Tech Story ▶ ▶ ▶  * 자료 : 한국과학기술정보연구원

세계적으로 에너지 소비의 증가는 에너지 자원의 고갈과 지구온난화와 같은 심각한 환경문제를 일으키고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 신재생에너지의 이용 확대, 폐열의 회수/이용, 에너지 절약 등은 피할 수 없다.

그런 가운데 오늘날 산업폐열, 태양열 등과 같이 이용되지 않고 환경으로 배출되는 막대한 양의 저온 에너지를 고온 에너지로 변화시켜 사용하는 방법이 이슈가 되고 있다. 그 대표적인 시스템인 히트 펌프인데, 흡착식 히트 펌프의 개발은 아직 초보단계에 있다. 본 내용에서는 흡착식 히트 펌프의 문제점과 해법을 살펴보도록 하겠다. 

<편집자 주>

1. 서론

오존층 보호를 위하여 냉동기술 분야에서는 생태학적 손상을 주지 않는 냉동시스템의 개발을 계속해야 한다. CFC(chlorofluorocarbon)및 HCFC(hydrochlorofluorocarbon)의 사용은 1988년에 협약된 Montreal 의정서의 오존층 보호를 고려한 새 환경규칙에 의해 금지되었다. 새 규칙에서는 재래의 증기압축 시스템의 냉매로서 HFC(hydrofluorocarbon)를 사용할 수 있도록 되어있다. 그러나 HFC도 온실가스 방출을 억제하기 위해 사용이 제한되고 있다.

히트 펌프에 관한 최근의 연구는 주로 높은 일차에너지 효율과 태양에너지 및 폐열과 같은 에너지를 사용할 수 있는 친환경적인 새로운 시스템의 개발에 초점을 두고 있다. 흡착식 히트 펌프(adsorption heat pump)는 태양에너지, 지열에너지 및 산업폐열과 같은 열원을 사용하여 가열과 냉각을 하는 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 이 형식의 히트 펌프의 또 다른 중요한 이점은 열에너지의 저장이 가능한 것이다.

2. 흡착식 히트 펌프 사이클

흡착식 히트 펌프의 기본적인 사이클은 흡착제(adsorbent)가 들어있는 흡착기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브로 구성되어 있고, 흡착제, 응축기 및 증발기 사이를 피흡작제(adsorbate)가 순환하면서 작동한다. 흡착식 히트 펌프에서 흡착현상은 기계적 동력의 역할과 같으며, 동작유체는 기계적 동력 없이 사이클에서 순환할 수 있다.

흡착식 히트 펌프는 두개의 분리된 사이클로 생각할 수 있다.

첫째 사이클은 히트펌프에 의해 동작유체가 저온 TL의 열원에서 열 QL을 취하여 증발기에서 증발되고, 중간온도 Ta의 열원으로 열 Qa를 방출하는 것이며, 이 사이클이 흡착과정이다.

두 번째 사이클은 히트 엔진에 의해 고온 Tz의 열원에서 열 Qz를 받아 두 번째 중간온도인 Tc의 열원으로 열 Qc를 방출하는 것이다. 응축기 내에서 동작유체의 응축 동안에 두 번째 중간온도 열원으로 열 Qc의 전달이 일어난다. 이 사이클이 탈착과정(desorption process)이다.

히트 엔진에서 얻은 열은 히트 펌프의 구동에 사용된다. 증간온도(Tc 및 Ta)는 서로 가까운 값이다. 여기서 흡착식 히트 펌프의 성능계수(COP; Coefficient of Performance)는 다음과 같다. 즉, 냉각에 대해서는 COPref=QL/Qz=[1-(Tc/Tz)]/[(Tc/TL)-1]이고, 가열에 대해서는 COPh=Qc/Qz=1 [1-(Tc/Tz)]/[(Tc/TL)-1]이다.

또한 이 펌프는 등량흡착 가열, 등압 탈착, 등량흡착 냉각 및 등압 흡착 네 단계로 구성된다. 여기서 흡착상(adsorbent bed), 응축기, 증발기를 환상으로 연결한 폐쇄 순환회로를 생각해보기로 한다. 그리고 흡착상 앞뒤에 밸브가 있고, 응축기와 증발기 사이에 팽창밸브가 설치되어 있다.

