제습냉방시스템에서 주요 구성부품인 제습로터의 성능을 극대화 시키기 위한 방법으로 제습로터의 회전주기의 제어에 대한 연구를 수행하였다. 열과 물질전달의 과정을 모델화하여 얻은 수치해를 바탕으로 제습로터성능 시뮬레이션 프로그램을 구성하여, 재생공기 온습도, 풍량 등의 운전조건에 대하여 회전 주기에 따른 제습로터의 제습량을 구하였다. 성능 시뮬레이션 결과 검증을 위하여, 실험을 통해 측정된 값과 성능해석 모델을 이용하여 계산된 값을 비교함으로써 성능 시뮬레이션 모델의 타당성을 보였다. 각 운전조건에서 제습량이 최대가되는 제습로터의 회전주기를 최적 회전주기로 정의하였고, 회전주기를 고정(400s)할 때의 제습성능과 비교하여, 최적 회전주기제어가 제습성능에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 회귀분석법을 이용하여 재생온도, 외기상대습도, 풍량을 변수로 하는 최적 회전주기의 예측상관식을 개발하고 시뮬레이션 값과 비교하여 검토하였다.
제습냉방시스템에서 주요 구성부품인 제습로터의 성능을 극대화 시키기 위한 방법으로 제습로터의 회전주기의 제어에 대한 연구를 수행하였다. 열과 물질전달의 과정을 모델화하여 얻은 수치해를 바탕으로 제습로터성능 시뮬레이션 프로그램을 구성하여, 재생공기 온습도, 풍량 등의 운전조건에 대하여 회전 주기에 따른 제습로터의 제습량을 구하였다. 성능 시뮬레이션 결과 검증을 위하여, 실험을 통해 측정된 값과 성능해석 모델을 이용하여 계산된 값을 비교함으로써 성능 시뮬레이션 모델의 타당성을 보였다. 각 운전조건에서 제습량이 최대가되는 제습로터의 회전주기를 최적 회전주기로 정의하였고, 회전주기를 고정(400s)할 때의 제습성능과 비교하여, 최적 회전주기제어가 제습성능에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 회귀분석법을 이용하여 재생온도, 외기상대습도, 풍량을 변수로 하는 최적 회전주기의 예측상관식을 개발하고 시뮬레이션 값과 비교하여 검토하였다.
The performance simulation of a desiccant rotor, which is a core component of a desiccant cooling system, was conducted on the basis of a theoretical solution of the heat and mass transfer process in the rotor. The simulation model was validated by comparing simulation results with experimental data...
The performance simulation of a desiccant rotor, which is a core component of a desiccant cooling system, was conducted on the basis of a theoretical solution of the heat and mass transfer process in the rotor. The simulation model was validated by comparing simulation results with experimental data; reasonable agreement was observed. The effect of the rotation speed on the performance of the desiccant rotor was investigated for various operation conditions: temperature (50 to $70^{\circ}C$), humidity ratio (0.01 to 0.02 kg/kg DA), and flow rate of regeneration air. The optimum rotation speed was determined from the maximum moisture removal capacity (MRC) of the desiccant rotor, and it was found to vary with the operation conditions. Further, the correlation for the optimum rotation speed was determined by regression analysis.
The performance simulation of a desiccant rotor, which is a core component of a desiccant cooling system, was conducted on the basis of a theoretical solution of the heat and mass transfer process in the rotor. The simulation model was validated by comparing simulation results with experimental data; reasonable agreement was observed. The effect of the rotation speed on the performance of the desiccant rotor was investigated for various operation conditions: temperature (50 to $70^{\circ}C$), humidity ratio (0.01 to 0.02 kg/kg DA), and flow rate of regeneration air. The optimum rotation speed was determined from the maximum moisture removal capacity (MRC) of the desiccant rotor, and it was found to vary with the operation conditions. Further, the correlation for the optimum rotation speed was determined by regression analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 제습로터 성능 시뮬레이션을 통하여 각 운전조건에 대한 제습로터의 회전주기 변화에 따른 성능변화 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
재생온도와 회전주기에 따른 제습로터의 성능 특성곡선은 수치해와 비슷한 경향성을 보인다. 각 재생온도에서 수치해에 의한 제습량이 최대가 되는 최적 회전주기를 실선으로 이어서 나타내었다. 수치해를 검증하기 위하여 제습로터 성능실험 결과와 수치해의 결과를 비교하여 Fig.
본 연구에서는 제습로터에서 열 및 물질전달 과정의 수치해석 결과를 이용하여, 제습로터 회전주기 변화에 따른 성능해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 검증하기위해 제습로터 성능 실험장치를 구성하고, 성능 실험을 수행한 결과와 수치해를 비교하였다.
본 연구에서는 제습로터에서 열 및 물질전달 과정의 수치해석 결과를 이용하여, 제습로터 회전주기 변화에 따른 성능해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 검증하기위해 제습로터 성능 실험장치를 구성하고, 성능 실험을 수행한 결과와 수치해를 비교하였다.
