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문제 정의
- 기화식 가습기에서는 주로 공기와 수막의 접촉면적과 가습량이 비례한다고 할 수 있는데, 이때 접촉면 즉 가습모듈의 형상과 배열방법에 의해 같은 면적에서도 가습 효율과 시스템 용적이 달라질 수 있다. 결국 최소의 접촉면과 용적으로 최대 가습효율을 도출하는 것이 본 연구의 궁극적인 목표이다.
제안 방법
- Fig. 3에서는 비교적 가습효율이 높게 나타난 (a), (d), (e) 형상을 가지고 유입공기의 속도 즉 유량, 상대습도, 온도를 변화시켜서 출구에서의 공기상태를 예측하여 보았다. 같은 조건의 공기가 유입될 때 모든 변수에 대해 출구에서의 상대습도는 평판일 때 가장 낮고 격자일 때 가장 높게 예측되었다.
- 우선 가습모듈의 형상을 다섯 가지로 고려하였는데 (Fig. 2), 이 형상들은 가습모듈의 면적이 같거나, 동일한 간격을 유지하는 배열로서 서로 비교대상이 되도록 설정하였다. 실제 형상은 이러한 모듈들이 연속되는 형상이나 계산상 편의를 위하여 하나의 채널만 선택하여 계산하였다.
- 검토 변수로는 유입공기의 속도, 상대 습도, 온도와 가습모듈에 공급되는 물의 온도다. 이때 모듈의 형상은 가로, 세로 각각 1 m인 정사각형으로 10 mm 떨어진 가습모듈 사이로 유입 공기가 흐르도록 하였다. 검토시 표준조건으로는 유입공기는 30℃, RH 50%, 2 m/s 로, 가습모듈에서는 20℃ 물이 0.
- 기화식 가습기에서 최소 용적의 시스템으로 높은 가습 효율을 유지하기 위해서는 수막을 형성하는 가습 모듈의 형태와 배열방법이 중요한 인자이다. 이를 미리 예측하고 변수 연구를 위하여 가습모듈 사이를 흐르는 공기 유동해석을 통해 가습기 출구에서의 공기 상태를 계산하여 보았다. 이때 층류의 공기유동과 수막 사이의 열전달, 물질전달과 이 과정에서 발생하는 상변화를 계산하는 것이 필요하다.
- 기화식 가습기에 대한 유동해석을 EWF 모델을 적용하는데 있어, 앞에서 언급한 바와 같이, 구체적인 적용 사례를 찾지 못해 이에 대한 검증과정이 필요하였다. 이에 대한 검증방법으로는 간단한 형상의 가습모듈 사이를 흐르는 입구 공기 조건을 변화시킨 후 출구 공기의 상태를 통해 가습량을 계산하여 물리적으로 타당한 경향성을 나타내는지 검토하였다.
대상 데이터
- 격자는 정렬 격자계를 사용하였고, 모듈이 평면인 경우는 육면체 격자를, 곡면인 경우는 사면체 격자를 사용하였고, 격자 개수는 대략 20만개 정도로 하였다.
이론/모형
- 본 논문은 상용프로그램 Fluent 14.5버전의 Eulerian Wall Films(EWF) 모델을 사용하였는데, 이 모델은 벽면위에 형성되는 액체 박막의 생성과 유동을 예측하기 위한 모델이다.
성능/효과
- (a), (b), (c) 형상의 가습모듈은 같은 면적, 같은 용적이지만 간격은 6.6 mm, 5～15 mm, 10 mm인데, 이 때 출구의 공기 상태로 보았을 때 (a) 형상이 가장 가습 효율이 우수하고, 이로서 모듈의 간격이 좁을수록 가습 효율이 향상됨을 알 수 있다.
- Fig. 1 (a)는 유입 공기의 속도를 변화시킨 결과인데, 유입공기 양이 증가할수록 가습량은 증가하고, 그 기울기가 점차 완만해진다. (b)는 유입공기의 상대습도가 낮을수록 가습량이 증가하며, 높아질 경우 공기 온도가 노점 이하로 낮아져 오히려 가습이 아닌 응결이 발생하는 것으로 보인다.
