This study was focused on the absorption heat pump technology, especially on the absorption cooling systems (absorption chiller) which use the lithium bromide-based solutions as working fluids. New working fluid development covering the related thermodynamics, advanced cycle design/ system operation, and the investigation of mass transfer enhancement were included in the study.
Conventional absorption heat pumps (cooling/ absorption chillers) which are commonly used for building air-conditionings and industrial applications includes a water cooling tower to efflux the heat to outdoor. In order to lower the size of machine and to use the absorption systems for domestic applications, the water cooling tower have to be removed and a direct air-cooled machine have to be developed. However, the air-cooled absorption cooling machine cannot be easily constructed by using the present working fluid (aqueous lithium bromide solution) due to the crystallization problem. Hence, a new working fluid have to be developed and the work essentially includes various experimental /theoretical and thermodynamic /thermophysical studies on the working fluid. In this study the lithium bromide + lithium iodide + 1,3-propanediol + water (LiBr/LiI mole ratio = 4 and (LiBr + LiI)/$HO(CH_2)_3OH$ mass ratio = 4) solution was selected as a potential working fluid for the air-cooled absorption chiller. The solubilities, vapor pressures, heat capacities, differential heats of dilution, densities, and viscosities of a new working fluid were measured at the extensive concentration and temperature ranges. A new data set of individual property was fitted with a proper regression equation and the Duhring (P-T-X) and enthalpy-concentration (H-T-X) diagrams were constructed by using the measured thermodynamic properties. A cycle simulation for a double-effect series-flow absorption chiller was carried out at several absorber and condenser conditions. The air-cooled absorption chiller using the new working fluid was found to be operated with the sufficient cooling capacity, the appropriate coefficient of performance, and the elimination of crystallization problem.
Highly efficient absorption chiller is achieved by adapting new advanced cycles. As a representative advanced cycle, the triple-effect absorption cycle have been taken much interest and many kinds of triple-effect cycles have been suggested. However, the construction of the triple-effect absorption chiller is strongly limited by the corrosion problem caused by the high operating temperature. Therefore, the key technology for commercializing the triple-effect machine is to solve the corrosion problem. In this study, three new cycles including additional vapor compression units were suggested in order to lower the generator temperature of the triple-effect absorption chiller. Each new cycle has one compressor located at the different position in order to elevate the pressure of the refrigerant vapor. Computer simulations were carried out in order to examine both the basic triple-effect cycle and three new cycles. All types of triple-effect absorption cycles were found to be able to lower the temperature of high-temperature generator up to favorable region. The COPs of three new cycles calculated by considering the additional compressor works showed a small level of decrease or increase compared with that of the basic triple-effect cycle. Consequently, a low-temperature triple-effect absorption chiller can be possibly constructed by adapting one of three new cycles. A great advantage of these new cycles is that the conventionally used lithium bromide-water solution can be successfully used as a working fluid without the danger of corrosion. In order to investigate experimentally one of the newly designed cycles, a small-scale triple-effect absorption cooling machine which could cover up to 1 RT capacity were designed based on the computer simulation. The system was operated with about 1 kW heat input and the COP was found to be approximately 55 % of the design value at the current stage. The performance is expected to be more improved by removing several factors causing inefficient system operation.
When the water vapor is absorbed into the lithium bromide solution containing small amount of alcohol additive, a vigorous surface turbulence called Marangoni convection occurs. This kind of heat and mass transfer enhancement phenomena is known to be essential to minimize the heat transfer area and to improve the performance of the absorption heat pump. In this study a simple stagnant pool absorber was newly designed to easily obtain the reliable data, and vapor absorption experiments were carried out for a variety of solution and additive pairs. The experimental apparatus could be used with good confidence and accuracy for studying mass transfer enhancement over the effective range of additive. And vigorous interfacial turbulences were observed during absorption process in the presence of additives.'
본 논문은 브롬화리튬계의 수용액을 작동유체로 하는 흡수식 열펌프 기술, 특별히 흡수식 냉방시스템에 관한 것으로 새로운 작동유체의 개발과 이에 대한 열역학적 고찰, 고성능 사이클이 고안과 장치의 시운전, 그리고 물질전달 촉진에 관한 실험적 연구를 포함하고 있다.
