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문제 정의
- 본 연구는 지식경제부가 주관하고 에너지관리공단이 지원한 에너지자원 기술개발사업 반도체/LCD 클린룸 에너지절약기술 개발의 세부과제, 열회수식 에어와셔 시스템 개발'과 경기도 기술개발사업 전략산업과제 “첨단전자산업을 위한 에너지 절약형 초청정클린룸 개발”의 일환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감사드립니다.
제안 방법
- 5m/s로 유지시키기 위해 송풍기는 인버터가 장착된 터보팬을 사용하였다. 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템들의 전력소비량을 측정하기 위해 Fig. 1과 Fig. 2에 도시된 바와 같이 LS산전 3상 유도 형 전력량계를 전력을 사용하는 모든 부분에 연결하였다. 청정덕트내의 공기의 온습도 측정은 독일 AHLBORN사의 ALMEMO-MA5990-2 데이터로 거를 사용하여 Table 2에 수록된 ALMEMO 센서들을 통하여 즉정하였다.
- 이 제안된 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 에너지절감 성능을 평가하기 위하여 외기량 1,000 m'/h의 단순 에 어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템실험 장치를 제작하였다. 먼저 기초실험인 에어와셔 기본모듈의 포화효율 및 암모니아 제거율 실험을 수행하였고 기흥지역의 4계절 외기조건에 대한 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스와 전력소비량을 구하는 실험을 수행하였다. 실험결과로 얻어진 열 회수량 및 에너지절감량, 포화효율, 가스 제거율의 비교분석을 통하여 다음과 같은 사항들이 관찰되었다.
- 반도체 클린룸에서 소비되는 외기부하를 절감하기 위하여 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템을 제안하였다. 이 제안된 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 에너지절감 성능을 평가하기 위하여 외기량 1,000 m'/h의 단순 에 어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템실험 장치를 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 Fig. 1의 단순 에어 와셔의 포화효율을 구하기 위하여 2개의 뱅크로 이루어진 1개의 에어와셔 모듈의 상하류에 설치한 온습도 센서에서 측정한 에어와셔 통과 전후의 공기 상태를 이용하여 다음 식에 의해 포화효율 % 를 산출하였다.
- 분사 노즐은 1/8 in 외경을 가지며 노즐의 작동압력에 따른 분사수량 및 분사각도를 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 노즐의 정격 작동압력은 0.7MPa로 하였다. 분사노즐의 분사방향은 Fig.
- 3에서 항온항습기 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험결과는 정상 상태에 도달한 후에 1시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산정하였다.
- 표에서 동기 및 하기의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30 년간의 기상조건 중에서 제일 극한의 엔탈피를 가지는 경우를 선정하였고 중간기의 외기조건은 봄철과 가을철의 중간 정도로 선정하였다. 본 연구의 에어와 셔 외기공조시스템들의 공기선도 상의 공조 프로세스를 구하기 위하여 Fig. 3에서 항온항습기 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험결과는 정상 상태에 도달한 후에 1시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산정하였다.
- 7MPa로 하였다. 분사노즐의 분사방향은 Fig. 1 과 Fig. 2에 도시된 바와 같이 공기 유동 방향에 대해 뱅크별로 상류로부터 동류, 향류, 동류, 향류를 이루게 하였고 2개의 뱅크들은 서로 마주하여 분사하는 1개의 에어와셔 모듈이 되도록 구성하였다.
- 5 ℃로 설계하였다. 수공기비 L/G가 0.4에 해당하는 2개의에어와셔 모듈에 대한 실험으로부터 포화효율이 동기 조건의 경우 89.2%, 하기조건의 경우 89.8%, 한편, 에어와셔의 수용성 가스제거성능을 살피기 위하여 입구공기의 온도에 대한 암모니아 제거 실험을 수행하였다. Table 4는 수공기비 L/G가 0.
