Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 4 pp. 2344-2349, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.4.2344 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 가정용소형제습로터의성능에대한실험적연구 한기초 1, 김내현 1* 1 인천대학교기계시스템공학부 Experimental Investigation on the Performance of Small-Sized Dehumidification Rotor for Residential Use Ji-Chao Han 1, Nae-Hyun Kim 1* 1 Division of Mechanical System Engineering Incheon National University 요약여름철이고온다습한우리나라에서는잠열부하가크기때문에에어컨만을사용하면냉방에너지를많이사용하게된다. 이때에제습기를동시에사용하면냉방중큰비중을차지하는잠열부하를줄일수있어실내공기질도개선하고냉방에너지도절약할수있다. 본연구에서는가정용제습기에사용되는무기섬유기질에메탈실리케이트가함침된소형제습로터에대하여항온항습실에서로터회전속도, 재생공기온도, 실내공기온도, 실내상대습도, 제습부전방풍속을변화시키며제습성능을측정하였다. 제습로터는최적회전수 (1.0rpm) 가존재하며최적치를초과하면불완전재생등으로제습량이급격히감소한다. 재생온도가높아질수록재생에는유리하나제습- 재생과정의열적인편차가급격히증가하여제습량이감소한다. 따라서최적재생온도가존재하는데본연구의경우는 100 o C로나타났다. 상대습도의증가에따라제습량도증가한다. 이는제습제의제습능력이상대습도에의존하는때문이다. 실내공기온도의증가에따라제습량도증가한다. 이는제습측온도가높을때재생측공기와의열적편차가감소하여제습부의상당량이제습에만사용될수있기때문이다. 전방풍속의증가에따라제습량도증가한다. 이는전방풍속의증가에따라열및물질전달계수가증가하기때문이다. Abstract In Korea, summer is hot and humid, and air-conditioners consume too much electricity due to large amount of latent heat. Simultaneous usage of dehumidifier may reduce the latent heat and save the electricity. In this study, dehumidification performance was measured in a constant temperature and humidity chamber for a small-sized dehumdification rotor made of inorganic fiber impregnated with metallic silicate. Variables were rotor speed, room temperature, regeneration temperature, room relative humidity and frontal velocity to the rotor. Results showed that there existed optimum rotor speed (1.0 rpm), and optimum regeneration temperature (100 o C). Above the optimum rotor speed, incomplete regeneration is responsible for reduced dehumidification. Above the optimum regeneration temperature, increased temperature difference between regeneration and dehumidification process is responsible for reduced dehumidification. The amount of dehumidification also increases with the increase of relative humidity, dehumidification temperature and flow velocity into the rotor. Key Words : Dehumidification rotor, dehumidification performance, Rotor speed, Regeneration temperature 1. 서론 산업기술의발전과생활수준의향상에따라실내공기질개선을위한적절한온습도조절이요구되고 있다. 그간가정용을비롯한소규모건물의온습도조절에는전기식에어컨이주로사용되어왔다. 전기식에어컨은증발기표면온도를공기의이슬점이하로유지하여공기중의수증기를응축시켜냉각, 제습하는 * Corresponding Author : Nae-Hyun Kim (Incheon National University) Tel: +82-32-835-8420 email: knh0001@incheon.ac.kr Received December 26, 2014 Accepted April 9, 2015 Revised February 4, 2015 Published April 30, 2015 2344
