[논문]공기 온습도가 공조용 가습 소자의 가습 성능에 미치는 영향에 대한 실험 연구

김내현

doi:10.5762/kais.2019.20.2.732

초록
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가습 소자를 이용한 증발식 가습은 건물이나 데이터 센터의 공조에 널리 사용되고 있다. 가습 소자의 성능은 가습 효율로 나타내는데 이 효율은 공기의 온습도나 물 온도에 무관하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 데이터 센터와 건물 공조의 두 공기 조건에 대하여 셀룰로오스/PET, Glasdek의 두 소자를 사용하여 전벙 풍속과 물 온도를 변화시키며 일련의 실험을 수행하였다. 실험 결과 측정된 가습 효율은 공기 조건과 물 온도에 따라 다르게 나타났다. 심지어 건물 조건에서는 소자의 입구부에서 감습이 나타나기도 하였는데 그 이유는 공급수 온도가 입구 공기의 노점온도보다 낮았기 때문이었다. 건물 조건에서는 공급수 온도와 공기의 노점 온도 차이가 증가할수록 가습 효율은 감소하였다. 이로부터 가습 효율 모델을 적절히 세우려면 길이 방향으로 수분 전달량이 변화하는 입구 영역에 대한 해석이 중요하다고 판단된다. 셀룰로오스/PET 소자에 대하여 성능 해석을 수행한 결과 Sherwood 수는 적절히 예측하였으나 마찰 손실은 과대 예측하였다. 이는 해석시 채널 형상을 단순한 삼각형으로 가정하고 소자 표면에 형성된 액막의 영향을 무시한 때문으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evaporative humidification using a humidifying element is widely used for humidification of a building or a data center. The performance of a humidifying element is commonly expressed as humidification efficiency, which is used independent of air temperature, humidity and water temperature. In this ...

Evaporative humidification using a humidifying element is widely used for humidification of a building or a data center. The performance of a humidifying element is commonly expressed as humidification efficiency, which is used independent of air temperature, humidity and water temperature. In this study, a series of tests were conducted at two air conditions (data center and commercial building) using two different humidifying elements (cellulose/PET and Glasdek) changing the frontal air velocity and water temperature. Results showed that the measured humidification efficiency was dependent on the air condition and water temperature. In fact, even dehumidification occurred at the inlet of the humidifying element at the air condition of commercial building. The reason was due to the inlet water temperature, which was lower than the dew point air temperature. As the difference between the inlet water and the dew point air temperature increased, the humidification efficiency decreased. This suggest that proper thermal model should account for the inlet region, where the amount of moisture transfer may be different from the other part of the humidification element. A simple analysis on the thermal performance of the cellulose/PET humidification element showed that the Sherwood number was adequately predicted, whereas the friction factor was ovepredicted, probably due to the simplification of the channel geometry and the neglection of the water film on the element surface.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. A photo of a Cellulose/PET humidifying element
그림 Fig. 2. A photo of a Glasdek humidifying element
그림 Fig. 3. Humidification test apparatus shown in ASHRAE 133 [10]
그림 Fig. 4. Schematic diagram showing the air and water property change during humidification
그림 Fig. 5. SEM photos of the raw material
그림 Fig. 6. Experimental apparatus
그림 Fig. 7. A photo and a graph showing the absorption performance of humidifying elements[16]
그림 Fig. 8. Flow distribution at the header pipe
그림 Fig. 9. Humidification efficiencies as a function of water flow rate (frontal air velocity: 2.0 m/s)
그림 Fig. 10. Humidification efficiencies as a function of frontal velocity
그림 Fig. 11. Pressure drops as a function of frontal air velocity
그림 Fig. 12. Humidification efficiencies at different inlet water temperatures
그림 Fig. 13. Sherwood numbers (Cellulose/PET) and friction factors predicted by the model

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 이 경우 문제는 배출식 가습 소자 설계에 순환식에 의거한 공칭 가습 효율을 적용하고 있다는 사실이다. 따라서 본 연구에서는 가습 소자가 널리 사용되는 공기 조건 (일반 건물과 데이터 센터의 설계 공기 조건)에서 물 온도를 변화시키며 일련의 실험을 수행하고 그에 따른 가습 효율의 변화에 대하여 고찰하고자 한다. 본 연구의 결과는 배출식 가습 소자 설계의 문제점 해소에 도움이 될 것이다.
기화식 가습기 설계시 가습 효율은 공기 조건 및 물 온도와 관계없이 동일하게 적용된다. 본 연구에서는 일반 건물과 데이터 센터의 설계 온습도 조건에서 일련의 실험을 수행하고 상기 적용이 적절한지를 판단하였다. 실험에 사용된 소자는 cellulose/PET와 Glasdek 두 종류이다.

