2.1 실험장치

멤브레인 증발 냉각실험을 위한 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 실험 장치 구성 요소들의 세부 사항은 Table 1에 명시되어 있다. 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식을 Fig. 1(a)에 나타내었다. 공기가 들어가는 입구와 나오는 출구의 상대습도와 온도를 알기 위해 센서(OMEGA, Relative humidity/Temperature transmitter, HX15)를 설치하였다. 항온항습조(Constant humidity and temperature chamber)의 온도와 상대습도를 각각 27℃와 47%로 맞추었다. 기체의 순환 및 유량조절을 위해 20 LPM 이하에서는 낮은 유량의 다이어프램 공기펌프(Diaphragm pump, 3 KD, 0-18 LPM)를 사용하였으며, 20 LPM 이상에서는 높은 유량의 다이어프램 공기펌프(Diaphragm pump, 7 KQ, 0-62 LPM)를 사용하였다. 펌프출구 쪽에는 나오는 유량 측정을 위해 마노미터형 체적유량계(DWYER, 0-25 LPM)를 설치하여 실제로 실험부에 들어가는 공기의 유량을 측정하였다. 또한, 물 측의 온도변화를 측정하기 위해 입, 출구 및 세부분에 T형 열전대(T-type Thermocouple, OMEGA, 350℃) 3개를 설치하여 물의 변화하는 온도를 측정하였고, 위치는 Fig. 2에 나타내었다.

실리카겔이 없을 때의 진공 압력에 의한 증발 냉각방식은 Fig. 1(b)에 나타내었다. Fig. 1(a)와 마찬가지로 Fig. 1(b) 또한 물 측의 온도변화를 측정하기 위해 T형 열전대(T-type Thermocouple, OMEGA, 350℃) 3개를 설치하여 물의 변화하는 온도를 측정하였다. 실리카겔이 있을 때의 진공 압력에 의한 증발 냉각방식은 Fig. 1(c)에 나타내었다. 실리카겔(Silicagel blue, SAMCHUN, medium 5-10 mesh)과 진공펌프를 연결하여 시험부를 증발 냉각시켰다. 수분 흡수에 따른 실리카겔 색의 변화는 Fig. 3에 나타내었다. 각각의 센서에서 측정된 데이터는 DAQ(Data acquisition)장치에 수집되었다.

2.2 시험부

시험부의 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 멤브레인은 27 mm3의 정육면체 구멍이 380개가 뚫린 스틸 판(Steel mesh)으로 지지된다. 물 측은 증류수를 사용하였다. 실험에 사용한 ADVANTEC사의 PTFE소재의 flat 멤브레인은 소수성의 성질을 지닌다. 이 멤브레인의 기공(pore size)은 0.2 μm이다. 또한, 시험부에는 공기 측과 물 측을 고정시키기 위한 볼트구멍과 물의 누설을 방지하기 위한 오링 홈이 있다. 물 측의 단변 40 mm, 장변 150 mm 그리고 높이 10 mm이다.

공기 측은 단변 40 mm, 장변 150 mm이다. 스틸 판의 높이는 3 mm이며, 공기를 흘려보내주는 증발냉각 방식에서는 스틸 판을 제외한 높이로 7 mm와 0.5 mm가 사용되었다. 진공 압력을 잡아 물을 증발냉각 시키는 방식에는 스틸 판을 제외한 높이 0.5 mm가 사용되었다. 물 측의 온도변화를 측정하기 위해 T형 열전대(T-type Thermocouple, OMEGA, 350℃) 3개를 Fig. 2와 같이 설치하였다.