가정용소형제습로터의성능에대한실험적연구 방식이다. 하지만여름철이고온다습한우리나라에서는잠열부하가크기때문에에어컨만을사용하면냉방에너지를많이사용하게된다. 이때에제습기를동시에사용하면냉방중큰비중을차지하는잠열부하를줄일수있어실내공기질도개선하고냉방에너지도절약할수있다 [1-4]. Fig. 1. Schematic diagram of the residential dehumidifier Fig. 2. Figures of the desiccant rotor Fig. 3. Corrugated air flow channel of the desiccant rotor Fig. 1에제습로터를사용한가정용제습기의개략도를나타내었다. Fig. 2에는제습로터의개략도를, Fig. 3에는제습로터의사진을나타내었다. 제습로터는골판지형태의단면형상을가지고있다. Fig. 2에나타나있듯이제습로터는재생부와제습부로구별되는데일반적으로로터면적의 75% 가제습부로 25% 가재생부로구성된다. 로터는완만한속도 ( 대략 1 rpm) 로회전하며제습및재생을반복한다. Fig. 1은제습기의개략도를보여준다. 다습한실내공기는로터의제습부를지나며건조한공기로되어실내로공급된다. 로터의재생부전단에는히터가장착되어로터에고온의건조한공기를공급한다. 이공기는로터를재생시킨후다습한상태가되는데다습한공기중의수증기는열교환부에서실내의공기에의하여응축된후다시건조한상태로히터로공급된다. Fig. 1에나타나있듯이재생공기는로터, 열교환부, 히터로이루어지는폐회로내를순환하게된다. 제습로터는무기질섬유기질에제습제를함침시켜제작되는데제습제로는실리카겔, 제올라이트, 메탈실리케이트등이널리사용된다. 제습로터의성능에영향을미치는요인으로는제습제의흡착등온곡선, 비열, 밀도등물성에관련된것, 제습로터의다공도, 유로형상, 유로길이, 지름등형상에관련된것, 공기유량과온습도, 로터회전속도등운전조건에관련된것등상당히많은인자가영향을미친다. 더욱이제습제흡착특성의비선형성으로인하여, 상기한수많은인자의영향을분석하거나제습및재생과정의근본현상을이해하는것은매우어렵다. 현재까지의연구로는주로주어진설계조건에대한제습로터회전속도의최적값도출 [5-9], 또는주어진운전조건에대하여제습제흡착등온곡선, 비열, 제습로터형상등이성능에미치는영향에대한수치해석 [5,7,8,10,11] 에집중되어왔다. 하지만수치해석의특성상여러가지인자들의영향을포괄적으로분석하는데에는한계가있고분석결과를비교할성능시험데이터도많이부족한실정이다. 특히가정용제습로터와같이소형로터의경우실험데이터가전무한실정이다. 본연구에서는다공도 85% 직경 240 mm, 폭 20 mm 인무기섬유기질에메탈실리케이트가함침된제습로터에대하여공기온도, 상대습도, 전방풍속, 재생온도, 로터회전속도를변화시키며제습성능을측정하였다. 본 2345
한국산학기술학회논문지제 16 권제 4 호, 2015 실험결과는최적값도출뿐만아니라수치해석을검증할자료로도활용될수있을것이다. 2. 실험장치 Fig. 4. Schematic drawing of the test apparatus 수있도록하였다. 풍동내부에는시험부출구공기의건습구온도를측정하기위한샘플링유닛과풍량을측정하기위한노즐, 그리고홴이설치되어있다. 풍량은홴모터에연결된인버터로조절하였고시험부입구측공기온습도는별도의샘플링유닛을시험부입구에설치하여측정하였다. 공기측풍량은 ASHRAE 41.2 [12] 에규정된노즐차압을이용하여측정하였고시험부의입출구온습도는 ASHRAE 41.1 [13] 에규정된샘플링방법에의해측정하였다. 온습도측정에는고정밀 Pt-100Ω 센서 ( 정밀도 ±0.01 ) 를사용하였다. 재생온도는 Fig. 5에나타나있듯이로터의재생부전면에 4개의열전대를 ( 정밀도 ±0.1 ) 설치하여측정하였다. 시험중열전대간의온도는 ±2 이내에서일치하였다. 로터는시험부내에서회전하므로시험부와로터사이에서누설이발생할수밖에없다. 또한로터가제습부에서재생부로회전할때 ( 또는재생부에서제습부로회전할때 ) 다공성매질에기인한누설이있을수밖에없다. 이를방지하기위한방안으로회전부와고정부사이에외풍차단용폼을삽입하고단단히조여누설을최소화하였다. 누기율의오차 % leak 는다음식으로구할수있다. % leak m m = & & wr, wd, m& wd, (1) Fig. 5. Thermocouple locations for regeneration temperature measurement. Fig. 4 에제습로터성능실험장치를나타내었다. 