14.기화열로 효율을 높인 친환경 열전모듈 에어컨 제작

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여원 민
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1 WISE 주니어과학논문집 제 2 권제 1 호, 2009 년 2 월 기화열로효율을높인친환경열전모듈에어컨제작 예소연ㆍ최가람ㆍ노가연민족사관고등학교지도교수 : 남균연세대학교 물이기화될때주위의온도를빼앗아가는자연현상을기존에개발된 냉매를사용하지않는친환경열전모듈에어컨 에적용하여에어컨의효율을높였다. 제작된에어컨의성능을측정한결과열전모듈만을사용한에어컨에비해 2배이상의효율로동작됨을확인했다. 이는냉매를사용하지않는저온장치의개발에한발더가까이갈수있는, 따라서지구온난화방지에크게기여할수있는성공적인실험결과이다. 키워드 : 지구온난화, 무냉매, 기화열, 열전모듈 (Thermoelectric module), Peltier 효과, Intercooler, T( 실내온도-출구온도 ), COP 1. 들어가는말에어컨의역사는 1755년영국의 W. Cullen이펌프를이용한수동기계식냉동기를처음발명하면서부터시작되었다. 이후프레온가스를비롯한다양한냉매의개발과압축기의발전에의해오늘날의에어컨이탄생했다. 현재에어컨의냉매로는염소계열의 CFC( 일종의프레온가스 ) 나 HCFC가사용되고있으며, 이들냉매를이용한에어컨의성능은 COP( 냉각능력 / 소비전력 ) 가 3.0 이상이다.[1] 그러나프레온이포함된냉매의무절제한사용은지구로들어오는자외선의양을적절히조절하여지구지킴이역할을하고있는성층권의오존층을파괴하기때문에지구온난화현상을가속시키는것으로밝혀졌다. 결과적으로우리인류의삶의터전인지구는환경변화와기상이변의 속출로몸살을앓고있는것이다. 물론지구온난화에가장큰영향을미치고있는것은 CO 2 로그이유는 CO 2 의양이많기때문이다. 그러나프레온가스는양은 CO 2 보다적지만 CO 2 와일대일로비교하면무려 1300배이상의효율로지구온난화에기여하고있다. 이에따라 1987년몬트리올에서맺은의정서에의하면 2010년부터냉매가스의사용을전면금지하기로국제적인협약을했다.[2] 따라서 21세기의과학자들이시급히해결해야할과제중의하나가프레온이포함된냉매를사용하지않는친환경저온장치의개발이다. 이미미국을비롯한선진국에서는열전모듈 (Thermoelectric- Module:TM) 을이용한 친환경무냉매에어컨 을시판하고있다. 세계적인미국의 TM 제조사 Melcor에서만든열전모듈에어컨중가장성능이좋은 AA 는냉각능력이 193 Watt이

70 WISE 주니어과학논문집 고, 소비전력이 271 Watt이므로 COP는 0.71이다.[3] 국내에서도 2007년 5월연세대학교연구팀이열전모듈을이용한 COP=0.86의에어컨제작을발표했다.[4] 그러므로열전모듈에어컨은현재시판되는냉매가스를이용한 COP=3.0인에어컨에비하면효율이낮기때문에산업용이나가정용에어컨으로서의기능보다는특수한용도로만사용되고있다.

실험 열전모듈에어컨 은직류전류를열전모듈에흘리면 Peltier 효과에의해한쪽면 (hot side) 에서는열이발생하고, 반대쪽면 (cold side) 은열이흡수되어냉각되는열전현상을이용하고있다.[7] 현재사용되는열전모듈은 hot side를 30 정도로유지시키면 cold side는약 -20 로냉각된다.

