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문제 정의
- 본 연구는 고체 제습냉방기에 흔히 쓰이는 로터리 제습기의 단순한 열역학적 모델 개발을 목표로 한다. 로터리 제습기는 회전축을 중심으로 실리카겔, 제올라이트 등의 고체 제습제를 함입 또는 코팅한 주름진 복합재료 필름을 감는 등의 방법으로 원주 상에 축 방향으로 수많은 공기통로를 갖도록 만든 바퀴 모양의 구조물로서 두 개의 온도가 다른 공기흐름 사이에 설치하고 회전시켜 저온 측의 다습한 공기로부터 수분을 흡착하여 제습능력이 저하된 제습제를 고온 측에서 다시 가열하여 수분을 제거해줌으로써 연속적 제습이 가능하도록 해주는 요소이다.
- 본 연구에서는 로터리 제습기의 열역학적 해석모델을 개발하기 위해 2차원과도 에너지 및 질량보존 방정식에 기반한 동적 수치모델을 개발하고 지배방정식을 1차원 선형연립방정식으로 단순화하여 얻은 근사해와 비교하였다. 근사해는 수치모델과 유사한 경향을 보이며 낮은 온도에서는 정량적으로도 잘 일치하는 것으로 밝혀졌다.
- 본 연구에서는 문제의 복잡성을 감안하여 아래와 같이 가정하고 간단한 1차원 근사해를 얻고자 하였다.
- 수치 모델은 예를 들어 한 제습주기와 같이 짧은 시간 동안 일어나는 현상을 미시적으로 기술하는 목적으로는 적합하지만 기상데이터를 사용하여 계절 성능을 시뮬레이션 하는 경우와 같이 장시간에 걸쳐 전체 시스템의 성능을 평가하거나 다양한 인자간의 복잡한 상호작용을 연구하는 목적으로는 불리하다. 이런 이유로 본 연구에서는 제습기의 지배방정식을 단순화하여 근사해를 얻고 궁극적으로 제습기의 유용도 모델을 개발하고자 한다. 과거에도 유사한 목적의 연구들(9-13)이 있었으나 이들은 모두 시뮬레이션 결과를 임의의 함수 또는 테이블 형태로 나타낸 것으로 본 연구의 접근방법과는 큰 차이가 있다.
가설 설정
- • 공기와 제습제의 물성은 일정하다.
- 이상의 가정으로 문제는 1차원 선형방정식으로 단순화된다. 물론 첫 번째 가정은 공기의 유량이 매우 큰 경우에, 또 두 번째 가정은 제습온도와 재생 온도의 차이가 작은 경우에만 근사적으로 유효하다. 하지만 이상의 가정이 전형적인 운전영역에서 수용할만한 오차를 낸다면 실용적인 가치가 있을 것으로 판단하여 아래와 같이 근사해를 구하였다.
- 이상의 가정으로 문제는 1차원 선형방정식으로 단순화된다. 물론 첫 번째 가정은 공기의 유량이 매우 큰 경우에, 또 두 번째 가정은 제습온도와 재생 온도의 차이가 작은 경우에만 근사적으로 유효하다.
- 전술한 모델 중 일부(4, 6, 7)는 제습제 표면과 내부 확산속도의 차이(Knudsen effect)를 고려하는 등물성의 국부적 변화를 고려하였으나 본 연구에서는 전 영역에서 물성이 일정하다고 가정하였는데 그오차는 무시할 수 있을 정도로 작다.
- 첫 번째 가정은 Fig. 2의 결과에서도 사용되었으며 나머지 가정들은 이전의 수치모델들에서도 채용한 것이다.
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