The performance improvement and dynamic behavior of steam generation heat pump

Abstract

지구 온난화로 인한 국제적인 환경 협약으로 인해 에너지 소비량의 저감이 필요한 시점이다. 이 중 제조업 중심 국가일수록 산업 부문이 에너지 소비량의 큰 비중을 차지하며, 그 중에서도 스팀 생산이 큰 비중을 차지한다. 스팀 생산과 동시에 방류 전 냉각이 필요한 미 활용 열 또한 회수할 수 있는 수단으로써 히트 펌프를 도입하는 것이 최근 고려되고 있다. 임계 온도가 높은 신 냉매들의 등장으로 기존의 산업용, 가정용 온수 생산을 넘어 스팀 생산이 가능해졌기 때문이다. 히트 펌프는 초기 투입된 연료 에너지에 대비하여 많은 열 생산 및 저온 열원의 회수가 가능하다. 하지만 100도 이상의 고온부를 가져 스팀을 만들 수 있는 히트 펌프에 대한 연구는 현재까지 많이 진행되어 있지 않은 상황이다. 기존의 연구들은 높은 온도에서 작동 가능한 냉매의 종류 탐색과 시스템 구성 간의 비교 연구 등이 진행되었다. 시스템 구성으로는 내부 열교환기의 적용이 높은 성능을 보이고 있다. 하지만, 내부 열교환기의 구성의 변경에 대한 연구와, 실제 스팀을 만들기 위한 플래시탱크가 접목된 연구는 제한적이다. 이에 따라 본 연구에서는 스팀 생산 히트 펌프의 일반적으로 예상되는 운전 조건을 고려하여, 에너지 효율을 높이는 방향으로 설계 및 동적 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 해석적 연구를 실험에 선행하여 내부 열교환기의 구성 변경을 모사할 방안을 탐색하고, 실험적 연구를 진행하였다. 실험을 통하여 스팀 생산 히트 펌프의 성능 향상의 방향을 제시하였고, 각 제어 변수와 온도와 유체 유량이 난방 용량 및 성능 계수에 미치는 영향을 분석하였다. 히트 펌프에 바이패스 배관을 이용하여 내부 열교환기의 유량을 변경시켰고, 구성요소 별 열 용량 및 냉매 질량유량이 변경되는 것을 관찰하였다. 이는 팽창밸브 외에도 증발 압력과 냉매 질량유량을 변경할 한 수단이 될 수 있으며, 후 스팀 수요의 변경에 따라 히트펌프의 거동을 변경하게 되어 에너지 소비의 저감을 이룰 것이 기대된다. 또한 기존에 대기압에서도 가능하던 온수 생산과 달리, 증기의 생산을 위해서는 물의 상을 분리하는 고압의 플래시 탱크가 도입되는데, 스팀의 생산량과 탱크의 압력이 히트 펌프의 거동에도 밀접하게 영향을 미치게 된다. 장치의 시동 과정에서 투입되는 물의 온도가 열원 온도보다 상승하기까지, 물이 끓기 시작하기까지, 플래시 탱크의 압력이 일정해지기까지의 거동 별로 그 특성이 모두 다르다. 이에 따라 본 연구에서는 시동 조건에서 히트 펌프가 고려된 플래시 탱크의 동적 특성 변화를 해석적으로 연구하여 모델을 제시하였고, 이를 실험 결과와 대비하였다. 이와 같은 연구를 통해 추후 플래시 탱크가 연동된 고온의 스팀 생산 히트 펌프의 연구에서 거동을 해석함에 도움이 될 것으로 기대되며, 에너지 소비의 저감을 이룰 것이 기대된다.

Recently, reduction of energy consumption is required by international environmental regulation due to global warming. The industrial sector accounts for a large share of energy consumption in the case of manufacturing-oriented countries, and industrial heat generation is especially important. The introduction of the heat pump is considered as a means of steam generation and recovering unutilized heat, which requires cooling before discharging. New refrigerants with high critical temperature made it possible to generate steam beyond hot water production. Heat pumps are capable of more heat generation and recovery of low-temperature heat source from the same primary energy than conventional boilers. However, studies on heat pumps capable of making steam with a high temperature over 100 degrees is in early stage. Existing studies have searched for the types of refrigerants that can operate at high temperatures and compared the system configurations. As a system configuration, the application of an internal heat exchanger shows high performance. However, the study of the change of the configuration of the internal heat exchanger and the study of the combination of the flash tank are limited. Therefore, in this study, the design and dynamic characteristics of the steam generation heat pump were considered in generally expected operating conditions. For this purpose, an analytical study was conducted prior to the experimental study, and a method to simulate the change of the configuration of the internal heat exchanger was explored and an experimental study was conducted. Through experiments, the direction of the performance improvement of the steam production heat pump was suggested, and the influence of each control variable on the heating capacity and system performance was analyzed. Bypass line was used to change the mass flow rate of the internal heat exchanger, and the change of heat capacity and the total mass flow rate were observed. This method can change the evaporating pressure and the refrigerant mass flow rate in addition to the expansion valve. In addition, unlike hot water generation, which was previously possible at atmospheric pressure, the generation of steam and the pressure of the tank have a close influence on the behavior of the heat pump. Also, the system characteristics differ from each start-up stage. Therefore, in this study, a dynamic model was proposed by analyzing the transient-state characteristics change of flash tank considering heat pump under start-up condition and verified with the experimental results. Such a study is expected to be helpful in analyzing the behavior in the study of a steam generation heat pump with a flash tank, and is expected to reduce energy consumption in industrial field.