- 먼저 기초실험인 에어와셔 기본모듈의 포화효율 및 암모니아 제거율 실험을 수행하였고 기흥지역의 4계절 외기조건에 대한 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스와 전력소비량을 구하는 실험을 수행하였다. 실험결과로 얻어진 열 회수량 및 에너지절감량, 포화효율, 가스 제거율의 비교분석을 통하여 다음과 같은 사항들이 관찰되었다.
- 제안하였다. 이 제안된 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 에너지절감 성능을 평가하기 위하여 외기량 1,000 m'/h의 단순 에 어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템실험 장치를 제작하였다. 먼저 기초실험인 에어와셔 기본모듈의 포화효율 및 암모니아 제거율 실험을 수행하였고 기흥지역의 4계절 외기조건에 대한 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스와 전력소비량을 구하는 실험을 수행하였다.
- 2는 본 연구에서 제안하는 단순에어와셔 외기공조시스템 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 개략도를 각각 나타내고 있다. 이 제안된 외기공조시스템들을 평가하기 위하여 본 연구의 단순 에어와셔 외기공조시스템실험 장치는 청정덕트, 고성능 에어필터(HEPA fil- ter), 항온항습기 , 에 어 와셔 (air washer), 엘리미 네이 터 (eliminator), 냉각코일 (cooling coil), 재열용히터 (reheating coil), 전극봉식 증기가습기 (steam humidifier), 송풍기, 온습도센서 및 계측기, 전력량계로 구성되었다. 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 실험장치는 Fig.
- 또한, 가습 후의 건구온도는 외기조건에 의해 변화하지만 하류의 냉각 코일 및 재열코일에 의해 외기공조시스템 출구 조건(급기조건)으로 제어할 수 있게 된다. 이러한 관찰로부터 90% 이상의 포화효율이 얻어질 수 있도록 단순 에어와셔 외기공조시스템을 Fig. 1 과 같이 수공기비 L/G가 0.4가 되도록 2개의 에어와셔 모듈(총 4개의 뱅크)로 구성하고 동기의 경우에 에어와셔 입구의 온도조건을 16.5 ℃로 설계하였다. 수공기비 L/G가 0.
- 2에 도시된 바와 같이 LS산전 3상 유도 형 전력량계를 전력을 사용하는 모든 부분에 연결하였다. 청정덕트내의 공기의 온습도 측정은 독일 AHLBORN사의 ALMEMO-MA5990-2 데이터로 거를 사용하여 Table 2에 수록된 ALMEMO 센서들을 통하여 즉정하였다.
- 한편, 본 연구에서 제안하는 에어와셔 외기공조시스템들의 공통된 장점은 전술한 에어와셔 모듈의 일정한 포화효율에 의한 정밀한 가습제어 특성이라는 것이다. 즉, 동기의 경우 반도체 클린룸용 외기공조시스템에 일반적으로 채용되고 있는 보일러에 의한 증기 가습의 상당한 부분을 에어와셔에 의한 수분무식 가습으로 대체할 수 있어 보일러 운전에 의한 증기제조비용을 크게 줄일 수 있다는 것이다.
- 2%, 하기조건의 경우 89.8%, 한편, 에어와셔의 수용성 가스제거성능을 살피기 위하여 입구공기의 온도에 대한 암모니아 제거 실험을 수행하였다. Table 4는 수공기비 L/G가 0.
대상 데이터
- 3m의 청정덕트에 분사노즐들이 부착된 원관 4개가 일렬로 배치되어 1개의 뱅크(bank)를 이루고 총 4개의 뱅크로 구성되었다. 1개의 뱅크당 12개의 노 즐이 설치되어 총 48개의 노즐이 사용되었다. 분사 노즐은 1/8 in 외경을 가지며 노즐의 작동압력에 따른 분사수량 및 분사각도를 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 반도체 클린룸의 필수 배기처리장 치인 세정집진기(wet scrubber)를 이용하여 클린룸 배기의 폐열을 회수한 뒤 회수한 열을 도입 외기의 가열 및 냉각에 이용할 수 있는 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템을 제안하고 이 열회수식 외기공조시스템의 에너지절감 성능을 평가하는 외기량 l, 000m3/h의 실험을 우리나라 기흥지역의 외기조건을 대상으로 수행하였다.
