 범위는 10℃~30℃까지이며 5℃간격으로 실험하였다. 시편은 친수성 처리조건에 따른 열전달량 실험결과를 토대로 가장 우수한 성능을 나타낸 HPT5(C2H2: N2=7:3)와 기존 평활관을 비교하였다. 설정온도 범위내에서 친수성 처리관은 기존 평활관에 비해 높은 열전달 성능을 보였으며, 전체적으로 냉각수 입구온도가 증가함에 따라 열전달량이 감소하는 경향을 알 수 있다.
도 8은 플라즈마 친수성 처리의 시간 경과에 따른 열전달 성능저하를 나타낸 것으로 20분간 완전 침수 건조의 과정을 1사이클로 하였을 때, 100사이클을 반복하여도 열전달 성능은 지속적으로 유지됨을 알 수 있다.
도 9는 흡수식 냉동기의 증발기 실험장치의 개략도이다.
표 3은 흡수식 증발기용 실험 조건을 표기한 것이다.
냉각수 입구온도(℃) 10±0.5
순환유량(/min) 3.9±0.1
전열면적(m2) 0.2154
고온수 입구온도(℃) 35~60±0.5
순환유량(/min) 3.9±0.1
전열면적(m2) 0.1077
노즐 분사온도(℃) 15±0.5
분사유량(g/min) 240
분사각도(°) 60
증발기 실험에서는 온수가 관내를 순환하는 전열관 표면에 증류수를 분사시켜 증발 성능을 평가하였다. 실험장치는 전열관 내부로 일정온도의 온수가 공급되고 노즐에서 분사된 증류수가 관 외벽에서 증발되는 증발기(36), 발생된 증기를 다시 일정온도의 냉각수를 공급하여 응축시키는 응축기(37), 증발기 표면에 균일한 증류수를 분무하는 노즐 분사장치(38), 시험체적의 일정 압력유지를 위한 진공펌프(39), 일정온도의 온수와 냉각수를 공급하기 위한 항온조(48, 52), 시험체적의 압력측정장치(55), 그리고 냉각수 입·출구(41, 42)와 온수 입·출구(43, 44) 및 노즐입구의 온도 측정장치(45)와 유량측정장치(46) 등으로 구성되었으며 가시창을 설치하여 시험체적 내부를 관찰할 수 있도록 하였다. 시험체적 내의 압력은 저진공 상태에서 실시하였다.
증발기 부분은 전기히터(1kW)(47)에 의해 일정한 온도로 유지시킨 항온조(48), 시험 체적안의 증발기 내로 온수 공급을 위한 순환 펌프(49), 그리고 온수의 유량 측정을 위한 유량계(0.18~0.96m3/h)(50)로 구성되어 있다. 증발기로 유입되는 온수의 온도는 항온조에 설치된 교반기의 구동에 의해 항상 일정하게 유지된다. 온수의 순환 경로는 유량계를 통과한 후, 열교환기로 유입되어 노즐을 통해 분사된 증류수에 의해 냉각되며, 다시 항온조로 유입되어 재순환하게 된다.
응축기 부분은 냉각수 공급원인 냉각기(3RT)(51), 냉각수 입구온도를 일정하게 유지하기 위한 항온조(80ℓ)(52), 응축 열교환기내로 냉각수 공급을 위한 순환펌프(54), 그리고 냉각수의 유량 측정을 위한 유량계(0.18~0.96m3/h)(46) 등으로 구성된다. 관내로 유입되는 냉각수의 순환 경로는 항온조를 통해 항상 일정한 온도로 유지되며 유량계를 통과한 후, 열교환기로 유입되어 증발기에서 발생된 증기와의 열교환으로 가열되며 다시 냉동기로 유입되어 재순환하게 된다.
시험 체적의 진공 상태를 유지하기 위한 장치는 진공 펌프(39)와 진공 게이지(55), 진공 밸브(40) 등으로 구성되어 있다. 노즐분사장치(38)는 열교환기의 길이 (400mm)를 고려하여 120mm 간격으로 3개의 분무형 분사 노즐을 설치하였으며 노즐분사를 위한 구동원으로서 고압펌프(56)를 사용하였다. 열교환기 입·출구에서의 고온수, 냉각수 온도와 노즐 입구온도는 각 1개씩의 T형 열전대(입·출구 상대온도 온도차 0.1℃)를 설치하여 측정하였다.
도 10은 시험체적 내부의 압력이 31.8mmHg일 때 증발기 입구 온도 증가에 따른 열전달량을 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 설정된 압력에 해당하는 증발기 입구 온도 30℃보다 높은 온도로 증발기를 순환시킬 경우, 순환 온수의 온도가 상승함에 따라 증발 열량도 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 또한, 기존 평활관에 비해 친수성 처리관이 약 25~44% 정도 향상된 열전달 성능을 보여주었는데 이것은 친수성 처리관이 기존 평활관에 비해 작은 적촉각을 유지하여 넓게 퍼짐으로써 열저항 감소 및 열교환 면적이 증가하여 열전달 성능이 개선된 것이다.