● 등량흡착 가열(isosteric heating)

흡착상, 응축기 및 증발기 사이의 밸브들은 닫힌다. 흡착상의 온도는 탈착 없이 흡착열의 가열로 상승한다. 여기서 가열량을 Qab로 한다.

● 등압탈착(isobaric desorption)

흡착상의 등량흡착 가열 후 가열과정은 계속된다. 흡착상과 응축기 간의 밸브는 열린다. 탈착과정이 시작되고 수증기가 응축기 내에서 응축된다. 사이클의 압력은 일정하게 유지된다. 흡착상으로 전달된 열은 흡착제-피흡착제 쌍(adsorbentadsorbate pair)과 흡착상의 온도를 증가시킨다. 여기서 가열된 열량을 Qbc로 한다.

● 등량흡착 냉각(isosteric cooling)

응축기와 흡착상간의 밸브는 닫히고 사이클의 최고 온도인 흡착상 온도는 감소된다. 과정 중의 압력과 흡착상의 온도는 증발기의 온도까지 감소된다. 여기서 냉각 열량을 Qcd로 한다.

● 등압흡착(isobaric adsorption)

흡착상과 증발기 사이의 밸브는 열리고, 증발기 내 피흡착제의 증발이 시작된다. 흡착제 내에서 피흡착제가 흡착되는 동안에 흡착열로 인하여 열이 방출된다. 발생된 열은 흡착상으로부터 제거되고, 흡착제-피흡착제 쌍과 용기의 온도는 감소된다. 증발열이 냉각효과를 일으키고, 응축열은 가열목적으로 사용할 수 있다. 여기서 방출된 열을 Qda로 Qda한다.

사이클의 냉각효과는 피흡착제가 환경으로부터 열을 얻어 증발하는 등압 흡착과정에서 일어난다. 가열효과는 피흡착제가 주변으로 열을 방출하는 응축등압 탈착과정에서 나타난다. 여기서 증발열을 Qe, 응축열을 Qc라고 하면 기본적인 흡착식 히트펌프의 냉각 및 가열의 COP는 다음과 같다. 즉, 냉각에 대해서는 COPref=Qe/(Qab Qbc), 가열에 대해서는 COPh=(Qc Qcd Qda)/(Qab Qbc)로 구해진다.

흡착식 히트 펌프의 COP는 흡착제-피흡착제 쌍으로서 탄소-메탄올을 사용하는 경우에 0.12~1.06 범위이며, 제올라이트-물의 경우는 0.28~1.4 범위이고, 실리카겔-물의 경우는 0.25~0.65 범위이다. 이에 비해 증기압축식 히트 펌프에서는 3~4 수준이고, 흡수식 히트 펌프에서는 메탄올-물을 사용하는 경우는 0.7~1.1 정도이다.

3. 흡착식 히트 펌프의 문제점과 해법

흡착식 히트 펌프의 어려움과 문제점은 사용 자체에서 찾을 수 있다. 고진공 하에서의 작동의 불연속성, 높은 수준의 운전기술, 그리고 열 및 물질 전달과 결합된 흡작상(吸着床)의 설계 등이 어려운 점이다. 흡착식 히트 펌프에 관한 연구는 재래식 히트 펌프를 기술적 및 경제적으로 대체할 수 있는 흡착식 히트 펌프 시스템을 개발하는 데 초점을 맞추고 있다.

연구의 목적은 다음과 같다. ▲계속적인 냉각 및 가열과정을 가질 것 ▲높은 COP 값을 가질 것 ▲저온 구동에너지로 운전할 수 있을 것 ▲제작 및 사용에 대한 실제적 설계가 있을 것 등이다.