2.3 실험방법

실험은 일정한 온도와 상대습도가 유지되는 항온항습조(Constant humidity and temperature chamber) 내에서 진행하였다. 항온항습조의 세팅은 27℃, 47%로 하였다. 물 측의 초기 온도는 27℃로 세팅하고, 에어 펌프로 공기의 일정한 체적유량을 주었다. 멤브레인을 통해 물 측이 증발 냉각되어 더 이상의 온도하강이 없을 때를 정상상태라 가정하고, 2시간 동안 물의 온도를 측정하였다(Fig. 1(a) 참조). 그리고 증발 전․후의 시험부의 무게를 측정하여 증발된 물의 질량을 측정하였다. 물 측이 증발 냉각되어 온도 변화가 없는 온도까지 도달하는데 대략 4시간이 걸렸다. Fig. 1(b)는 진공 펌프로 1시간 동안 진공을 가하여 물 측의 증발 냉각되는 온도를 측정하였다. 또한, 물이 증발되는 양을 증발 전과 증발 후의 시험부의 무게를 측정하여 증발된 물의 질량을 파악하였다. Fig. 1(c)는 Fig. 1(b)와 마찬가지로 진공 펌프로 진공을 가하여 물 측의 증발 냉각되는 온도를 측정하였다. Fig. 1(c)는 같은 양의 실리카겔을 사용하여 1시간이 지날 때마다 시험부의 무게를 측정하여 증발된 물의 질량을 파악하였다. 총 3시간을 실험한 후 종료하였다. 또한, 에어 펌프와 진공 펌프의 입력 동력을 구하기 위해 Fluke 전류측정 테스터기를 이용하여 입력동력을 측정하였다.

4.1 공기 흐름에 따른 증발 냉각의 특성

공기 흐름에 따른 멤브레인의 증발 속도와 냉각열전달률의 변화에 대해 Fig. 4~Fig. 7에 나타내었다. 공기 유량계와 질량 측정기의 눈금오차를 반영하여 신뢰수준 95%로 측정값의 불확도를 계산한 결과, 공기 체적유량은 ±9.2×10-6 m3/s, 공기 측의 높이 h = 0.5 mm인 테스트 셀의 공기 속도는 ±0.1 m/s, 공기 측의 높이 h = 7 mm인 테스트 셀의 공기 속도는 ±0.02 m/s, 증발 속도는 ±4.16×10-10 m/s, 냉각열전달률은 ±6.09×10-3 W으로 계산되었다. 따라서 그래프들의 주된 오차의 원인은 x축의 측정 오차에 따른 것으로 볼 수 있다.

Fig. 4에서 같은 공기 체적유량에서 공기 측의 높이가 낮음에 따라 증발 속도가 커지는 것을 볼 수 있다. 공기 체적유량이 커짐에 따라 증발 속도의 차이도 커지는 것을 볼 수 있다. 공기 체적유량 2.5±10-4 m3/s(15 LPM) 에서는 공기 측의 높이 h = 0.5 mm인 테스트 셀의 증발 속도가 공기 측의 높이 h = 7 mm인 테스트 셀의 2.02배인 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5는 공기 속도에 따라 증발 속도를 나타내었고, 공기 측의 높이 h = 0.5 mm와 공기 측의 높이 h = 7 mm가 겹쳐지는 것을 확인하였다. 또한, 공기 측의 높이를 낮출수록, 높은 공기 체적유량을 불어넣어 줄수록 증발 속도가 크다는 것을 실험적으로 확인 할 수 있었다. 물론, 증발 속도가 채널의 공기 속도에 따라 결정이 되는지를 위 실험만으로 단정 지을 수는 없다. 다만, 이 부분은 추후 보다 더 심층적으로 연구해볼 필요가 있다.

Zhao et al.⁽⁵⁾은 SGMD(Sweeping Gas Membrane Distillation)의 물질 전달 현상에 대해 실험적으로 조사하였다. 이들은 공기 유량이 증가할수록 물질 전달 계수는 증가한다는 것을 확인하였다. Johnson et al.⁽⁶⁾은 fiber 형태의 멤브레인에서 증발 냉각에 대한 물질 전달 계수와 열전달 계수에 대해 실험적으로 조사․분석하였다. 이들은 물질 전달 계수와 열전달 계수는 Re수가 증가함에 따라 증가한다는 것을 보였다.