수치해석을 통해 제습기에서 제거되는 수분의 양(MRC)이 최대가 되는 최적 회전주기를 다양한 작동조건에서 구하였다. 제습로터의 회전주기를 일정하게 유지하는 고정 회전주기조건과 최적 회전주기조건에서 제습량을 비교함으로써, 회전주기가 제습로터 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
전면풍속 1.5 m/s, 재생공기온도 60℃, 절대습도 0.014 kg/kg 조건에서 최대 제습성능을 보이는 회전주기(400s)를 고정 회전주기로 선정하여 최적 회전주기에서 제습량과 비교를 통해 성능을 고찰하였다.
제습로터 성능 실험 장치는 원하는 조건의 온도와 습도를 일정하게 유지할 수 있는 열환경챔버 내에 설치하였으며, 건습구 온도계를 이용하여 제습, 재생부의 입출구 온도와 습도를 측정하였으며, 온수열교환기에 공급하는 온수의 온도와 유량을 조절하여 재생 공기 온도를 조절하였다. 제습 및 재생측 입구공기온도와 상대습도를 각각 32℃, 45%, 재생 공기온도 55-70℃, 제습, 재생부의 전면풍속을 1 - 2 m/s의 조건에서, 제습로터의 회전수 변화(100-400s)에 따른 제습성능 실험을 수행하였다.
제습구간과 재생구간에서 유동방향에 일치하도록 x축의 방향을 변경하여, 제습 및 재생구간에서 동일한 지배방정식이 적용되도록 하였다. Zheng and Worek(5)과 Lee 등(6)의 방법을 적용하여 다양한 운전조건에서 수치해를 도출하였다.
제습로터 성능 실험 장치는 원하는 조건의 온도와 습도를 일정하게 유지할 수 있는 열환경챔버 내에 설치하였으며, 건습구 온도계를 이용하여 제습, 재생부의 입출구 온도와 습도를 측정하였으며, 온수열교환기에 공급하는 온수의 온도와 유량을 조절하여 재생 공기 온도를 조절하였다. 제습 및 재생측 입구공기온도와 상대습도를 각각 32℃, 45%, 재생 공기온도 55-70℃, 제습, 재생부의 전면풍속을 1 - 2 m/s의 조건에서, 제습로터의 회전수 변화(100-400s)에 따른 제습성능 실험을 수행하였다.
제습로터의 회전주기 변화에 따른 성능을 수치 해석을 통해 분석하였다. 전면풍속 1.
수치해석을 통해 제습기에서 제거되는 수분의 양(MRC)이 최대가 되는 최적 회전주기를 다양한 작동조건에서 구하였다. 제습로터의 회전주기를 일정하게 유지하는 고정 회전주기조건과 최적 회전주기조건에서 제습량을 비교함으로써, 회전주기가 제습로터 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
최적 회전주기를 예측하기 위해 회귀분석기법을 적용하여, 재생공기 온도와 상대습도, 전면풍속을 변수로 하는 최적 회전주기 예측 상관식을 개발하였다. 상관식의 변수 선정에서 제습부로 유입되는 실내공기의 온습도는 배제하였는데, 이는 제습냉방시스템의 경우 실내 온습도의 독립적인 제어가 가능하므로, 다른 조건들에 비해 상대적으로 변화가 작아서, 성능변화에 미치는 영향이 작기 때문이다.
대상 데이터
3은 제습로터 성능 실험 장치의 개략도이다. 실험에 사용된 제습로터는 초흡수성 폴리머(super desiccant polymer, SDP)로터(8)이며, 로터의 제습/재생 면적비는 1:0.7, 로터길이는 0.15 m이다. 로터의 특성값을 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
제습로터의 최적 회전주기 부근에서 실험값과 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 수치해석 결과의 추가적인 검증을 위해, 제습로터 성능 실험을 수행한 결과와 수치해를 비교하였다.
이론/모형
제습구간과 재생구간에서 유동방향에 일치하도록 x축의 방향을 변경하여, 제습 및 재생구간에서 동일한 지배방정식이 적용되도록 하였다. Zheng and Worek(5)과 Lee 등(6)의 방법을 적용하여 다양한 운전조건에서 수치해를 도출하였다.
회귀분석은 선택인자에 대한 반응표면법 (9)을 적용하여 수행하였다. 주효과항(main effect)들과 제곱항(square), 그리고 교호효과항(interaction)의 P-value 값은 모두 0에 근접한 값을 보여, 모든 항들이 유의함을 알 수 있었다.
성능/효과
(1) 제습로터의 제습량은 재생공기 온도, 습도, 그리고 전면풍속에 영향을 크게 받으며, 재생공기 습도가 낮아질수록, 재생온도가 증가할수록, 전면풍속이 빠를수록 제습량이 커진다.
(3) 고정 회전주기(400s) 운전 대비 최적 회전주기 운전시 제습량의 증가율은 저습도영역에서, 재생온도와 전면풍속이 높을수록 증가하며, 고습도영역에서는 재생온도와 전면풍속이 낮을수록 증가한다.
