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1. 서 론

액체식 제습 시스템은 수분 친화력을 갖는 액체 제습제를 이용하여 고온 다습한 습공기에서 수분을 선별적으로 제거할 수 있는 기기이다. 자연냉매인 공기와 액체제습제를 작동유체로 사용하기 때문에 기존에 사용되고 있는 증기 압축식을 이용한 냉각제습에 비하여 지구온난화 등과 같은 환경문제에도 적극적인 대응이 가능하다. 또한, 시스템은 습공기의 잠열 부하를 효과적이고 독립적으로 제어할 수 있으며, 재생 열원으로 태양열이나 폐열 등 신재생에너지를 사용할 수 있는 장점이 있다.(1~3) 이러한 장점들로 인하여 최근 액체식 제습 시스템에 관한 연구 및 개발이 늘어나는 추세에 있다.

기존의 연구결과를 살펴보면, Liu et al.⁽²⁾은 액체 제습기에서의 대향류 유동에 관한 제습효율 등에 대한 일반적인 상관관계 제시하고 실험결과와 비교하였다. Gao et al.⁽³⁾은 공기 및 용액을 변수로 한 엔탈피 및 제습효율에 대하여 실험적으로 상관식과 실험을 통한 제습기의 성능향상 방안을 제시하였다. Moon et al.⁽⁴⁾은 제습효율을 산출하고 Liu et al.⁽⁵⁾ 및 Chung⁽⁶⁾이 제시한 상관식과 비교하였으며, 제시된 두 가지 상관식과 일치하지 않음을 발견하였다. Chung et al.⁽⁷⁾은 레이놀즈 수 및 프란틀 수와 레이놀즈 수 및 슈미트 수를 이용하여 열 및 물질전달 계수에 대한 상관식을 개발함에 있어 변수로 수공비(액체 제습제 및 처리공기의 유량비) 및 용액의 농도를 이용하였다. 그리고 실험적으로 제시한 상관식과 이전에 다른 연구자들이 제시한 상관식과 ±10% 이내에서 일치함을 알 수 있었다. 이와 같이 많은 연구가 수행되고 있지만을 대부분 연구를 목적으로 하고 있어 실제 사용된 사례는 부족한 실정이다.^(8,9) 따라서 본 연구에서는 액체식 제습 시스템 개발을 위하여 충전탑식 액체 제습기의 제습 성능을 확인하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 실험변수는 처리공기의 입구온도, 상대습도 및 풍속을 선정하였으며, 이에 따른 제습성능(열전달률 및 제습효율)에 영향이 있는 인자 등의 효과를 분석하고 제습률에 상관관계와 경향을 확인하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 액체 제습제는 가장 널리 사용되고 있는 LiCl(lithium chloride) 수용액 사용하였다.

2. 충전탑식 액체제습기

2.1 액체식 제습 시스템

Fig. 1에 본 연구의 대상으로 하고 있는 일반적인 충전탑식 액체 제습 시스템의 개략도를 나타내었다. 충전탑식 액체 제습 시스템은 크게 제습부, 재생부로 구분된다. 제습부에서는 유입된 습한 공기 중에 수분을 제거되는 부분이다. 제습 과정에서 수분을 흡수하여 농도가 묽어진 액체 제습제는 용액 열교환기를 거친 후 재생부로 보내지게 되고 외부 또는 실내공기와 열 및 물질전달을 통하여 수분이 제거된 후 다시 농도가 짙어져 제습부로 보내진다. 액체제습제의 제습 및 재생과정을 위해서 제습부로 유입되는 액체제습제에는 냉각과정을 재생부에서는 가열과정을 필요로 한다. 냉각열원으로는 냉각탑 및 지열 등을 활용할 수 있으며, 가열열원으로 공장폐열 및 태양열 등이 이용될 수 있다. 액체 제습제는 일반적으로 온도가 낮을 경우 수증기 분압이 낮아져 수분을 흡수하기 용이하게 되고 온도가 높은 경우 재생이 용이한 상태가 된다. 또한 시스템의 효율을 높이기 위하여 용액 열교환기 등이 추가적으로 설치할 수 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of liquid desiccant dehumidification system.