공기 흐름에 따른 멤브레인의 냉각열전달률의 변화를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 6은 Fig. 4와 유사하게 공기 체적유량이 커짐에 따라 냉각 열량의 차이가 커지는 것을 볼 수 있다. 공기 체적유량 2.5±10-4 m3/s (15 LPM)에서는 공기 측의 높이 h = 0.5 mm인 테스트 셀의 냉각 열량이 공기 측의 높이 h = 7 mm인 테스트 셀의 2.17배인 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 4와 Fig. 5의 기울기가 점차적으로 감소하였다. 이를 통하여 공기의 유량이 커지면, 증발에 대한 유량의 영향이 점차적으로 줄어드는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 공기 속도에 따라 냉각열전달률을 나타내었다. Fig. 7도 Fig. 5와 마찬가지로 두 그래프가 겹쳐지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 냉각열전달률 또한 공기 속도에 따라 변화한다는 것을 알 수 있다. 이는 공기 속도가 일정할 때, 공기 흐름에 따른 증발 속도와 냉각열전달률은 공기 측의 높이에 무관하다는 것을 의미한다.

Fig. 8은 공기 속도에 따른 공기 측 채널 내 압력 손실을 나타내었다. 공기 측 채널이 0.5 mm인 테스트 셀의 공기 속도가 공기 측 채널이 7 mm인 테스트 셀의 공기 속도의 약 4배 증가하였을 때, 공기 측 채널이 0.5 mm인 테스트 셀의 압력손실은 공기 측 채널이 7 mm인 테스트 셀의 압력손실의 약 600배 가까이 증가했다. Fig. 9는 압력손실에 따른 냉각열전달률을 나타내었다. 압력손실이 1~10 Pa 범위 내에서는 공기 측 채널이 0.5 mm인 테스트 셀보다 공기 측 채널이 7 mm인 테스트 셀에서 더 나은 냉각열전달률을 나타내는 것을 볼 수 있다. 이를 통하여 원하는 증발 냉각효과를 나타내기 위해서는 압력손실에 따른 적절한 공기 채널 높이의 설계가 필요하다는 것을 알 수 있다.

4.2 진공 압력에 따른 증발 냉각의 특성

진공 압력에 따른 증발 냉각에 대한 특성과 증발 냉각시의 실리카겔의 영향을 알아보기 위해 Fig. 1(b)와 (c)에 대한 실험 결과 값을 Fig. 10과 Fig. 11에 나타내었다. 또한, 실리카겔 제습 셀이 시간에 지남에 따라 수분을 흡수하면서 기존의 파란색에서 수분을 흡수한 빨간색으로 변하는 과정을 Fig. 3에 나타내었다. 이에 따라 육안으로도 실리카겔 제습 셀이 시간이 지남에 따라 포화되는 것을 확인할 수 있었다. 측정 불확도를 나타내기 위해 진공 펌프와 질량 측정기의 오차를 반영하여 신뢰수준 95%로 측정값의 불확도를 계산한 결과, 진공 압력은 ±13 Torr, 증발 속도는 ±8.33×10-10 m/s, 냉각열전달률은 ±1.22×10-2 W으로 계산되었다. 실리카겔의 시간에 따른 영향을 알아보기 위해 Fig. 1(c)의 한 케이스를 3시간 동안 실험을 수행했으며 1시간마다 시험부의 질량을 측정하여 증발 속도와 냉각열전달률을 계산하였다.