실험장치는시험부와두개의흡입식풍동으로구성된다. 시험부는아크릴덕트로제작되고로터가중앙에장착된다. 시험부내측에는아크릴로터의재생부와제습부를구분지어유로를형성하고재생부전단에는히터부를설치하였다. 히터부는길이 30 cm, 폭 20 cm, 높이 20 cm로스테인레스스틸을절곡하여제작하였는데선단에는 2 kw 용량의 PTC 히터를장착하고내부에는배플을장착하여히터에의해가열된공기가잘섞이도록하였다. 시험부의외측에는가변속모터가설치되어벨트로로터를회전시켰다. 재생부와제습부출구는흡입식풍동과연결시켰다. 풍동입구에는와이어메쉬를설치하어균질한유동이공급될 2346 & wd, = & d( din, dout, ) (2) m m x x & wr, = & r( rout, rin, ) (3) m m x x 여기서 는제습측수분량 (kg/s), 은재생측 수분량 (kg/s), 는제습측건공기유량 (kg/s), 은 제습측건공기유량 (kg/s), 은제습측입구 절대습도, 은제습측출구절대습도, 은 제습측입구절대습도, 은재생측출구절대습도이다. Klein 과 McClintock [14] 의제안에따라오차해석을수행하였다. (4)
가정용소형제습로터의성능에대한실험적연구 여기서,,, 은각 측정인자,,, 의오차이다. 식 (4) 에건습구온도측정오차 ±0.01, 유량측정오차 ±0.1% of full scale, 누기율의오차 -13.8%~+13.4% 를고려하면수분량 ( 또는 ) 의오차는 -17.0% +16.8% 이다. 3. 결과및고찰 전술한바와같이로터회전속도, 재생공기온도, 실내공기온도, 실내상대습도, 제습부및재생부전방풍속을변화시키며제습성능을측정하였다. Table 1에시험범위가나타나있다. 표준시험조건을로터 1.0 rpm, 재생부공기온도 100 o C, 실내상대습도 70%, 실내공기온도 27 o C, 제습부전방풍속 1.0 m/s, 재생부전방풍속 0.5 m/s로설정하고각인자를변화시키며실험을수행하였다. Fig. 7. Dehumidification rate at various regenerative temperature Table 1. Measurement range of parameters Units Nominal case Range Process air Temperature o C 27 24-34 Relative humidity % 70 40-70 Face velocity m/s 1 1.0-2.5 Regenerating air Temperature o C 100 40-130 Relative humidity % 3 - Rotor rpm rpm 1 0.2-2.0 Face velocity m/s 0.5 - Fig. 8. Dehumidification rate at various room humidity Fig. 6. Dehumidification rate at various rotor rotation speed Fig. 9. Dehumidification rate at various room temperature 2347
한국산학기술학회논문지제 16 권제 4 호, 2015 Fig. 10. Dehumidification rate at various air velocity Fig. 6에로터회전속도변화에따른제습량을나타내었다. 이때다른인자는표준조건 ( 재생부공기온도 100 o C, 실내상대습도 70%, 실내공기온도 27 o C, 제습부전방풍속 1.0 m/s, 재생부전방풍속 0.5 m/s) 으로고정하였다. Fig. 6은 1.0 rpm에서최대제습량 4.63 10-5 kg/s를얻을수있음을보여준다. Kodama et al. [15] 과 Lee et al. [16] 도수치해석을통하여최적회전속도가존재함을보고한바있다. 로터회전속도가최적값을초과하면제습-재생의주기가지나치게단축되며불완전재생등으로제습량이줄어든다. 반대로로터회전속도가최적값에못미치면제습- 재생의주기가지나치게길어져필요이상으로재생을수행하게되어제습량이줄어든다. Fig. 7에는재생측공기온도에따른제습량의변화를나타내었다. 이때다른인자는표준조건 ( 재생부회전속도 1.0 rpm, 실내상대습도 70%, 실내공기온도 27 o C, 제습부전방풍속 1.0 m/s, 재생부전방풍속 0.5 m/s) 으로고정하였다. Fig. 7은재생온도 100 o C에서최대제습량 4.63 10-5 kg/s를얻을수있음을보여준다. 재생공기의온도가높으면상대습도가낮아져재생은매우유리해지나제습- 재생과정의열적인편차의급격한증가로인한제습과정중단순가열부분이증가하여제습량이감소한다. 제습온도가낮으면상대습도가높아져재생에불리하다. Fig. 8에는실내상대습도변화에따른제습량의변화를나타내었다. 이때다른인자는표준조건 ( 재생부회전속도 1.0 rpm, 재생부공기온도 100 o C, 실내공기온도 27 o C, 제습부전방풍속 1.0 m/s, 재생부전방풍속 0.5 m/s) 으로고정하였다. Fig. 8은상대습도의증가에따라제습량도증가함을보여준다. 