2 70 WISE 주니어과학논문집 고, 소비전력이 271 Watt이므로 COP는 0.71이다.[3] 국내에서도 2007년 5월연세대학교연구팀이열전모듈을이용한 COP=0.86의에어컨제작을발표했다.[4] 그러므로열전모듈에어컨은현재시판되는냉매가스를이용한 COP=3.0인에어컨에비하면효율이낮기때문에산업용이나가정용에어컨으로서의기능보다는특수한용도로만사용되고있다. 일반적으로에어컨으로서의능력을발휘하려면최소한 COP=2.0 이상이되어야한다. 그러므로친환경이라는큰장점이매력적인열전모듈에어컨의 COP를 2.0 이상으로높이기위해서는새로운냉각방법을도입할필요가있다. 본실험에서는물이기화할때열을흡수하는자연현상을 친환경열전모듈에어컨 에추가하여 COP=2.0 이상의 " 고효율친환경무냉매에어컨 " 을제작하는것을목적으로했다.[5,6] 2. 실험 열전모듈에어컨 은직류전류를열전모듈에흘리면 Peltier 효과에의해한쪽면 (hot side) 에서는열이발생하고, 반대쪽면 (cold side) 은열이흡수되어냉각되는열전현상을이용하고있다.[7] 현재사용되는열전모듈은 hot side를 30 정도로유지시키면 cold side는약 -20 로냉각된다. 이때그림 1의열전모듈에어컨구조에서보는것과같이 cold side에핀을접합시키면핀역시냉각된다. 냉각된핀으로에어컨에흡입되는바람을통과시키면, 바람이핀과열교환을하여출구로나가는바람의온도가낮아지는것이 열전모듈에어컨 의동작원리이다. 그림 1. 친환경열전모듈에어컨구조그러나이와같은구조에서는핀을통해나가는바람이핀에의해저항을받기때문에풍량이 185 m 3 /hr 이상을넘지않는다는문제점이있다. 이수치는 3평형가정용에어컨의최소풍량인 450 m 3 /hr에비하면너무적은양이므로 열전모듈에어컨 의냉각능력이낮을수밖에없다. 본실험에서는시중에서시판되는그림 2와같은에어컨의에바 (Evaporation) 장치와이장치에함께달린풍량 450 m 3 /hr 이상이나오는팬 (fan) 을사용하여풍량을증가시켰다. 그림 2. 에어컨의에바장치와팬냉매를이용한에어컨은쉽게기화되는저압의프레온가스를에바장치에통과시켜기화가일어나도록하여에바장치를냉각시킨다. 동시에바람을에바장치에달린핀사이를통과시켜에어컨출구바람이냉각되도록한다. 본실험에서는프레온가스가에바를통과하는대신에열전모듈에의해냉각된물을에바안으로계속회전시켜에바장치를냉각시키는방식을택했다. 그러나이방법을이용한에어컨의 COP 역시 0.86

기화열로효율을높인친환경열전모듈에어컨제작 71 을넘지않았다. 따라서에바를향해들어오기전의바람을기화열을이용한새로운장치를이용하여미리냉각시켜줄수있다면, 최종적으로출구를통해나오는바람의온도가더크게떨어질수있다는아이디어를실험에응용했다. 즉, 바람을기화열로 1차냉각시킨후, 이냉각된바람이 2차로 열전모듈장치 를통과하도록하여 COP의증가를시도했다.

3 기화열로효율을높인친환경열전모듈에어컨제작 71 을넘지않았다. 따라서에바를향해들어오기전의바람을기화열을이용한새로운장치를이용하여미리냉각시켜줄수있다면, 최종적으로출구를통해나오는바람의온도가더크게떨어질수있다는아이디어를실험에응용했다. 즉, 바람을기화열로 1차냉각시킨후, 이냉각된바람이 2차로 열전모듈장치 를통과하도록하여 COP의증가를시도했다. 기화열은물이기화될때에너지가흡수되는현상이다. 기화열에너지는일정온도에서 1g의물질을기화시키는데필요한열량으로수증기의경우에는물 1g이기화할때 539cal의열을흡수한다. 이성질을이용하여에어컨의입구로흡입되는공기를 1차로냉각시키는것이다. 기화장치로는자동차의냉각용으로사용되는그림 3과같은 Intercooler(IC) 를사용했다.[8] IC의냉각은 IC 안으로순간적으로물을분무하여기화시키면기화된물이주위의온도를흡수하므로이루어진다. 이때 IC에부착된핀이동시에냉각되므로이핀사이를바람이통과하도록하면바람과핀의열교환에의해바람의냉각이이루어진다. 기화를쉽게하기위해서는표면적이증가된수증기인안개를사용한다. 그림 3. 본실험에서사용된 Intercooler 그림 4에기존의열전모듈만을이용한에어컨장치에성능을향상시키기위해추가된에바및 IC 장치등이부착되어있는개략도가각부분의소비전력과함께그려져있다. 그림 4. 친환경에어컨장치의개략도 ( 그림에서굵은선으로표시된부분은본연구에서추가된장치이고, 기존의장치는가는선으로표시했다.) 그림 4에서보는것과같이섭씨 31 의바람이그림의왼쪽에있는두대의 IC 장치에흡입되어통과하면서약 8 의냉각이이루어져 23 로 1차냉각된다. 1차냉각된바람은그림 4의중간에있는열전모듈을이용한에바장치인 2차냉각과정을거쳐최종적으로에어컨의출구에서는 18 의바람이나오게된다. 이과정에서주의를요하는사항이두가지있다. 첫째가 IC 안에서수증기가기화후다시액체가되면서방출되는열이영향을미치지않도록, 기화된수증기를재빨리 IC 외부로내보내야한다. 이를위해그림 4 의아래부분에있는두대의 blow motor를사용했다. 두번째주의사항은열전모듈에전류를흘릴때열이방출되어뜨거워지는 hot side를냉각시키는일이다. 본실험에서는그림 4의오른쪽부분의아래에있는 Hot water circulation motor를통해물을순환시켜이물이 condenser를통과하도록한후 condenser에바람을쏘아물이 30 정도의일정한온도를유지하도록하는방법을사용했다. condenser에쏘아주는바람은안개발생기에서방출된후 IC를통과한바람이지나가도

72 WISE 주니어과학논문집 록설계했다. 기화열을이용한장치의조립이끝난후에어컨의외관을장식하고마무리했다. 다음에실내온도를여름철과같이 30 이상으로유지시키고에어컨을동작시킨다음실내온도와출구온도를측정하여에어컨의성능실험을했다. 3. 결과및분석 들어오는바람의흡입온도와출구온도의차이 T를측정하면에어컨의냉각능력 Q를계산할수있다.