3. 실험장치 및 방법

본 연구에서는 충전탑식 액체제습기의 열 및 물질전달 성능을 알아보기 위해 실험장치를 제작하였으며, 이를 Fig. 2에 나타내었다. 실험장치는 처리공기의 온 · 습도 조절하기 위한 항온항습기, 풍량 측정을 위한 풍량측정기와 LiCl 수용액의 순환배관 등으로 구성되어 있다. 그 외 LiCl 수용액의 재생에는 별도의 장치를 사용하였다. 재생장치는 제습 실험 이후 수분을 흡수하여 농도가 옅어진 LiCl 수용액을 가열 및 재생과정을 통하여 농도가 짙은 LiCl 수용액을 만드는 역할을 한다. 본 실험에서는 LiCl 수용액의 농도를 일정하게 연속적으로 유지하기 위하여 공급수조에 농도가 일정한 LiCl 수용액을 준비한 후 한 번의 실험을 수행하는 방법을 채택하였다. 그리고 처리공기의 경우 항온항습기에 온 · 습도 조건을 일정하게 유지한 후 실험에 이용하고 실험부 이후 설치된 풍량 측정장치에서 풍량을 측정한 후 다시 항온항습기를 유입되도록 구성하였다.

실험장치 각부의 온도는 측온저항계인 RTD(Pt-100Ω)센서를 이용하였으며 습도의 경우 시험부 입구에서는 습도센서 및 온도센서, 시험부 출구에서의 습도는 건구·습구 온도를 기준으로 측정하였다. LiCl 수용액의 농도는 매스플라스크(measuring flask) 및 정밀저울을 이용한 중량법을 적용하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of experimental setup.

4. 데이터처리

식(1) ~ (7)은 실험데이터 처리를 위한 수식이다. 처리공기의 열전달률은 건공기유량($\dot{m}_{da}$)과 입·출구의 습공기 엔탈피($h_{a,\: "i",\: }h_{a,\: o}$)를 기준으로 계산하였으며, 식(1)과 같다. 이중 건공기유량은 식(2)와 같이 입·출구의 절대습도를 기준으로 계산할 수 있다. LiCl 수용액의 열전달률($Q_{s}$)은 식(3)과 같이 입·출구 질량유량($\dot{m}_{s,\: o}$, $\dot{m}_{s,\: "i"}$) 및 엔탈피($h_{s,\: i}$, $h_{s,\: o}$)를 기준으로 계산하였다. 식(4) 및 (5)는 처리공기의 제습률($\dot{m}_{deh}$) 및 LiCl 수용액의 출구 질량유량($\dot{m}_{s,\: o}$)을 계산한 수식이다. 액체 제습제의 출구유량($\dot{m}_{s,\: o}$)은 처리공기의 제습률($\dot{m}_{deh}$)과 LiCl 수용액의 입구유량($\dot{m}_{s,\: "i"}$)의 합으로 계산하였다.

식(6) 및 (7)은 제습효율($\eta_{deh}$)을 계산하기 위한 수식들이다. 제습효율은 식(6)에 나타낸 바와 같이 처리공기 및 LiCl 수용액의 평형 절대습도($\omega_{eq}$)를 기준으로 계산할 수 있다. LiCl 수용액의 평형 절대습도는 식(7)에 나타낸 바와 같이 실험부로 유입되는 LiCl 수용액의 수증기 분압으로 기준으로 계산하였다.

Table 3은 데이터 측정에 사용된 센서 및 주요 실험결과($Q_{a}$, $\dot{m}_{deh}$ )의 불확도(uncertainty)를 나타낸 표이다. 주요 실험결과의 불확도는 실험장치 각부에서 측정에 사용된 온도, 상대습도 및 질량유량 센서의 정밀도를 기준으로 하는 A형 불확도를 기준으로 한 합성불확도($U_{c}$)이다. 이를 보면 처리공기의 열전달률의 경우 10.65%, 제습량은 3.58%의 불확도를 나타난다.