이는제습제의제습능력이상대습도에 의존하는현상을그대로반영하는것이다. Fig. 9에는실내공기온도변화에따른제습량의변화를나타내었다. 이때다른인자는표준조건 ( 재생부회전속도 1.0 rpm, 재생부공기온도 100 o C, 실내상대습도 70%, 제습부전방풍속 1.0 m/s, 재생부전방풍속 0.5 m/s) 으로고정하였다. Fig. 9는실내공기온도의증가에따라제습량도증가함을보여준다. 이는제습측온도가높을때재생측공기와의열적편차가감소하여제습부의상당량이제습에만사용될수있기때문이다. Fig. 10에는제습부로유입되는공기의전방풍속변화에따른제습량의변화를나타내었다. 이때다른인자는표준조건 ( 재생부회전속도 1.0 rpm, 재생부공기온도 100 o C, 실내상대습도 70%, 실내공기온도 27 o C, 재생부전방풍속 0.5 m/s) 으로고정하였다. Fig. 10은전방풍속의증가에따라제습량도증가함을보여준다. 이는전방풍속의증가에따라유체역학적, 열적입구영역이늘어나고이에따라열및물질전달계수가증가하기때문이다. 4. 결론본연구에서는가정용제습기에사용되는다공도 85% 직경 240 mm, 폭 20 mm 인무기섬유기질에메탈실리케이트가함침된소형제습로터에대하여로터회전속도, 재생공기온도, 실내공기온도, 실내상대습도, 제습부전방풍속을변화시키며제습성능을측정하였다. 주된내용은다음과같다. (1) 제습로터는최적회전수 (1.0 rpm) 가존재하며최적치를초과하면불완전재생등으로제습량이급격히감소한다. (2) 재생온도가높아질수록재생에는유리하나제습-재생과정의열적인편차가급격히증가하여제습량이감소한다. 본연구의최적재생온도는 100 o C로나타났다. (3) 상대습도의증가에따라제습량도증가한다. 이는제습제의제습능력이상대습도에의존하는때문이다 (4) 실내공기온도의증가에따라제습량도증가한다. 이는제습측온도가높을때재생측공기와의열적편차가감소하여제습부의상당량이제습에만사용될수있기때문이다. 2348
가정용소형제습로터의성능에대한실험적연구 (5) 전방풍속의증가에따라제습량도증가한다. 이는전방풍속의증가에따라열및물질전달계수가증가하기때문이다. References [1] J. Wurm, D. Kosar and T. Clement, "Solid Desiccant Technology Review," Bulletin of IIR, No.2002-3, pp. 774-781, 2002. [2] A. A. Pesaran, T. R. Penny and A. W. Czandena, "Desiccant Cooling: State-of-the-Art Assessment," NREL Report (NREL-TP254-4147), 1992. [3] P. C. H. Yu and W. K. Chow, "A Discussion on Potentials of Saving Energy Use for Commercial Buildings in Hong Kong," Energy, Vol. 32, pp.83-94, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2006.03.019 [4] J. L. Niu and L. Z. Zhang, "Effects of Wall Thickness on the Moisture and Heat Transfer in Desiccant Wheels for Air Dehumidification and Enthalpy Recovery," Int. Comm. Heat Mass Trans., Vol. 29, pp.255-268, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s0735-1933(02)00316-0 [5] D. Charoensupaya and W. M. Worek, "Parametric Study of an Open-Cycle Adiabatic Solid Desiccant Cooling System," Energy, Vol. 13, pp. 739-747, 1988. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0360-5442(88)90106-5 [6] W. Zheng and W. M. Worek, "Numerical Simulation of Combined Heat and Mass Transfer Process in a Rotary Dehumidifier," Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 23, pp. 211-232, 1993. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/10407789308913669 [7] Y. J. Dai, R. Z. Wang and H. F. Zhang, "Parametric Analysis to Improve Rotary Desiccant Dehumidification Using a Mathematical Model," Int. J. Thermal Sci., Vol. 40, pp. 404-408, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s1290-0729(01)01224-8 [8] L. Z. Zhang and Niu, J. L., "Performance Comparisons of Desiccant Wheels for Air Dehumidification and Enthalpy Recovery," Applied Thermal Eng., Vol. 22, pp.1347-1367, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s1359-4311(02)00050-9 [9] X. J. Zhang, Y. J. Dai and R. Z. Wang, "A Simulation of Heat and Mass transfer in a Honeycombed Rotary Desiccant Dehumidifier," Applied Thermal Eng., Vol. 23, pp. 989-1003, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s1359-4311(03)00047-4 [10] R. K. Collier, and B. M. Cohen, "An Analytical Examination of Method for Improving the Performance of Desiccant Cooling system," J. Solar Energy Eng., Vol. 113, pp. 157-163, 1991. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2930487 [11] W. Zheng, W. M. Worek and D. Novosel, "Performance Optimization of Rotary Dehumidifier, Trans. ASME, Vol. 117, pp. 40-44, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2847724 [12] ASHRAE Standard 41.2, Standard Method for Laboratory Air-Flow Measurement, ASHRAE, 1986. [13] ASHRAE Standard 41.1, Standard Method for Temperature Measurement, ASHRAE, 1986. [14] S. J. Klein and F. A. McClintock, "The Description of Uncertainties in a Single Sample Experiments," Mech. Eng. Vol. 75, pp. 3-9, 1953. [15] A. Kodama, T. Hirayama, M. Goto, T. Hirose and R. E. Cristoph, "The Use of Psychrometric Charts for the Optimization of a Thermal Swing Desiccant Wheel," Applied Thermal Eng., pp. 1657-1674, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s1359-4311(01)00032-1 [16] D.-Y. Lee and G.-E. Song, "Theoretical Derivation of the Optimum Rotation Speed of a Desiccant Rotor," Korean J. Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 21, No. 10, 2009. 한기초 (Ji-Chao Han) [ 준회원 ] < 관심분야 > 열전달, 공기조화및내용 2015 년 2 월 : 인천대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 김내현 (Nae-Hyun Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 열전달, 공기조화및내용 1989 년 12 월 : Penn. State University Pennsylvania, PA, U.S.A ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 현재 : 인천대학교기계공학과교수 2349