2.1 초음파 미세분사가 적용된 액체식 제습 시스템

본 연구에서 제안한 초음파 미세분사형 LD 시스템 제습부는 Fig. 1(a)과 같다. 제안된 제습부는 크게 초음파를 통한 수용액 분사기, 공기 공급부, 수용액 배수부로 구성된다. 덥고 습한 공기는 공기 공급부에 포함된 팬에 의해 제습부 내부로 유입된다. 수용액은 초음파를 통한 수용액 분사기에 의해 미세한 방울 형태로 제습부에 분사되며 제습부 내부에서 공기와 수용액 사이의 열 및 물질 전달이 발생한다.

수용액의 미세 액적은 동일한 수용액 유량으로도 기존의 여재가 적용된 LD 시스템보다 열 및 물질 전달 면적을 증가시키고 제습 효율을 향상시키는 역할을 한다. 제습부 내부에서 제습 과정을 거친 공기는 비산을 방지하는 엘리미네이터를 거쳐 실내로 공급되고, 분사된 수용액은 중력에 의해 자연스럽게 제습부 하단, 즉 수용액 배수부로 모이게 된다. 성능 유지를 위해 제습 과정에서 묽어진 수용액은 재생 과정이 필요하며 수용액 배수부에서 재생기로 이동하여 동일 과정에 의해 재생되어 다시 제습부로 공급된다. 한편, 수용액의 온도, 액기비, 분사되는 수용액 미세 액적 크기 등 제습 성능에 영향을 미치는 다양한 요소가 있는데 시스템 운전 범위 및 조건에 따라 냉각 코일과 초음파 주파수 조절, 펌프 유량 조절을 통해 적절한 온도, 수용액 미세 액적 크기, 유량으로 공급될 수 있도록 제어한다.

2.2 여재가 적용된 액체식 제습 시스템

Fig. 1(b)은 기존의 여재가 적용된 LD 시스템 제습부를 나타낸다. 공기는 제안된 시스템과 동일하게 수용액과의 열 및 물질 전달에 의해 제습된다. 제안된 시스템과 기존 시스템의 주요한 차이점은 공기와 수용액 사이의 접촉 방식이며 제안된 시스템에서는 수용액을 미세하게 분사하여 열 및 물질 전달을 위한 충분한 접촉 면적을 확보할 수 있지만 기존 시스템에서는 여재에 의해 공기와 수용액이 접촉하게 된다. 일반적인 펌프와 노즐만으로는 분사되는 수용액 표면적이 제습 성능을 위한 충분한 면적을 제공할 수 없기 때문에 용액은 여재에 분사되고, 공기는 여재를 통과하며 확보된 접촉 면적을 통해 제습된다.

Fig. 1 Liquid desiccant system.

3.1 시뮬레이션 개요

본 연구에서는 여재가 적용된 기존 LD 시스템 대비 유사한 제습 성능을 달성할 수 있는 초음파 미세분사형 LD 시스템 제습부의 운전 조건을 제시하고 해당 조건에서 에너지 절감 가능성에 대해 시뮬레이션을 통해 분석하고자 한다. 시뮬레이션은 Table 1에 제시된 조건 하에서 수행되었으며, 제습부 유입 공기 온습도 조건은 에너지절약설계기준에 따른 설계용 외기 조건을 참고하였다. 일반적인 사무소 건물을 가정하여 풍량은 최소환기량으로 산정하였으며, 유입 수용액 온도 및 농도 조건은 기존 LD 시스템 제습부에서 사용하는 온도 및 농도인 20℃, 35%로 동일하게 가정하였다.⁽⁷⁾

본 연구에서 초음파 미세분사형 LD 시스템 제습부 운전 조건을 제시하기 위해 고려한 범위 역시 Table 1에 정리되었다. 초음파 미세분사형 제습부의 성능에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 변수는 분사되는 수용액 미세 액적의 크기와 액기비이며 초음파를 통해 만들 수 있는 미세 액적 크기를 고려하여 운전 범위를 가정하였다. 또한, 액기비는 선행 연구에서 해석된 범위를 고려하여 0.2에서 2까지 선정하였으며,⁽⁶⁾ 초음파 미세분사형 LD 시스템 제습부 운전 시 적정 미세 액적 크기와 액기비 조합을 도출하고 기존 LD 시스템 대비 에너지 절감 가능성에 대해 분석하였다.

3.2 제습부 해석

각 시스템의 제습부 성능은 식(1)~ 식(5)를 기반으로 한 수치해석으로 EES 프로그램을 통해 계산되었다. 제습부 토출 공기의 절대습도($w_{a}^{(i+1)}$)는 식(1)을 통해 예측할 수 있으며⁽⁸⁾ 열 및 물질전달의 정도를 나타내는 척도인 전달단위수(NTU)를 통해 계산된다. 특히, NTU는 제안된 미세분사형 LD 시스템과 기존의 여재가 적용된 LD 시스템의 운전 조건(e.g., 액기비, 미세 액적 크기), 제습부의 형태 및 크기 등에 의해 결정된다.