또한 문헌조사에 근거하여 흡착식 히트 펌프에 관한 연구는 다음의 세 분야로 분류할 수 있다. ▲COP를 증가시키고, 저온 구동열원에서의 운전과 계속적인 냉각 및 가열과정을 마련하기 위한 신형 흡착식 히트 펌프의 개발, ▲흡착율을 증가시키고, COP를 향상시키며, 구동열원의 온도를 감소시킬 수 있는 새로운 흡수제-피흡수제 쌍의 개발, 또는 기존 쌍의 개선, ▲적절한 열 및 물질 전달을 가진 흡착상의 설계 등이다.

● 신형 흡착식 히트 펌프

COP 값을 증가시키고, 계속적인 냉각과 가열과정을 마련하기 위하여 흡착식 히트 펌프에 관한 많은 연구가 수행되었다. 문헌에서는 새로 개발된 시스템을 신형 흡착식 히트 펌프 사이클(advanced absorption heat pump cycles)이라고 부르고 있다. 냉각과 가열과정의 계속성은 일반적으로 흡수기 수의 증가에 의해 얻어지고 있다. COP 값의 증가는 또 다른 흡착 사이클에서 등량흡착 냉각과 등압 흡착 동안에 전달되는 열의 회수와 사용에 의해 얻고 있다.

① 균일 온도 흡착기 과정

이 시스템은 두개 이상의 흡착기로 구성되며, 같은 냉매와 단일 증발기 및 단일 응축기로 운전된다. 이 시스템에서 흡착기의 하나는 냉각과정 하에서 다른 흡착기에 의해 배출되는 열에 의해 예열된다. 흡착기 간의 열전달은 열전달 유체에 의해 이루어진다. 이 과정은 두 흡착기가 같은 온도에 도달할 때까지 계속된다.

열 회수기간이 끝난 후에 하나의 흡착기는 외부 열원에 의해 가열되고 다른 흡착기는 외부 열흡수원(heat sink)에 의해 냉각된다. 각 흡착기는 기본적인 흡착식 히트 펌프 사이클에 정확히 따른다고 하여도 전체 시스템에 공급되는 열은 감소된다. 이 신형 사이클에서는 COP 값이 50% 이상 향상되었다.

Dous 및 Meunier는 또 다른 대체 흡착식 히트 펌프 사이클을 제안하였다. 이 사이클은 두 개의 사이클, 즉 고온 단에서의 제올라이트-물 사이클과 저온 단에서의 활성탄소-메탄올 사이클로 구성되어 있다. 등량흡착 가열 및 등압 탈착과정을 위하여 활성 탄소-메탄올 사이클로 전달되어야 할 열이 제올라이트-물 사이클로부터 완전히 얻어졌다. 제올라이트-물 사이클에 대한 구동에너지는 외부 열원으로부터 공급되었다. 냉각에 대한 실험적 COP 값으로는 1.08이 얻어졌다.

② 열파 과정(thermal wave process)

이 시스템은 둘 이상의 흡착기와 하나의 응축기 및 하나의 증발기로 구성되어 있다. 여기서는 사이클이 흡착기 1 및 흡착기 2로 구성되어 있으며, 열전달유체가 두 흡착기 사이를 순환한다. 흡착기 1이 냉각 하에 있을 때 흡착기 2는 가열과정에 있으며, 그 역의 과정도 가능하다.

흡착기 1에서 회수된 열은 열전달유체로 전달된다. 유체의 가열은 가열시스템에 의해 탈착온도까지 계속되며, 등압 탈착과정을 위해 흡착기 2로 공급된다. 열전달 유체가 흡착기 2를 떠난 후에 흡착기 1로 공급되어 냉각기에 의해 냉각된다. 이로서 열전달 유체는 시스템의 사이클을 완성하게 된다. 역의 과정을 위해 열전달 유체의 유동방향을 바꾸는 데에는 가역펌프가 사용된다.

Saha 등 및 Hamamoto 등은 사이클에서 두 흡착기를 추가한 신형 2단 흡착식 히트 펌프 사이클과 향상된 열파 과정을 연구하였다.

그들은 흡착기 간에 요구되는 흡착제 질량을 배당하여 2단 흡착식 히트 펌프의 냉각 용량을 향상시킬 수 있었다. 이 향상된 2단 흡착식 히트 펌프의 주요 장점은 구동열원으로서 저온의 태양열/폐열을 사용할 수 있다는 점이다.

