제올라이트 계 수분흡착제를 이용한 흡착식 냉동기에 관한 연구

Abstract

최근 경제 발전에 따라 쾌적한 주거 및 근무환경 추구와 지구 온난화로 인한 기온 상승으로 냉방수요가 급격히 증가하여 세계에서 생산된 전력의 15%, 전체 가정, 상업용 건물의 45% 에너지가 냉동, 냉방에 사용되고 있고 그 비율이 더 증가하는 추세다. 세계적으로 냉방의 99% 이상이 프레온계 냉매를 사용하는 전기압축식 냉동기로 이루어지므로 하절기 전력 부족, 온실가스 배출, 오존층 파괴 등의 문제를 야기하고 있는 반면에 산업 폐열 중 가장 많이 발생하는 90℃ 이하의 저온 폐열과 하절기 태양열 온수 등은 마땅한 사용처가 없다.흡착식 냉동기는 저온 열원 (65∼95℃)으로 구동되고 냉매로 물, 메탄올, 에탄올, 암모니아 등을 사용하여 냉방열 (10∼15℃) 또는 냉장열 (-20∼0℃)을 생산하므로 전기압축 프레온 냉방기를 대체하는 무전력 환경친화적 냉방시스템이다. 흡착제와 냉매로서 실리카겔-물 또는 제올라이트-물을 사용하는 흡착식 냉동기가 일본, 독일, 미국 등에서 일부 상용화되어 있지만 부피가 크고, 초기 설치비용이 고가여서 많이 활용되지 못하고 있다. 본 연구에서는 현재 상용화 된 흡착제의 단점을 보안하고 장점을 증대 시킨 나노기술을 활용한 혁신적인 제올라이트 계 흡착제와 흡착탑의 열 및 물질전달 향상, 고효율 흡착 냉방 사이클을 연구하여 흡착식 냉방 시스템의 성능을 향상 시켰다. 또한 흡착제의 원가 절감과 질량 대비 흡착성능을 향상시키고자 하였으며, 제올라이트 계 흡착제의 비표면적은 496.80m2/g, 기공 부피는 P/P0가 0.99일 때 0.26cm3/g, 기공 크기는 2.09nm으로 분석 되었다. 제올라이트 계 흡착제를 사용한 흡착식 냉동기의 공정실험 결과는 흡착탑 온수의 온도가 85℃, 흡착탑 냉각수의 온도가 30℃ 일 때 SCP 값은 504.3 을 얻을 수 있었다. 또한 사이클 시간이 480초(흡착 사이클 4분, 탈착 사이클 4분)일 때 SCP는 221.3, 600초(흡착 사이클 5분, 탈착 사이클 5분)일 때 543.7, 720초(흡착 사이클 6분, 탈착 사이클 6분)일 때 372.5, 마지막으로 840초 (흡착 사이클 7분, 탈착 사이클 7분)일 때 204.1이 얻어졌다. 최고 효율의 사이클 시간은 약 600초이지만 최적의 운전 조건은 480초에서 720초 사이로 예측된다. 또한 냉각수의 온도는 30℃ 가 최대 수분 흡착량을 보기에 충분히 흡착식 냉동기에서 낮은 온도라는 것을 알 수 있었다.