제습부 토출 공기의 절대습도가 계산된 이후, 식(2)를 통해 제습부를 통과한 이후 수용액 농도($x_{s}^{(i+1)}$)를 예측할 수 있다.⁽⁹⁾ 질량 보존 법칙에 의해 공기에서 수용액으로 제습량만큼 이동하며 공기의 질량 변화와 수용액 질량 변화가 동일하다는 가정 하에 수용액 질량 변화를 농도에 의한 식으로 표현할 수 있다. 제습부 통과 이후 수용액 질량($m_{s}^{(i+1)}$) 역시 질량 보존 방정식에 기반한 식(3)을 통해 예측할 수 있다.⁽⁹⁾

제습부 토출 공기의 엔탈피($h_{a}^{(i+1)}$)는 식(4)를 통해 계산할 수 있다.⁽⁸⁾ 절대습도를 계산하는 방식과 유사하게 NTU를 통해 계산할 수 있고, 물질 전달 NTU를 열 전달 NTU로 환산하기 위해 Le를 사용하였다. Le는 열 확산과 질량 확산의 비율이며 본 연구에서는 수용액과 공기의 열 및 물질 확산도를 통해 0.92로 계산되었다.⁽⁹⁾ 마지막으로 에너지 보존 방정식에 기반한 식(5)를 통해 제습부 통과 이후 수용액 엔탈피($h_{s}^{(i+1)}$)를 얻을 수 있다.⁽¹⁰⁾

최종적으로 제습부를 통과한 이후 공기의 온도는 식(1)과 식(4)를 통해 계산한 토출 공기의 절대습도와 엔탈피를 통해 계산할 수 있으며, 제습부 통과 이후 수용액 온도는 식(2)와 식(5)를 통해 얻은 수용액 농도와 엔탈피를 통해 예측할 수 있다.

3.3 전달단위수(NTU)

제습 성능에 가장 큰 영향을 미치는 NTU는 식(6)을 통해 계산되었다. NTU는 물질전달계수, 단위부피당 물질 전달 면적, 시스템 부피에 비례하고 공기 풍량에 반비례한다. 물질전달계수는 선행 연구에서 실험을 통해 제안된 물질전달계수 회귀식을 통해 0.01 kg/(m․s)로 가정되었으며⁽¹¹⁾ 단위부피당 물질 전달 면적은 각 시스템에 따라 식(7) 또는 식(8)에 의해 도출되었다.

식(7)은 제안된 초음파 미세분사형 LD 시스템 제습부의 물질 전달 면적을 계산하는 식이고, 식(8)은 기존 여재가 적용된 LD 시스템 제습부의 물질 전달 면적 계산을 위한 식이다. 식(7)에서 물질 전달 면적은 미세 분사된 수용액 표면적과 관련이 있으며, 수용액 유량, 밀도, 분사되는 액적 크기, 제습부 단면적, 공기와 수용액 사이의 상대 유속에 의해 계산된다.⁽⁸⁾ 식(8)에서 물질 전달 면적은 여재 형상에 크게 영향을 받는다. 여재 채널 간격, 두께, 각도를 통해 여재 표면적($a$)이 계산되고, 여재의 형상과 수용액 유속에 의해 계산된 효율을 곱하여 유효 물질 전달 면적을 도출한다.⁽⁴⁾

각 시스템의 물질 전달 면적 및 NTU 계산을 위한 제습부의 물리적 크기는 Table 2에 정리된 바와 같다. 제안된 시스템과 기존 시스템의 제습부 전체 크기와 엘리미네이터 크기는 동일하게 설정되었으며, 여재가 적용된 시스템의 여재 관련 수치는 선행 연구를 통해 가정되었다.⁽⁴⁾ 제안된 시스템에서 수용액 미세 액적이 제습부 내로 바로 분사되기 때문에 NTU 계산에 사용되는 부피는 제습부 전체의 부피를 의미하지만, 기존 시스템에서는 여재의 부피를 통해 NTU를 계산한다.

4.1 운전 조건에 따른 전달단위수

Fig. 2는 다양한 액기비와 수용액의 액적 크기에 따른 NTU를 의미한다. 특히 NTU는 유입 공기의 풍량, 물질전달계수, 수용액과 공기의 접촉 면적, 제습부 부피 등의 함수이며 물질전달계수와 접촉 면적, 부피에 비례하고 공기 풍량에 반비례한다.

Fig. 2 NTU of each L/G ratio and droplet size.