도 11은 리튬브로마이드 흡수기용 실험장치의 개략도이며, 표 4는 리튬브로마이드 흡수기용 실험조건이다.
항목 실험변수 실험조건
냉매 증발온도(℃) 8±1
LiBr용액 입구농도(wt%) 60±0.5
입구온도(℃) 45±0.5
순환유량(kg/min) 2.6~6.8
냉각수 입구온도(℃) 28±0.5
순환유량(kg/min) 50~83
흡수기 실험장치는 흡수기(61), 증발기(62), 응축기(63), 재생기(64), 농용액·희용액 탱크(65, 66), 냉매 탱크(67), 정수두 탱크(69), 냉각수 탱크(70)와 냉각탑(71), 히터(72) 및 온수탱크(73)와 그들을 연결하는 배관으로 구성된다. 시스템내의 진공을 유지하기 위하여 진공펌프가 설치되어 있으며, 기기내의 압력을 측정하기 위하여 진공용 수은 압력계가 설치되어 있다. 또한, 흡수기에는 냉각수를, 증발기에는 냉수가 순환될 수 있도록 펌프가 설치되어 있으며, 흡수기, 증발기, 재생기, 응축기 및 탱크류의 각 수·용액배관의 입·출구 온도 측정을 위하여 T형 열전대(C-C)를 설치하였으며 냉각수, 냉수 및 용액 유량을 측정하기 위하여 수유량계 및 용액 유량계를 설치하였다.
흡수기 실험은 시험조건 설정과정과 성능측정과정, 용액재생과정의 3가지 과정으로 나누어 진행하였다. 시험조건 설정과정에는 진공펌프로 시스템 내부가 충분히 진공이 되도록 한 후 농용액 탱크 내에 있는 용액을 용액 펌프로써 순환시킨다. 이때, 용액은 적정 온도의 온수 및 냉각수가 흐르는 열교환기를 통하여 원하는 온도로 된 후 농용액 탱크에 저장된다. 온수온도는 온수 가열히터에서 써모스텟으로 조정하였으며, 냉각수 온도는 냉각탑과 냉각수 탱크에서 조정하였다. 적정 온도로 맞추어진 온·냉각수는 펌프에 의해 각 열교환기에 전달된다.
성능 측정과정에서는 농용액 탱크내의 농용액을 용액펌프를 이용하여 흡수기로 이송하여 흡수기 상부에서 시험전열관에 유하시켜 액막상으로 흐르게 하였다. 이때, 흡수기 입구의 용액 유량과 흡수기 입구 및 출구의 용액 온도를 측정하였다. 농용액을 흡수기에 이송시킬 때에는 중간에 정수두 탱크를 설치하여 유량이 일정하게 흐르도록 하였으며 여분의 흡수 용액은 바이패스관을 통하여 농용액탱크로 되돌아오도록 하였다. 그리고 냉매 탱크에 저장된 냉매는 냉매펌프를 이용하여 증발기로 보내어 증발기에서 증발되도록 하였다. 증발된 냉매는 흡수기에서 시험전열관을 유하하는 용액에 흡수되고 증발하지 못한 냉매는 다시 냉매 탱크로 유입된다. 냉매를 흡수하여 묽어진 용액은 희용액 탱크에 저장되며, 흡수기 출구의 샘플링 밸브에서 희용액을 취출하여 용액 농도를 측정하였다. 냉각수 탱크의 냉각수는 펌프에 의해 증발기 및 흡수기로 이송되며, 흡수기에서의 냉각수는 관내를 흡수용액과 병류로 흐른다. 흡수기에서 열을 얻은 냉각수와 증발기에서 열을 빼앗긴 냉수는 출구에서 합쳐져 냉각탑에서 다시 적정 온도로 냉각된다. 이때 증발기와 흡수기 입구의 유량을 각각 측정하고 흡수기 입구와 출구 및 각 패스의 냉각수 온도를 측정하였다.
용액 재생과정은 먼저, 희용액 탱크에 모인 희용액을 펌프로써 농용액 탱크로 이송시킨다. 모든 희용액이 농용액 탱크로 이송되면, 농용액 펌프로 농용액 탱크에 고인 희용액을 순환시켜 고온 재생기 전열관에 흐르는 온수에 의해 가열되도록 하였다. 가열된 희용액은 냉매가 분리되어 농용액이 되고, 분리된 냉매는 응축기에서 냉각수에 의해 냉각, 응축되어 냉매 탱크에 저장되게 된다. 농용액은 샘플링 밸브로 취출하여 적정농도가 될 때까지 고온 재생기로 가열하였다. 응축기로 유입되는 냉각수는 냉각수 펌프를 이용하여 장치 내로 순환되고, 다시 냉각탑에서 냉각된다. 온수는 시험 조건 설정과정과 동일하게 온수 가열히터로 가열하여 써모스텟으로 온도를 조정하였다.