Fig. 10을 보면 진공 압력에서 실리카겔이 없는 상태에서의 증발 속도는 실리카겔이 있는 상태보다 작음을 알 수 있다. 또한, 실리카겔이 시간이 지남에 따라 포화되어 성능이 저하됨을 알 수 있다. 처음 1시간의 증발 속도가 가장 크고 그 후로 점차적으로 증발 속도가 줄어든다는 것을 알 수 있다. 실리카겔이 다 포화되면 실리카겔이 없는 상태와 같은 증발 속도가 될 것을 예상할 수 있다. 진공압력차(= 대기압$-$진공 압력)가 클수록 증발 속도가 크다. 또한, 실리카겔이 없는 상태의 20 Torr에서의 증발 속도는 실리카겔이 있는 상태의 처음 1시간 200 Torr에서보다 작다는 것을 알 수 있다. 이는 증발하는 측의 상대습도가 중요하다는 것을 의미한다. 진공압력차가 아무리 높아도 상대습도가 100%면 증발이 일어나지 않는다.

Fig. 11에는 진공 압력에 따른 냉각열전달률의 변화를 나타내었다. 냉각열전달률도 증발 속도와 마찬가지로 실리카겔이 있는 상태에서 냉각열전달률이 더 크다는 것을 알 수 있다. 진공압력차(= 대기압$-$진공 압력)가 클수록 냉각열전달률이 크다. 20 Torr에서 처음 1시간의 냉각열전달률은 실리카겔이 없는 상태의 냉각 열전달률보다 1.52배 더 크다는 것을 알 수 있다. 그러므로 진공 압력을 최대한으로 작게 하면서 실리카겔을 자주 교체해주거나 재생을 시켜준다면 높은 냉각 열량을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 12는 실리카겔이 있는 상태의 각 시간별 증발 속도를 실리카겔이 없는 상태의 증발 속도로 나눈 것에 대한 비율 그래프를 나타내었다. 진공 압력을 가해주면 실리카겔이 있는 시험부에서는 처음 1시간 20 Torr에서 실리카겔이 없는 시험부보다 1.52배 더 큰 증발 속도를 갖는다는 것을 볼 수 있다. 이는 실리카겔 제습 셀의 부가적 증발률이 진공펌프만을 돌렸을 때의 증발률의 약 50%정도가 된다는 것을 의미한다. 대기압과 비슷한 500 Torr에서는 실리카겔이 있는 시험부의 처음 1시간의 증발 속도가 실리카겔이 없는 시험부의 증발 속도에 비해 약 10배 정도 빠른 것을 알 수 있다.

이는 진공압력차(= 대기압$-$진공 압력)가 낮을 때에는 주로 실리카겔 제습 셀에서 일을 한다고 볼 수 있다. 또한, 진공 압력을 가하기 위해 사용한 진공 펌프의 소비 전력은 높다. 따라서 실리카겔과 같은 제습제를 사용하게 된다면 소비 전력을 낮춤으로써 증발 냉각 COP를 높일 수 있을 것이다.

고체 제습제(silica gel) 뿐만 아니라 액체 제습제(CaCl2, MgCl2)는 태양 에너지와 같은 신재생 에너지원을 사용할 수 있는 기회를 제공한다. Lefers et al.⁽⁷⁾는 VMD(Vacuum membrane distillation)를 이용하여 액체 제습제를 재생하였다.

4.3 공기 흐름에 따른 증발 냉각성능과 진공 압력에 따른 증발 냉각성능에 대한 비교

우선적으로 공기 흐름에 따른 증발 냉각성능과 진공 압력에 따른 증발 냉각성능을 비교해보기 위해 물 측의 온도변화에 대해 Fig. 13~Fig. 19에 나타내었다. 측정 불확도를 나타내기 위해 열전쌍의 센서 오차를 반영하여 신뢰수준 95%로 측정값의 불확도를 계산한 결과, 온도는 ±0.3℃로 계산되었다. 공기 흐름에 따른 증발 냉각에서는 약 2.5℃와 약 3.1℃의 온도 하강이 있었다. 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식에서는 공기를 불어넣으면 입구 측에서 들어온 공기의 대부분은 출구로 나간다. 따라서 공기 흐름에 의한 증발로 물 온도가 냉각되는 시간도 약 4시간으로 비교적 길었다. 진공 압력에 따른 증발 냉각에서는 약 5.4℃와 약 3.2℃의 온도 하강이 있었다. 또한, 진공 압력에 따른 증발 냉각에서는 물 측이 정상화되는 시간도 약 1시간으로 공기 흐름에 따른 증발 냉각과 비교해보았을 때 상당히 적게 걸린다는 이점 있었다.