건물 공조용이나 산업용으로 널리 사용되는 상용화된 대형 흡수식 냉방기는 외부로 열을 방출시키기 위하여 수냉방식의 냉각탑을 사용하고 있다. 장치를 소형화 하고 가정용으로의 보급을 확대하기 위해서는 이러한 수냉식 냉각탑을 제거한 공냉식 시스템을 개발하여야 한다. 그러나 기존의 작동유체인 브롬화리튬 수용액은 결정문제로 인해 공냉식 시스템에 적용하는 것이 불가능하여 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 작동유체의 개발이 이루어져야 하며, 새로운 작동유체의 개발을 위해서는 이론적, 실험적인 다양한 열역학적, 열물리적 고찰이 병행되어야 한다. 본 연구에서는 LiBr+LiI+$HO(CH_2)_3OH$+$H_2O$(LiBr/LiI 몰비 = 4, (LiBr+LiI)/$HO(CH_2)3_OH$ 질량비 = 4) 용액을 공냉식 흡수냉방 사이클을 위한 작동유체로 선정하여 용해도, 증기압, 열용량, 미분희석열, 밀도 및 점도 등의 물성을 측정하고 적절한 관계식으로 상관지었다. 또한 측정된 물성 및 이들의 열역학적 상관을 통하여 Duhring (P-T-X) 선도와 엔탈피 선도를 (H-T-X) 작성하였으며 이를 사이클의 성능모사에 이용하였다. 컴퓨터에 의한 사이클의 성능모사는 이중효용 직렬식 흡수 냉방 사이클에 대하여 행하여졌으며 그 결과 새로운 작동유체를 사용하는 흡수식 냉방기는 결정의 위험 없이 적절한 성능계수, 충분한 냉방능력을 가지고 운전 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
고성능 흡수식 냉방기는 새로운 형태의 진보된 사이클을 적용 함으로서 얻어질 수 있다. 대표적인 고성능 사이클로서 삼중효용 사이클을 들 수 있는데, 다양한 형태의 이론적 삼중효용 사이클이 제안되었음에도 불구하고 대부분의 사이클이 고온운전에 따른 부식문제로 인하여 그 실용화가 제한되어져 왔다. 따라서 이러한 부식문제의 적절한 해결은 삼중효용 흡수식 냉방시스템을 상용화 하기 위한 핵심기술이라고 말할 수 있다. 본 연구에서는 삼중효용 흡수식 냉방기에 증기압축기를 추가로 적용하여 작동온도를 낮출 수 있도록 하는 새로운 형태의 사이클을 제안하였다. 제안된 사이클들은 각각 서로 다른 위치에 압축기를 포함하고 있으며 사용된 압축기는 냉매증기의 압력을 상승시키기 위하여 사용되었다. 컴퓨터 프로그램을 사용하여 기본형태의 삼중효용 사이클과 새로운 사이클들의 성능 및 작동 조건을 모사하였으며 그 결과 새로운 형태의 사이클들은 고온재생기의 작동온도를 적절한 수준으로 낮추어 운전될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 압축기 사용에 따른 추가적인 에너지를 고려한 성능계수의 계산 결과 기본이 된 삼중효용 사이클에 비하여 소폭의 감소 혹은 증가를 보임을 알 수 있었다. 따라서 새롭게 제안된 사이클을 적용할 경우 저온에서 운전되는 흡수식 냉방기의 구성이 가능하며 이는 기존에 널리 사용되는 효과적인 작동유체인 브롬화리튬 수용액을 부식의 위험이 없이 삼중효용 시스템에 적용할 수 있다는 큰 의미가 있다. 제안된 사이클 실험적 검증을 위하여 약 1RT 냉방용량의 소형 실험 장치를 전산모사에 기초하여 설계하고 제작하였다. 제작된 장치는 약 1kW 의 열원으로 시운전되었으며 설계치에 비하여 약 55% 정도의 성능계수를 보였다. 장치의 성능계수는 운전결과 파악된 몇몇 비효율 인자를 효과적으로 제거 함으로서 보다 향상될 수 있을 것으로 기대된다.
흡수식 냉방기에서 냉매증기가 브롬화리튬 수용액으로 흡수될 때, 소량의 알코올 첨가제가 존재하면 마란고니 난류라고 하는 활발한 표면 난류가 발생하는데 이러한 물질전달 촉진 현상은 열전달 면적을 줄이고 장치의 성능을 높이는데 매우 필수적이다. 본 연구에서는 이러한 현상의 관찰을 위한 실험을 보다 손쉽게 행할 수 있는 간단한 형태의 정체형 흡수기를 새롭게 제작하였으며 다양한 형태의 흡수용액-첨가제 조합에 대한 증기흡수 실험을 수행하였다. 구축된 장치는 첨가제에 의해 물질전달 촉진이 유발되는 영역에서 활발한 난류현상을 관찰하고 신뢰성 있는 실험데이타를 얻는 데에 적절하게 사용될 수 있었다.
