암모니아/물을 이용한 압축/흡수 하이브리드 히트펌프용 판형 열교환기 열전달 성능 특성 연구 :

안승선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안승선 (경희대학교, 경희대학교 대학원)

지도교수: 강용태

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2014

고온수 제조용 압축/흡수 하이브리드 히트펌프용 판형 흡수기 열전달 성능 특성 연구

안승선 설비저널 2014.12 학술저널

암모니아/물을 이용한 압축/흡수 하이브리드 히트펌프용 판형 열교환기 열전달 성능 특성 연구

안승선 기계공 2014.01 학위논문

2012

하이브리드 열펌프 시스템의 판형 흡수기에 대한 실험 및 수치 모사 연구

안승선 , 정청우 , 김민성 외 2명 대한설비공학회 학술발표대회논문집 2012.11 학술대회자료

압축/흡수 하이브리드 히트 펌프 시스템의 암모니아-물 플레이트 흡수기에 대한 실험 및 수치 시뮬레이션 연구

안승선 , 정청우 , 김민성 외 2명 대한설비공학회 학술발표대회논문집 2012.06 학술대회자료

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기존의 증기 압축식 사이클은 온도구배를 지닌 열원과 냉매가 잘 맞지 않음으로 인해 성능이 저하되며 흡수식 사이클에 비해 용량 조절이 힘들다. 또한 흡수식 사이클은 증기 압축식 사이클에 비해 성능계수가 낮다는 단점이 있다. 하이브리드 히트펌프 사이클은 증기 압축식 사이클과 흡수식 사이클의 단점을 보완하기 위해 개발된 사이클로, 용액 순환부를 가지는 증기 압축식 사이클 또는 압축/흡수 사이클로 불린다.
하이브리드 히트펌프 시스템의 작동유체인 NH3/H2O는 비등점 차이가 큰 냉매와 흡수제의 혼합물로써 낮은 압력비로 넓은 온도 구간에 걸쳐 사용이 가능하고 흡수기와 재생기에서 작동유체의 온도구배를 이용함으로써 성능계수(COP)가 향상되며 농도변화를 통한 용량 조절이 가능하다.
하이브리드 히트펌프 시스템에 사용된 브레이징 타입의 판형 열교환기는 전열판의 형상이 난류 유동을 유도하여 90% 이상의 높은 열교환 효율을 가지며 기존의 쉘 앤 튜브 열교환기에 비해 컴팩트하게 제작되어 부피가 1/3∼1/5로 대폭 감소되었다. 또한 스테인리스 재질로 내식성 및 내구성이 우수하여 NH3/H2O과 같은 부식성이 강한 유체에도 사용이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 50℃의 저온 폐열을 열원으로 하고 NH3/H2O을 작동유체로 하는 1단 압축 하이브리드 히트펌프를 이용하여 암모니아 희용액 농도, 흡수기 내부 압력과 동일한 전열면적을 가지는 3가지 타입의 판형 열교환기 형상에 따른 시스템의 성능 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 판형 열교환기의 열전달에 대한 실험적 상관식을 도출하여 최적의 판형 열교환기 형상을 선정하였으며, EES를 이용한 사이클 시뮬레이션을 통해 실험 결과와 비교하였다.
흡수기 내부 압력이 증가하고, 암모니아 희용액의 농도가 감소할수록 흡수기 용량, 성능계수, 열전달계수는 증가하는 경향을 보였다. 본 연구의 실험조건에서 최대 흡수기 용량 7.3 kW, 성능계수 2.66, 암모니아 수용액 열전달계수 1.91 kW/m2K로 나타났으며, ±20% 내에서 만족하는 암모니아 기포타입 흡수방식에서 판형 열교환기의 열전달계수 상관식을 도출하였다.

In recent years, large amount of low-temperature waste heat exists in industrial sectors. A heat pump system can be used to utilize the low-temperature waste heat. Heat pump technology development for efficient use of industrial waste heat is required.
Typical heat pump systems are the vapor compression and absorption systems. In the vapor compression system, the capacity control is done by the compressor. Compressors with sequentialcapacity control are available, but they consume lots of power even if there is zero load on the system. On the other hand, the coefficient of performance(COP) of the absorption system is lower than that of the vapor compression system.
Hybrid heat pump systems are developed to complement the disadvantages of the absorption system and vapor compression system. 1) The hybrid heat pump system enhances the coefficient of performance by utilizing the gliding temperatures in the desorber and absorber, 2) The capacity can be easily controlled by varying the concentration of the working fluid mixture, and 3) Reduction of the saturation pressures of the pure refrigerant cycle, which allows the resorption temperature of the mixture to be higher than the critical temperature of the pure refrigerant.
Large surface areas and corrugated plates allow plate heat exchangers to transfer heat very efficiently. Each plate is pressed with a chevron-shaped design to create high turblent flow, excellent fluid distribution, and to increase surface area. Plate heat exchangers are small, yet efficient. It is possible to have a plate exchanger with the same thermal capacity of a Shell&Tube heat exchanger five times its size.
This research conducts an experiment for a hybrid heat pump system, using ammonia- water as a working fluid, to obtain a hot water of about 80℃. The hybrid heat pump system uses a low temperature heat source of about 50℃ from the industrial waste heat.
The objective of this paper is to analyze the heat transfer characteristics, during the ammonia-water bubble absorption process in a plate type heat exchanger. Also the effects of the ammonia weak solution concentration, absorber internal pressure and absorber geometric dimensions such as the aspect ratio on the absorber capacity, COP, cooling water and ammonia solution temperature difference, cooling water and ammonia solution heat transfer coefficient are also analyzed in this study.

#판형열교환기 #압축/흡수 #히트펌프 #암모니아/물

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 동향 1
1.2 연구목적 4
제 2 장 히트펌프 6
2.1 증기 압축식 히트펌프 6
2.1.1 전기사용 증기 압축식 히트펌프 6
2.1.2 가스사용 증기 압축식 히트펌프 9
2.2 흡수식 히트펌프 13
2.3 하이브리드 히트펌프 16
제 3 장 하이브리드 히트펌프 성능실험 및 시뮬레이션 19
3.1 판형 열교환기 19
3.2 흡수 방식 21
3.3 실험장치 구성 24
3.4 실험방법 및 조건 29
3.5 데이터 처리방법 32
3.6 하이브리드 히트펌프 시뮬레이션 34
3.7 실험 장치 및 데이터의 불확실성 37
3.8 통계 분석 40
제 4 장 성능실험 및 시뮬레이션 결과 42
4.1 압력, 형상, 농도에 따른 흡수기 용량 비교 42
4.2 압력, 형상, 농도에 따른 성능계수 비교 45
4.3 압력, 형상, 농도에 따른 온도차 비교 48
4.4 압력, 형상, 농도에 따른 열전달계수 비교 51
4.5 열전달계수 상관식 54
제 5 장 결론 55
참고문헌 57
Abstract 61

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