제안된 시스템에서 액기비 0.6일 때, 수용액 미세 액적 크기가 30, 50, 70, 100, 300 μm로 증가할수록 NTU는 8.4, 3.2, 1.7, 0.9, 0.1로 점점 감소한다. 동일 액기비, 즉 수용액 유량이 같을 때에는 미세 액적 크기가 작을수록 공기와 수용액 사이의 접촉 면적이 증가하기 때문에 액적 크기가 작을수록 NTU가 큰 것을 알 수 있다. 제안된 시스템에서는 0.6이 아닌 다른 액기비에서도 액적 크기가 작을수록 NTU가 큰 경향성을 보인다. 또한 액적 크기 50 μm에서 액기비가 0.2부터 2까지 증가할 때 NTU는 1.1부터 10.7까지 증가한다. 액기비가 증가할수록 수용액 유량이 많아지며 미세 액적의 표면적, 즉 접촉 면적이 증가하기 때문에 동일 액적 크기에서 액기비와 NTU는 비례 관계인 것을 나타낸다. 반면, 기존의 여재가 적용된 LD 시스템의 접촉 면적은 수용액 유량에 따라 크게 변화하지 않기 때문에 액기비에 따른 NTU가 큰 변화 없이 거의 일정한 것을 볼 수 있다.

4.2 운전 조건에 따른 토출 공기 절대습도

제습부 토출 공기의 절대습도는 Fig. 3에 나타나있다. NTU가 클수록 물질 이동량이 많기 때문에 제습이 활발히 이루어진다. 따라서 NTU가 큰 운전 조건일수록 제습이 더 많이 발생하며, 제습부 토출 공기의 절대습도는 낮아진다. 또한 NTU가 비슷한 조건에서는 유량이 많을수록 제습 과정 전과 후 수용액 농도 차이가 감소하기 때문에 상대적으로 높은 수용액 농도를 유지할 수 있어서 더 많은 제습량을 보인다.

액기비 0.6일 때, 기존 시스템은 제안된 시스템의 미세 액적 크기 70 μm와 유사한 NTU를 보인다. 미세 액적 크기가 70 μm보다 작은 경우는 높은 NTU, 큰 경우는 낮은 NTU를 보이며 제습부 토출 공기의 절대습도 역시 NTU가 가장 큰 30 μm의 액적 크기에서 가장 낮은 절대습도인 0.005 kg/kg을 보인다. NTU가 가장 작은 300 μm의 경우, 가장 높은 절대습도인 0.018 kg/kg, 기존 시스템과 유사한 70 μm의 경우에서는 약 0.008 kg/kg까지 공기의 제습이 이루어지는 것을 볼 수 있다. 최종적으로 액기비 0.4부터 0.6 사이의 범위에서는 50 μm 이하의 미세 액적으로 수용액을 분사한다면 기존 시스템보다 더 좋은 제습 성능을 보일 수 있으며, 액기비 0.8 이상에서는 70 μm의 미세 액적으로도 기존 시스템의 제습 성능을 충분히 만족할 수 있다.

Fig. 3 Outlet air humidity ratio of each L/G ratio and droplet size.

4.3 운전 조건에 따른 수용액 냉각 부하

각 운전 조건에 따른 제습 효율은 Fig. 4(a)에 나타난 바와 같다. 제습 효율 0.75를 달성하기 위해 액적 크기 30 μm에서 액기비 0.4 이상으로 운전해야 한다. 액적 크기 50 μm와 70 μm에서는 각각 0.5, 0.7 이상의 액기비로 운전해야 하며 100 μm의 액적 크기에서는 1.2보다 큰 액기비를 갖도록 운전하여야 한다. 액적 크기 300 μm의 조건에서는 0.2와 2 사이의 액기비로 제습 효율 0.75 달성이 어려우며, 기존의 여재를 사용하는 시스템에서는 0.6 이상의 액기비를 사용해야 제습 효율 0.75를 달성할 수 있다.

제습 효율 0.75를 달성하는 액기비와 액적 크기로 운전할 때 각 운전 조건별 1시간 동안의 수용액 냉각 부하는 Fig. 4(b)와 같다. 수용액 냉각 부하는 요구되는 수용액 유량에 비례하기 때문에 액기비가 가장 작게 운전이 가능한 액적 크기 30 μm 조건에서 가장 적은 냉각 부하가 요구된다. 반대로 유량이 가장 크게 운전되어야 하는 액적 크기 100 μm의 경우에 가장 많은 수용액 냉각 부하가 필요하다. 따라서 기존 시스템 대비 액기비가 적게 운전 가능한 30 μm와 50 μm의 경우에 각각 약 33%, 17% 수용액 냉각 부하를 절감할 수 있으며, 70 μm, 100 μm에서는 기존 시스템보다 많은 수용액 유량을 필요로 하기에 약 17%, 100% 많은 냉각 부하가 요구된다.

Fig. 4 Effectiveness and solution cooling load of each L/G ratio and droplet size.