4 72 WISE 주니어과학논문집 록설계했다. 기화열을이용한장치의조립이끝난후에어컨의외관을장식하고마무리했다. 다음에실내온도를여름철과같이 30 이상으로유지시키고에어컨을동작시킨다음실내온도와출구온도를측정하여에어컨의성능실험을했다. 3. 결과및분석 들어오는바람의흡입온도와출구온도의차이 T를측정하면에어컨의냉각능력 Q를계산할수있다. 그림 5로부터시간에따른실내온도와출구온도의차이 T를구한후식 (1) 에대입하여계산된냉각능력 Q를본실험에서사용한총소비전력 810 Watt로나누면그림 6과같은시간에따른에어컨의성능인 COP를구할수있다. 그림 5는실내온도를 30 이상으로올린후에어컨을동작시키면서 30초내지 1분간격으로 20분동안에어컨의흡입구와출구에서바람의온도를측정한결과이다. 그림 6. 기화열장치를추가한친환경열전모듈에어컨의시간에따른 COP 그림 5. 20분동안측정한에어컨의흡입구와출구에서의바람온도에어컨의 COP를구하기위해서는에어컨의냉각능력 Q를먼저구해야한다. Q는다음의식으로부터계산할수있다.[9] Q=m*c* T (1) 식 (1) 에서 m은에어컨을통해나오는공기의질량이다. 공기의밀도는 g/cm 3 이므로에어컨의출구를통해나오는풍속과출구의면적을측정하면단위시간당에어컨을통해나오는바람의질량 m을구할수있다. c는공기의비열로그값은 0.25cal/g 이다. 따라서에어컨으로 그림 6에서볼수있는것과같이기화열장치를추가하여성능을개선한에어컨의 COP는약 2.0 정도이다. 이는개선전의기화열장치를장착시키지않은, 즉성능개선전에어컨의 COP=0.86에비하면성능이 2배이상높아졌음을알수있다. 이결과로부터기화열장치를장착함으로써훨씬더좋은성능을가진친환경에어컨을제작할수있음을확인할수있었다. 4. 맺는말물이기화될때주위의온도를빼앗아가는자연현상을이용하여 냉매를사용하지않는친환경열전모듈에어컨 의효율을높였다. 기화열효과는자동차엔진의냉각에사용되는 Intercooler 를사용했으며, 풍량은시중에서판매되는에바

5 기화열로효율을높인친환경열전모듈에어컨제작 73 의팬을이용하여증가시켰다. 제작된에어컨의성능을 20분간측정한결과 COP는 2.0 이상임을확인했다. 이는현재까지개발된냉매를사용하지않는열전모듈에어컨의 COP를훨씬능가하는값으로냉매없는에어컨개발의기초가될수있는지구환경보호에한층더밝은미래를보여주는희망적인결과이다. 만약기화열장치이외에에어컨의성능을보다더개선할수있는장치를추가적으로장착하거나, 소비전력을현재시중에서판매되는에어컨수준인 450 Watt 정도로낮출수있다면 COP=3.0 이상의고효율에어컨을개발할수있을것이다. 이를통해친환경에어컨의상용화를가져올수있다면환경적효과는물론이고경제적효과또한막대할것으로기대된다. 5. 참고문헌 [1] 자동차에어컨, 김찬원, 중원사, [2] 대단한지구여행, 윤경철, 푸른길, [3] [4] 연세소식, 연세대학교, 445호, [5] 화학 : 자습서 ( 고등학교 ), 김시중외, 금성교과서, [6] Heat Transfer: A Practical Approach, Yunus A. Cengel, Mc-graw Hill Korea, [7] 기초전자기학, 박기엽, 남충모, 아이티시 (ITC), [8] 무쏘정비지침서, 서경문화, [9] 완벽하게개념잡는소문난교과서물리, 손영운, 글담출판사, 2007.

6 강남구 청담지구 청담동 46, 삼성동 52 일대 46,592-46,592 7 강남구 대치지구 대치동 922번지 일대 58,440-58,440 8 강남구 개포지구 개포동 157일대 20,070-20,070 9 강남구 개포지구중심 포이동 238 일대 25,070-25,

6 강남구 청담지구 청담동 46, 삼성동 52 일대 46,592-46,592 7 강남구 대치지구 대치동 922번지 일대 58,440-58,440 8 강남구 개포지구 개포동 157일대 20,070-20,070 9 강남구 개포지구중심 포이동 238 일대 25,070-25, 서울특별시시 제2014-77호 도시관리계획[성내지구 지구단위계획구역 등 176개 구역 (민간부문 운영시행지침)] 결정(변경) 시 서울특별시 성내지구 등 176개소 지구단위계획구역 민간부문 운영시행지침 에 대하여 국토의 계획 및 이용에 관한 법률 제30조 및 같은법 시행령 제25조 규정에 따라 도시관리 계획결정(변경) 사항을 다음과 같이 시합니다. 2014년