- 가스상 오염물을 제거하는 장치이다. 본 연구의 에어와셔의 경우 단면적 0.3m X 0.3m의 청정덕트에 분사노즐들이 부착된 원관 4개가 일렬로 배치되어 1개의 뱅크(bank)를 이루고 총 4개의 뱅크로 구성되었다. 1개의 뱅크당 12개의 노 즐이 설치되어 총 48개의 노즐이 사용되었다.
- 2에 도시된 바와 같이 에어와셔 모듈의 중간에 냉각/가열 겸용코일을 삽입하였다. 이 겸용 코일은 열교환 능력이 높은 냉각코일을 사용하였다. 세정 집진기와 중간열교환기를 통해 배기로부터 회수된 열을 이 겸용코일을 통하여 외기를 냉각 혹은 가열하는데 사용함으로써 외기부하를 절감하게 된다.
- 세정 집진기와 중간열교환기를 통해 배기로부터 회수된 열을 이 겸용코일을 통하여 외기를 냉각 혹은 가열하는데 사용함으로써 외기부하를 절감하게 된다. 청정덕트 내 유속을 2.5m/s로 유지시키기 위해 송풍기는 인버터가 장착된 터보팬을 사용하였다. 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템들의 전력소비량을 측정하기 위해 Fig.
- Table 3에 수록하였다. 표에서 동기 및 하기의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30 년간의 기상조건 중에서 제일 극한의 엔탈피를 가지는 경우를 선정하였고 중간기의 외기조건은 봄철과 가을철의 중간 정도로 선정하였다. 본 연구의 에어와 셔 외기공조시스템들의 공기선도 상의 공조 프로세스를 구하기 위하여 Fig.
성능/효과
- (5) 본 연구의 에어와셔 기본모듈은 수공기비 L/G가 0.2일 때 수용성 가스인 암모니아에 대해 10~35 "C의 유입공기온도에서 70% 이상의 가스 제거율을 보여주었고 기본모듈 2개를 편성하면 90% 이상의 가스제거율을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.
- (1) 제안한 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템은 동기조건 및 하기조건의 경우 모두 단순 에어와셔 외기공조시스템에 비해 전력소비량이 절감되고 특히 동기조건의 경우에 하기 조건의 경우보다 약 2배의 절감량이 있음을 확인하였다
- (2) 중간기조건의 경우 열회수 계통의 운전을 위한 추가적인 소비전력 증가분이 회수열량에 의한 소비전력 절감분을 압도하게 되어 전력소비량이 증가되었음을 알 수 있었다. 이러한 무익한 운전상태가 발생될 때 중간열교환기 순환수용 펌프를 정지하는 것이 필요하다.
- (3) 회수열량은 소비전력 절감량과는 달리 하기 조건의 경우가 동기조간의 경우보다 크다는 것을 알 수 있었다. 따라서 회수열량이 하기 조건의 경우에 소비전력 절감량의 3.
- 5%를 나타내고 있음을 알 수 있다. 2 개의 에어와셔 모듈의 경우 제거율은 평균적으로 89.2%를 나타내고 있는데 이는 순차적으로 배열된 각각의 에어와셔 모듈의 제거율이 거의 선형 (O') 중간기조건의 경우 89.9%로 얻어졌다. 이는 각각의 에어와셔 모듈이 거의 선형적으로 전체 포화효율에 기여했다는 것을 보여주는 것이다.