● 흡착제-피흡착제 쌍

흡착제-피흡착제 쌍은 흡착식 히트 펌프 시스템의 중요한 부분의 하나이다. 피흡착제의 주요 요건은 작동조건에서 높은 잠열, 비부식성, 비독성, 그리고 열적 및 화학적 안정성이 좋아야 하는 것이다. 또한 흡착제는 높은 흡착용량, 높은 열전도율, 낮은 비용 및 열적 안정성을 가져야 한다. 제올라이트-물, 활성탄소-메탄올, 실리카겔-물 및 탄소-암모니아 등은 흡착식 히트 펌프에서 사용되고 있는 일반적인 흡착제-피흡착제 쌍이다.

흡착제-피흡착제 쌍을 선정하는 중요한 기준은 고체 흡착제와 증기 피흡착제 간의 상호작용 형식이다. 흡착제와 피흡착제 간의 상호작용을 흡착이라 부른다. 흡착과정에서 피흡착제는 van der Waals 힘과 수소 결합력을 포함한 응집력이 흡착제의 고체표면에서 작용한다. 물리적 및 화학적 흡착이라고 부르는 두 가지 형의 흡착이 있다. 물리적 흡착은 van der Waals 힘에 의해 일어나고, 화학적 결합과 관련된다.

흡착식 히트 펌프에서 흡착과 탈착과정은 같은 사이클을 반복하기 위해 가역적(可逆的)이어야 한다. 그러므로 흡착제와 피흡착제 간의 상호작용은 물리적 흡착이어야 한다. 흡착제-피흡착제 쌍의 선정에서 가장 중요한 파라미터인 흡착용량 뿐만 아니라 운전온도 범위, 가역성과 같은 기타 성질과 비용도 고려해야 한다.

많은 흡착제-피흡착제 쌍에 대하여 흡착식 히트 펌프 사이클은 고 진공 하에서 운전한다. 높은 진공에서 장시간 운전압력을 유지해야 하는 어려움이 있다. 높은 진공기술과 흡착식 히트 펌프의 비용을 증가시키는 특별한 재료와 무거운 용기 등이 요구된다. 어떤 연구에서는 중간정도의 증발, 또는 응축 압력에서 운전할 수 있는 시스템을 얻어 수행하고 있다.

Wang 및 Zhu는 NH2 및 H2O의 두 작동유체로 운전되는 혁신적인 흡착식 히트펌프를 제안하였다. 여기서 제올라이트-물 시스템의 운전압력은 낮으며, 사이클에서 고 진공이 요구된다. 그러나 암모니아(NH2)-제올라이트 사이클은 대기압보다 4~11배 높은 압력에서 운전된다. 여기서 암모니아와 물을 적절히 혼합하여 사용하면 대기압에 가까운 압력에서 운전할 수 있다. 이 제안으로 고진공 하에서 작동되어야 하는 흡착식 히트 펌프의 문제점을 해결할 수 있었다.

● 흡착상의 설계

흡착상(adsorbent bed)의 설계는 흡착식 히트 펌프의 또 다른 어려움의 하나이다. 흡착상은 열 및 물질 전달을 제어하기 위한 특별한 설계가 필요하다. 이론적인 연구는 열 및 물질전달 운동학이 흡착식 히트펌프의 성능에 미치는 영향을 제시해주고 있다. 흡착제의 열전도율은 일반적으로 낮기 때문에 열은 흡착상을 통하여 서서히 전달되며, 흡착과 탈착과정의 시간은 길어진다.

물질전달은 흡착상과 흡착제를 지나는 피흡착제 유동에 의존한다. 흡착상 내 온도와 농도를 계산하기 위해서는 열 및 물질전달 방정식을 흡착기에 대해 풀어야 하며, 열 및 물질의 수송에 대한 두 지배방정식을 세우고 동시에 풀어야 한다. 그 결과로부터 주어진 기간의 흡착용량을 추정하는 흡착상 설계에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다.