도 12는 리튬브로마이드 흡수기의 용액 유량에 따른 열전달 계수를 나타낸 것으로 열전달 계수를 산출을 위한 해석방법은 대수평균 온도차(△Tlm)과 열통과율(K)로부터 구하였다. 열교환기의 대수평균온도차 ΔTlm은 식 1과 같이 정의하였으며, 열통과율 K는 식 2로부터 구하였다.
여기서, TAsi는 실험에서 측정한 흡수용액의 흡수기 입구온도, TAsi는 출구온도이며, TAcoi와 TAcoo는 냉각수의 입구온도와 출구온도, do는 관외경, 그리고 L은 전열관 길이를 나타낸다. 관내의 냉각수측 열전달계수 hi를 구하기 위하여, 평활관의 난류유동에서의 열전달 관계식으로서 누셀 수를 나타내는 Duttus-Boelter식 3을 사용하여 산출하였다.
여기서, di는 관내경, λ는 관내외측에서의 열전도율이다. 흡수용액측의 열전달계수 hi는 식 4로부터 구하였으며, 전열관 벽의 열저항은 무시하였다.
여기서, di는 관내경, do는 관외경 및 hi는 관내측 열전달계수를 나타낸다. 그리고, 막레이놀즈수 Ref와 단위 폭당 액막 유량 γs는 각각 식 5와 식 6과 같이 정의하였다.
여기서, Gs는 흡수용액의 질량유량을 나타낸다.
도 12는 용액 유량이 증가함에 따라 관외 열전달 계수가 선형적으로 증가함을 보여주며 친수성 처리관이 기존 평활관에 비해 열전달 성능이 우수함을 보여준다.
도 13은 리튬브로마이드 흡수기의 용액 유량에 대한 물질 전달 계수를 나타낸 것으로 물질 전달 계수의 산출을 위하여 냉매 증기와 흡수용액 사이에서의 냉매물질 이동저항 및 증기공간과 기·액계면간의 저항을 무시하여, 기·액계면과 흡수용액 사이의 물질전달만을 고려하였다. 또한, 유하액막에서 기·액계면의 압력은 기내 압력과 평형으로 가정하여, 기·액계면의 평형농도(ξ*)와 유하액막의 농도(ξ)와의 대수평균온도차 Δξlm을 식 7과 같이 정의하였다.
이상의 상태치들을 이용하여 식 8과 같이 물질전달 계수를 구하였다.
여기서, GR은 냉매증기 흡수량이며, ρm은 평균용액밀도로 식 9로부터 구하였다.
여기서, ρASi는 흡수기의 용액 밀도, ρASo는 흡수기 출구의 용액밀도이다. 도 13에 도시된 리튬브로마이드 용액 유량변화에 따른 물질 전달계수는 도 12의 리튬브로마이드 용액 유량변화에 따른 열전달계수에 비하면 거의 변화가 없지만 친수성 처리관이 기존 평활관보다 높게 나타남을 알 수 있다.
도 14는 리튬브로마이드 흡수기의 냉각수 유량 변화에 대한 열전달 계수를 나타낸 것으로 냉각수 유량이 3m 3/h인 경우, 친수성 처리관의 열전달계수는 기존 평활관에 비해 약 2배 정도 우수함을 나타내었다.
도 15는 리튬브로마이드 흡수기의 냉각수 유량변화에 대한 물질전달계수를 나타낸 것으로 유량의 변화에 관계없이 어느 정도 일정함을 보여주지만, 냉각수 유량이 3m 3/h일 때 친수성 처리관의 물질전달계수를 기존 평활관에 비해 약 1.5배의 성능 향상을 보였다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 계면활성제를 이용한 친수성 코팅 방법 또는 기계적 가공에 의한 전열 촉진 방법에 있어서 표출되는 여러 가지 문제점들을 개선하여 반영구적으로 열 및 물질 전달 성능을 향상시키는 효과를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 장치의 소형화, 경량화 및 설치 비용 경감의 효과가 있고, 일반적인 원통-관형 열교환기에도 적용이 가능하므로 경제적 파급 효과를 기대할 수 있다.

Claims (7)

  1. 증발기, 흡수기 및 응축기로 이루어지는 흡수식 냉동기에 있어서, 전열부는 플라즈마 친수성 표면 개질층이 형성된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 친수성 표면 개질층은 후퇴 접촉각이 30°이하의 플라즈마 고분자 중합막인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전열부는 응축기용 평활관 또는 가공관인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전열부는 증발기용 평활관 또는 가공관인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전열부는 흡수기용 평활관 또는 가공관인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기 및 냉온수기.
  6. 전열부가 플라즈마 친수성 표면 개질층이 형성된 것을 특징으로 하는 원통-관 열교환기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 플라즈마 친수성 표면 개질층은 후퇴 접촉각이 30°이하의 플라즈마 고분자 중합막인 것을 특징으로 하는 원통-관 열교환기.
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