Fig. 15~Fig. 18의 온도하강을 각각 비교해보면 진공도가 낮은 Fig. 15, Fig. 16에서 온도하강이 커진다는 것을 알 수 있다. 이는 20 Torr의 증발 속도가 150 Torr의 증발 속도보다 빠르므로 증발 속도가 빠른 20 Torr에서 더 낮은 온도까지 냉각된다는 것을 볼 수 있었다. 공기 흐름에 의한 증발 냉각에서는 공기 채널의 높이가 낮은 시험부의 온도 하강이 더 빠르고, 더 낮은 온도까지 냉각되는 것을 볼 수 있었다. 이 또한, 공기 흐름에 의한 증발 냉각에서 공기 채널의 높이가 낮을수록 증발 속도가 빠르기 때문이다.

Fig. 19는 T2에서의 온도 하강을 나타내었다. 공기 흐름에 의한 증발 냉각 시험부와 진공 압력에 의한 증발 냉각 시험부의 열전쌍 중에서는 T2의 온도가 가장 많은 차이를 보이는 것을 알 수 있었다. T2의 위치가 시험부의 중간이므로 전반적인 물의 온도를 나타낸다고 볼 수 있다. 실리카겔이 있는 진공 압력에 의한 증발 냉각은 실리카겔이 없는 진공 압력에 의한 증발 냉각보다 냉각되는 속도가 더 빨랐다. 이는 실리카겔이 있는 시험부에서의 증발 속도가 실리카겔이 없는 시험부보다 빠르기 때문이다.

Fig. 20은 공기 측의 높이 h = 0.5 mm 시험부의 공기 흐름에 따른 증발 속도와 실리카겔이 없는 상태의 진공 압력에 따른 증발 속도를 비교하였다. 위 그래프를 보면 동일한 증발 속도를 갖기 위해서는 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식에서는 약 3.77 m/s의 공기 속도가 필요하고, 진공 압력에 의한 증발 냉각방식에서는 약 220 Torr의 진공도가 필요하다는 것을 알 수 있다. 또한, 진공 압력에 의한 증발 냉각방식의 증발 속도는 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식의 증발 속도와 비교해보면 진공도가 낮아짐에 따라 더 큰 증발 속도를 갖는다.

Fig. 21~Fig. 22는 공기 흐름에 따른 증발 냉각성능과 진공 압력에 따른 증발 냉각성능을 비교하기 위해 성능 계수(COP)를 나타내었다. 진공 압력에 의한 증발 냉각방식에서는 입력 동력으로 100 W 소비전력의 진공 펌프가 사용이 된다. 그리고 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식에서는 입력 동력으로 1.92 W 소비전력의 공기 펌프가 사용되었다. 이에 따라 단일 셀인 시험부에서 진공 압력에 의한 증발 냉각방식의 COP 값이 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식에 비해 현저하게 낮은 것을 볼 수 있다. 진공 압력에 의한 증발 냉각방식에서 최대 COP 값은 0.13이지만 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식에서는 최대 2.80의 COP 값을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 COP를 고려해보았을 때, 효율적인 멤브레인 냉각시스템을 만들려면 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식이 더 효율적임을 알 수 있다.

또한, 진공 압력에 의한 증발 냉각방식을 이용하려면 물의 온도차를 통한 간접 냉각 방식을 이용해야 한다. 하지만 공기 흐름에 의한 증발 냉각방식은 입구 측에서 들어온 외기를 실내 측에 공급 공기로 직접 사용할 수 있으므로 직접 냉각 방식을 이용 할 수 있다. 이에 따라 설계적인 측면에서도 이점을 가질 수 있다.