- 본 하기 실험에서는 항온항습기가 외기조건 38 r, 50%RH을 생성하기 때문에 에너지소비 량의산출에 있어 전력량계에서 측정된 전력량이 외기공조시스템 전체의 전력소비량을 산출하게 된다’ 그림으로부터 단순 에어와셔 외기공조시스템의 경우 에어와셔에서는 동기조건에서 관찰한 바와 같이 단열가습과정을 통해 등엔탈피 변화를 보여주고 있음을 알 수 있다. N 배기 열 회수식 에어와셔외기 공조 시스템의 경우 회수된 열을 공기의 냉각 제습에 이용하였기 때문에 단순 에 어와 셔 외 기 공조시스템에 비해 15.5kJAg 만큼의 냉각 제습 부하가 절감되는 것을 확인할 수 있다. 이를 식(1)에 대입하면 본 연구의 외기량 HXJOm%에 대해 열 회수량은 5.
- 2일 때 유입공기의 다양한 온습도조건에 대한 공기의 상태변화 실험결과를 보여주고 있다. 그림에 도시된 결과들로부터 포화효율이 최소 76.2%, 최대 78.6%, 평균 77.4%의 거의 일정한 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 연구의 에어 와셔가 유입 공기의 온습도에 관계없이 대체로 일정한 포화효율을 나타내는 특성을 가질 수 있기 때문에 공조기 입구의 온습도가 변화해도 에어와셔가 필요한 능력을 발휘할 수 있도록 Fig.
- 알 수 있었다. 따라서 회수열량이 하기 조건의 경우에 소비전력 절감량의 3.7배가 되고 동기 조건의 경우에 소비전력 절감량의 0, 36배가 되는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 운전중인 열원의 성능과 상관성이 있음을 관찰할 수 있었다.
- 배기 열회수식. 에어외셔 외기공조시스템의 경우 세정 집진기를 통해 배출되는 배기의 폐열을 에어 와셔에 삽입된 냉각/가열 겸용코일로 전달하여 공기의 가열 가습에 이용하였기 때문에 단순 에어와셔 외기공조시스템에 비해 3kJ/kg 만큼의 가열 가습 부하가 절감되는 것을 확인할 수 있다. 이를 식(1) 에 대입하면 본 연구의 외기량 1,000m%에 대해 열 회수량은 1.
- 4%의 거의 일정한 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 연구의 에어 와셔가 유입 공기의 온습도에 관계없이 대체로 일정한 포화효율을 나타내는 특성을 가질 수 있기 때문에 공조기 입구의 온습도가 변화해도 에어와셔가 필요한 능력을 발휘할 수 있도록 Fig. 1에 도시된 상류의 예열코일을 제어할 수 있어 외기공조시스템 출구의 노점온도는 일정하게 만들 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 에어와셔를 통한 수분 무식 가습에서도 증기가습과 같은 비교적 정밀한 가습제어가 가능하게 된다.
- 에어와셔 입구농도는 대기중의 약 6~20 ppb 수준의 농도를 고려하여 50ppb로 유지하였다. 표로부터 1개의 에어와셔 모듈의 경우 암모니아 제거율이 전체적으로 70%를 상회하고 평균적으로 72.5%를 나타내고 있음을 알 수 있다. 2 개의 에어와셔 모듈의 경우 제거율은 평균적으로 89.
- 에어와셔 입구농도는 대기중의 약 6~20 ppb 수준의 농도를 고려하여 50ppb로 유지하였다. 표로부터 1개의 에어와셔 모듈의 경우 암모니아 제거율이 전체적으로 70%를 상회하고 평균적으로 72.5%를 나타내고 있음을 알 수 있다. 2 개의 에어와셔 모듈의 경우 제거율은 평균적으로 89.
- 표로부터 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 동기조건 및 하기조건의 경우에 모두 단순 에 어와셔 외기공조시스템에 비해 전력소비량이 절감되고 특히 동기조건의 경우에 하기조건의 경우보다 약 2배라는 큰 폭의 절감이 있음을 확인할 수 있다. 즉, 열회수의 실행으로 인해 2개의 중간열교환기 순환수용 펌프동력의 추가분 0.
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