① 비피복형(非被覆型) 흡착기

이 형의 흡착상에서는 일반적으로 펠릿(pellet), 입자, 또는 섬유 흡착제가 사용된다. 흡착제는 처리하지 않고 제조자로부터 받은 대로 사용된다. 그러나 흡착제를 특정의 모양으로 형성한 연구도 있다.

피흡착제는 펠릿 또는 입자 사이의 빈 공간(void) 내를 이동하여 흡착제 내로 흡착된다.

흡착상의 공극률에 근거하여 펠릿 사이의 피흡착제의 대류 및 확산을 고려하거나 무시할 수 있다. 흡착상 내 열전달율을 증가시키기 위해 핀(fin)을 사용할 수 있다. 그러나 흡착상을 통한 물질전달은 흡착상 내 빈 공간의 발생에 의해 향상시킬 수 있다.

Saha 등은 흡착제로서 활성탄소섬유를 사용하였다. 활성탄소섬유는 전체 기공체적, 표면적 및 흡착용량이 실리카겔 입자보다 크다. 또한 활성 탄소섬유는 흡착/탈착 이력현상(hysteresis)이 없다.

Critoph 등은 모놀리식 탄소 적층판과 알루미늄 핀으로 구성된 고속 사이클 냉동기의 원형을 개발하였다. 모놀리식 탄소는 유기 접합제와 혼합하여 압축하고 소성되었다.

② 피복형 흡착기

이 형식의 흡착기는 흡착제가 파이프, 핀 또는 금속 거품 주위에 피복되어 있으며, 흡착상은 고속의 열 및 물질 전달을 일으킨다.

Restuccia 등은 SWS-1L(메조포러스 실리카겔 내에 CaCl2) 흡착제를 핀이 달린 튜브에 피복하여 흡착상을 설계하였다. 시스템의 사이클 시간은 20~40분이고 냉각 COP 값은 0.17~0.48 범위였다.

4. 결론

흡착식 히트 펌프는 환경에 대해 해로운 물질을 가지고 있지 않으므로 기계식 히트 펌프의 진정한 대체물이다. 연구결과는 흡착식 히트 펌프가 흡수식 및 증기압축식 히트 펌프와 같은 재래식 시스템과 경쟁할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 알려준다. 흡착식 히트 펌프의 장점 중 하나는 폐열과 같은 열원을 이용하여 운전할 수 있다는 점이다.

흡착식 히트 펌프의 COP는 다른 재래식 히트 펌프에 비해 높지 않다.

흡착식 히트 펌프는 설계와 제작에서 누설, 고 진공, 물질과 열전달이 빈약하다는 등의 문제점을 가지고 있다. 그러나 이들 문제점들을 제거하고 COP를 향상시킬 수 있는 혁신적인 설계와 사이클을 개발하기 위해 많은 연구들이 수행되고 있다. 또한 흡착상에 대한 새로운 설계가 시스템 효율에 직접 영향을 주는 열 및 물질전달을 증가시키기 위해 개발되고 있다.

5. 전문가 제언

세계적으로 에너지 소비의 증가는 에너지 자원의 고갈과 지구온난화와 같은 심각한 환경문제를 일으키고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 신재생에너지의 이용 확대, 폐열의 회수/이용, 에너지 절약 등은 피할 수 없다. 오늘날 산업폐열, 태양열 등과 같이 이용되지 않고 환경으로 배출되는 저온 에너지의 양은 막대하다. 이들 저온 열원은 고온 에너지로 변화시켜 사용할 수 있다. 히트 펌프는 그러한 목적을 달성시켜줄 수 있는 시스템이다.

히트 펌프에는 여러 가지 형식이 있다. 가장 널리 사용되고 있는 형식은 기계식 히트 펌프이다. 그러나 기계식 히트 펌프에서 사용되는 냉매는 환경에 해를 줄 수 있는 물질이기 때문에 앞으로 개량해야 하는 문제가 있다. 대규모 산업용으로 많이 사용되는 흡수식 히트 펌프는 시스템 부품 간의 압력변화가 심하여 높은 운전비와 보수유지의 문제가 있다. 이들 결점을 보완할 수 있는 히트 펌프의 형식으로는 흡착식 히트펌프가 제안되고 있다.