5. 결과 및 고찰

Fig. 3은 처리공기 및 LiCl 수용액의 열 및 물질전달이 포함된 열전달률을 비교한 그림이다. 대부분의 실험결과에서 ±30% 이내에서 일치하는 결과를 나타내고 있다. 그리고 대부분 LiCl 수용액에 비하여 처리공기의 경우 다소 낮게 측정되었다. 이는 용액의 흐름 등을 관찰하기 위하여 설치한 덕트와 일부 배관의 단열손실에 의한 것으로 판단된다. 하지만 성능분석에는 크게 영향이 없을 것으로 판단되며, 이후 열전달률은 처리공기를 기준으로 분석을 수행하였다. 성능평가를 통하여 수집된 데이터는 상용 통계프로그램 중 하나인 Design Expert 10.x를 이용하여 분석을 수행하였다.

Fig. 4 ~ Fig. 8은 본 연구에서 수행된 처리공기의 주요결과의 경향을 나타낸 3D 등고선도(3D contour plot)이다. 3D 등고선도는 실험조건에 따른 목적값의 경향을 3D로 나타내 주는 그림이다.

Fig. 4는 처리공기의 입구온도 및 풍속변화에 따른 열전달률을 나타낸 그림이다. 이때 상대습도는 조건별 유사한 경향을 나타내어서 중간값인 60%로 고정하였다. 이를 보면 처리공기의 온도 및 풍속이 증가함에 따라 열전달율이 증가되는 경향을 보인다. 그래프의 기울기로 보면 열전달률은 풍속의 변화보다 입구공기온도가 커짐에 따라 비교적 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 이는 풍량이 같을 때 처리공기의 입구온도에 따른 수증기분압의 변화가 상대습도보다 크기 때문으로 판단된다. 전체 실험범위에서 처리공기의 열전달률은 0.28 ~ 1.28 kW의 범위를 나타내었다.

Fig. 5 및 6은 처리공기 입구온도 및 풍속변화에 따른 제습률의 경향을 나타낸 3D 등고선도이다. 이중 Fig. 5는 상대습도 50%일 경우이며, Fig. 6은 상대습도 70%일 때를 기준으로 하였다. 제습률은 앞서 Fig. 4에 나타낸 열전달률과 유사한 경향을 나타내고 있으며, 이는 LiCl 수용액과 처리공기의 수증기 분압차에 의한 결과로 판단된다. 전체 실험범위에서의 제습률은 18.7 ~ 34.8 g/min의 범위를 나타내었다.

Fig. 7은 처리공기 풍속 및 입구온도변화에 따른 처리공기의 입·출구 온도차를 나타낸 3D 등고선도이다. 이는 LiCl 수용액이 25℃로 동일하게 공급될 때 제습과정에서 처리공기의 온도변화를 확인하기 위하여 수행하였다. 이를 보면 온도차는 처리공기의 입구온도가 높고 풍속이 느릴수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 제습의 경우 처리공기와 액체제습제인 LiCl 수용액의 수증기 분압차에 의하여 물질전달이 이루어지지만 두 유체의 온도차에 의해서 열전달도 일부 발생할 수 있음을 의미한다. 전체 실험범위에서 온도차는 최대 3.7℃로 나타난다.

Fig. 8은 처리공기 풍속 및 입구온도변화에 따른 제습효율의 경향을 나타낸 3D등고선도이다. 이때 상대습도는 60%를 기준으로 하였다. 이를 보면 제습효율은 처리공기 입구온도 낮아지고 풍속이 감소할수록 증가되는 경향을 갖는 것으로 나타난다. 또한 그래프의 기울기를 보면 처리공기 입구온도에 비하여 풍속의 영향이 다소 높은 것을 알 수 있다. 전체 실험범위에서의 제습효율은 25 ~ 39%의 범위를 나타내었다.