- 20℃, RH 50% 공기를 2 m/s 속도로 가습모듈의 형상을 변화시키면서 계산한 결과, 모듈의 간격이 좁을수록 높은 가습효율을 나타냈다.
- 6 mm 동일한 간격을 가진 평판형, 물결형, 격자형형상으로 유입공기의 조건을 변화시키면서 계산한 결과, 출구 공기의 상대습도는 격자형이 가장 높았고, 모듈의 단위면적당 유입공기의 단위 질량당 가습효율은 물결형일때 다소 높게 계산되었다.
- 3에서는 비교적 가습효율이 높게 나타난 (a), (d), (e) 형상을 가지고 유입공기의 속도 즉 유량, 상대습도, 온도를 변화시켜서 출구에서의 공기상태를 예측하여 보았다. 같은 조건의 공기가 유입될 때 모든 변수에 대해 출구에서의 상대습도는 평판일 때 가장 낮고 격자일 때 가장 높게 예측되었다. 이는 격자형인 경우 접촉하는 수막의 면적이 상대적으로 넓기 때문인 것으로 보인다.
- 검토 결과 EWF 모델이 모듈에 일정한 양의 물을 공급하여 수막을 형성시키고, 수막 사이를 통과하는 공기와의 물질전달, 열전달에 동반되는 복잡한 상변화 결과가 물리적으로 타당한 경향성을 보였다. 따라서 기화식 가습기에서 효율적인 가습모듈의 형상과 배열을 예측하는데 EWF 모델을 적용시키는데 무리가 없는 것으로 판단하였다.
- 비록 출구공기의 상대습도는 격자일 때 가장 높았으나, 가습모듈의 단위면적당, 공기의 단위질량당 기화되는 수분양은 물결 형상일 때 많았다. 따라서 Fig. 4의 결과로 보아 평판을 기준으로 했을 때 격자 형상은 25%～15%, 물결 형상은 50%～30% 높게 나타났다. 가습효율은 유입되는 공기의 상태에 따라 변화하는데, 같은 조건의 공기가 같은 유량으로, 같은 면적을 통과한다면 모듈의 형태가 물결 형상일 때 가장 효율적인 유동을 형성하여 출구공기의 상대습도가 가장 높을 것으로 예측된다.
- 검토 결과 EWF 모델이 모듈에 일정한 양의 물을 공급하여 수막을 형성시키고, 수막 사이를 통과하는 공기와의 물질전달, 열전달에 동반되는 복잡한 상변화 결과가 물리적으로 타당한 경향성을 보였다. 따라서 기화식 가습기에서 효율적인 가습모듈의 형상과 배열을 예측하는데 EWF 모델을 적용시키는데 무리가 없는 것으로 판단하였다.
- 본 계산 결과에서는 출구공기의 상대습도가 모두 70%이상을 유지하고 있어 충분한 효율을 보이고 있으나, 실제 가습 효율은 다소 저하될 것으로 예상된다. 물이 가습모듈 표면에서 일정한 플럭스(flux)로 균일하게 공급되는 경계조건이고, 한 개의 채널만 선택해서 계산 하였기 때문에 수막이 불균등하게 형성되는 점과, 공기 입구 전체에서 유속이 고르지 못한 점을 반영하지 못하기 때문이다.
- 이때 층류의 공기유동과 수막 사이의 열전달, 물질전달과 이 과정에서 발생하는 상변화를 계산하는 것이 필요하다. 이 계산을 위해 EWF 모델을 유입 공기의 조건을 바꾸어가면서 간단한 가습모듈 형상에 적용시켜 계산한 결과, 기화식 가습 시스템의 적용에 무리가 없는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 물이 가습모듈 표면에서 일정한 플럭스(flux)로 균일하게 공급되는 경계조건이고, 한 개의 채널만 선택해서 계산 하였기 때문에 수막이 불균등하게 형성되는 점과, 공기 입구 전체에서 유속이 고르지 못한 점을 반영하지 못하기 때문이다. 본 논문의 계산 결과는 구체적인 값보다, 가습모듈의 형상에 따른 가습효율의 경향성을 찾는데 의의를 두고자 하며, 상변화계수(Cphase )와 같은 구체적이고 세밀한 사항들은 향후 구체적인 실험을 통하여 검증되어야할 부분이다.
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