(4) 회귀분석기법을 통해 재생공기 온도, 상대습도, 전면풍속을 이용한 최적 회전주기 예측 상관식을 개발하였으며, 이를 이용한 제습로터의 회전주기 제어운전을 통해 고정 회전주기 운전보다 제습성능을 향상시킬 수 있으며, 최적 회전주기 운전에 근접한 제습성능을 보였다.
A 조건에서 상관식을 이용한 회전수 제어가 최적 회전주기 대비 1.8% 성능이 작았으며, 고정 회전주기(400 s)보다는 약 10% 정도 성능이 향상되었다. B 조건의 경우에도 최적회전주기 대비 제습성능 감소율이 3.
상관식의 형태가 복잡할수록 최적회전주기에 근접한 운전이 가능하므로 성능 감소율이 작아진다. 가장 복잡한 형태의 3차식의 최적 회전수 예측 상관식의 경우 B 조건에서 제습성능 감소율이 2.2%로 최적 회전주기에 가장 근접하는 것을 알 수 있다.
6에 나타내었다. 오차가 10% 이내로 수치해와 실험결과 값이 비교적 잘 일치하는 것을 확인함으로써, 수치해석 결과의 신뢰도를 검증할 수 있었다.
재생공기 절대습도가 0.01 kg/kg인 Fig. 9(a)에서 재생온도 70℃, 전면풍속 2 m/s의 경우 고정 회전주기에 비하여 회전주기의 최적화로 인한 제습성능 증가율이 12%이며, 전면풍속이 작아질수록, 제습성능 증가율이 감소하였다.
전면풍속 증가에 따라서도 제습량이 커지며, 최적 회전주기는 짧아진다. 재생온도 70 ℃에서 전면풍속이 1 m/s에서 2 m/s로 증가할 때, 최적 회전주기는 약 400 s에서 200 s로 감소하였고, 전면풍속이 2.0 m/s인 경우, 고정주기와 최적 회전주기조건에서 제습량은 각각 4.99 kg/h, 5.46 kg/h로 약 9%의 차이를 보였다.
재생온도가 50℃, 전면풍속이 1m/s의 조건에서 공기절대습도가 0.01 kg/kg일 때, 제습 성능 증가율이 2.5%로 작은 값을 보이지만, 동일한 재생온도와 전면풍속 조건에서 재생공기 절대습도가 증가할수록 제습성능증가율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
재생온도가 높아질수록 제습량은 증가하며, 최적 회전주기도 짧아지는 것을 알 수 있다. 전면풍속이 2.
2에 나타내었다. 제습로터의 최적 회전주기 부근에서 실험값과 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 수치해석 결과의 추가적인 검증을 위해, 제습로터 성능 실험을 수행한 결과와 수치해를 비교하였다.
회귀분석은 선택인자에 대한 반응표면법 (9)을 적용하여 수행하였다. 주효과항(main effect)들과 제곱항(square), 그리고 교호효과항(interaction)의 P-value 값은 모두 0에 근접한 값을 보여, 모든 항들이 유의함을 알 수 있었다. 따라서 회귀식에서 모든 항을 생략 없이 사용하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화학, 제약 등의 산업분야에서 어떤 제습냉방시스템이 주목받고 있는가?
화학, 제약 등의 산업분야에서 제품 품질 향상 및 생산성개선을 위한 습도제어와 다중이용시설 등의 실내 공기질 유지를 목적으로 하는 제습제(Desiccant)를 이용한 제습냉방시스템이 주목을 받고 있다. Fig.
제습로터는 어떻게 제작되는가?
제습로터는 제습냉방시스템의 가장 중요한 구성요소로서, 실리카겔이나 제올라이트 등 고체 제습제를 벌집모양의 미소구조체를 가지는 휠에 함침 시키거나 골판지처럼 생긴 성형지에 코팅한 후 이를 감아 말아서 휠 형태로 제작된다.(2) 제습로터의 성능에 영향을 미치는 요인에는 제습제의 물성치와, 제습로터의 다공도 유로길이, 지름 등의 형상에 관련된 것, 제습/재생공기의 온습도, 유량, 제습로터의 회전속도 등의 운전조건과 관련된 것 등의 많은 인자들이 포함된다.
참고문헌 (9)
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Lee, J., J., Kim, S., H. and Kang, B., H., 2010, "An Experimental Study on the Effectiveness for Operating Conditions of a Desiccant Rotor," Proceeding of the SAREK Winter Annual Conference, pp. 550-557.
Kang, B. H., Pi, C. H. and Chang, Y. S., 2012, "An Experimental Study on Development of Air Leakage Model and Performance Characteristics of a Desiccant Rotor," Trans. of the KSME B, Vol. 36, No. 1, pp. 37-45.
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White, S. D., Goldsworthy, M., Reece, R., Spillmann, T., Gorur, A. and Lee, D.-Y., 2011, "Characterization of Desiccant Wheels with Alternative Materials at Low Regeneration Temperatures," International Journal of Refrigeration, Vol. 34, pp. 1786-1791.
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