Fig. 9는 처리공기 및 LiCl 수용액의 수증기 분압차에 따른 제습률을 나타낸 그래프이다. 처리공기의 풍속에 따른 영향을 고려하여 풍속별 분리하여 나타내었으며, 잘 일치하는 결과를 보였다. 이를 보면 액체 제습제를 이용한 제습과정에서의 제습률은 두 유체간의 수증기 분압차 및 풍속에 의한 것임을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 향후 제습기 설계에 활용할 수 있도록 통계분석을 통하여 수증기 분압차와 처리공기의 속도를 인자로 하는 제습률 상관식을 도출하였으며, 이를 식(8)에 나타내었다. 또한 Fig. 10에 제시된 상관식으로 예측된 제습률과 실험결과를 비교한 그래프를 나타내었다. 제시된 상관식의 정확도는 ±15%이다.

Fig. 3 Energy balance $Q_{a}$ vs $Q_{s}$.

Fig. 4 3D Contour plot of $Q_{a}$(RH 60%),

Fig. 5 3D Contour plot of $\dot{m}_{deh}$(RH 50%).

Fig. 6 3D Contour plot of $\dot{m}_{deh}$(RH 70%).

Fig. 7 3D Contour plot of dT($T_{a,\: i}$-$T_{a,\: o}$)(RH 60%).

Fig. 8 3D Contour plot of $\eta_{deh}$(RH 60%).

Fig. 9 Dehumidification rate according to dP($P_{v,\: a,\: i}-P_{v,\: s,\: i}$).

Fig. 10 Comparision of dehumidification rate(prediction vs experiment).

6. 결 론

본 연구에서는 충전탑식 액체 제습기의 성능평가를 위하여 실험장치 구축하고, 처리공기의 입구온도, 상대습도 및 풍속변화에 따른 성능실험 및 분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 처리공기의 열전달률 및 제습률은 처리공기의 온도 및 풍속이 증가함에 따라 증가되는 경향을 보인다. 또한, 처리공기의 열전달률은 풍속의 변화보다 입구공기온도가 커짐에 따라 상대적으로 크게 증가되는 것으로 알 수 있다. 이는 풍량이 동일할 때 처리공기의 입구온도에 따른 수증기 분압의 변화가 상대습도보다 크기 때문으로 판단된다. 전체 실험범위에서 처리공기의 열전달률은 0.28 ~ 1.28 kW, 제습효율은 25 ~ 39%, 제습률은 18.7 ~ 34.8 g/min의 범위를 나타내었다.

(2) 제습과정에서 처리공기의 입 · 출구 온도차를 보면 입구온도가 높을수록 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 제습의 경우 처리공기와 액체제습제인 LiCl 수용액의 수증기 분압차 및 처리공기의 풍속에 의하여 열 및 물질전달이 동시에 이루어지지만 LiCl 수용액 및 처리공기 입구온도의 온도차가 커질 경우 열전달 비중이 커질 수 있음을 의미한다. 그리고 전체 실험범위에서의 온도차는 최대 3.7℃로 나타난다. 본 연구의 실험범위에서는 큰 값이 아닌 것으로 생각되지만 향후 두 유체간의 온도차가 더욱 커질 경우 이 부분을 고려한 분석이 필요할 것으로 판단된다.

(3) 제습과정에서의 제습률은 실험결과 분석을 통하여 두 유체간의 수증기 분압차 및 풍속에 의한 영향이 주요한 것을 알 수 있었다. 그리고 본 연구에서는 향후 제습기 설계에 활용할 수 있도록 통계분석을 통하여 수증기 분압차와 처리공기의 속도를 인자로 한 제습률 상관식(식(8))을 도출하였으며, 향후 제습기 설계 등에 활용이 가능할 것으로 판단된다.