가설 설정

마찰계수의 경우 대체로 과대 예측함(낮은 Re에서는 26%, 높은 Re에서는 6% 과대 예측함)을 보여주는데 Re수가 증가할수록 오차는 줄어든다. 본 해석에서는 채널의 형상을 이등변 삼각형으로 가정하였는데 실제 채널은 둥근 꼭지각을 가지고 있다. 둥근 모서리는 마찰계수를 감소시킨다[15].
(3) Cellulose/PET 소자의 경우 본 연구의 해석 모델은 Sh수는 적절히 예측하나 마찰계수는 과대 예측한다. 본 해석에서는 채널의 형상을 이등변 삼각형으로 가정하였는데 실제 형상과 차이가 나고 실험시 존재하는 액막 등이 예측치와 실험치의 차이를 유발한 것으로 판단된다.

제안 방법

공기측 풍량은 흡입식 풍동 후방에 장착된 노즐을 사용하여 측정하였고 (ASHRAE 규격41.2[12]) 시료의 압력손실은 정밀도 ±0.5 Pa의 차압 트랜스듀서로 측정하였다.
0 mm 구멍이 6cm 간격으로 가공된 헤더에서 공급 유량에 따른 유량분포를 나타내었다. 물은 헤더의 중앙(4번과 5번 구멍 사이)으로 공급되었고 각 구멍에서의 유량은 구멍 아래에 메스 실린더를 놓고 1분 동안 누적 계측하였다. 공급 유량은 0.
물의 온도는 정밀도 ±0.1°C의 정밀 RTD(Pt-100Ω센서)로써 측정하였고, 유량은 정밀도 ±0.2%의 질량유량계로 측정하였다.
상기 사항을 좀 더 확인하기 위하여 건물 공조 (35℃DBT, 21℃ WBT) 조건에서 공급수 온도를 10℃, 15℃, 21℃ 로 바꾸어 가며 가습 실험을 수행하고 그 결과를 Fig. 12에 나타내었다.
시험은 건물 공조 (35°C DBT, 21°C WBT)와 데이터 센터(25°C DBT, 15°C WBT) 조건에서 시료 전방풍속을 1.0m/s에서 4.5 m/s 사이에서 변화시키며 수행하였다.
최근 들어 Kim[7]은 새로운 형상의 가습 소자를 제시하였다. 신규 가습 소자는 셀룰로오스와 PET가 50%씩 배합된 재질로 제작되고 Fig. 1에 보여지듯이 가습 면적을 증가시키기 위하여 절곡 깊이를 Glasdek의 7 mm에서 5 mm로 감소시켰고 차압 손실을 줄이기 위하여 채널을 수평으로 하였다. 신규 소자는 Glasdek에 비하여 가습 효율이 44% 크고 압력 손실은 10% 작게 나타났다[7].

대상 데이터

Glasdek소재의 두께는 400 μm이고 밀도는 553 kg/m3이다.
실험에 사용된 소자는 cellulose/PET와 Glasdek 두 종류이다. 가습 소자는 깊이 100mm, 폭 620 mm, 높이 570mm로 실험 장치가 허용하는 한 최대 크기로 제작되었고 실험은 전방 풍속 1.0 m/s에서 4.5 m/s 사이에서(Glasdek은 1.0 m/s에서 3.0 m/s에서) 수행되었다. 주된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 Kim[7]이 사용한 두 종류의 시료(cellulose/PET 및 Glasdek)에 대하여 시험을 수행하였다. Cellulose/PET 시료는 Fig.
Glasdek 형상은 절곡 깊이 7 mm인 채널이 공기측 유동방향과 15°, 물측 유동방향과 45° 각도로 번갈아 적층되어 있다. 시료의 깊이는 100mm이고 소자의 외각크기는 cellulose/PET 소자와 동일하게 폭 620 mm, 높이 570 mm이다. Fig.
여기서 물 채널은 공기 채널에 물을 골고루 공급하여 주는 역할을 한다. 시료의 깊이는 100mm이고 소자의 외각크기는 폭 620 mm, 높이 570 mm로 실험 장치가 허용하는 한 최대로 제작되었다. Fig.
본 연구에서는 일반 건물과 데이터 센터의 설계 온습도 조건에서 일련의 실험을 수행하고 상기 적용이 적절한지를 판단하였다. 실험에 사용된 소자는 cellulose/PET와 Glasdek 두 종류이다. 가습 소자는 깊이 100mm, 폭 620 mm, 높이 570mm로 실험 장치가 허용하는 한 최대 크기로 제작되었고 실험은 전방 풍속 1.
여기서 실험치는 해석 절차와 동일한 조건인(전체 표면을 공기의 습구온도로 가정함) 건물 공조 (35℃ DBT,21℃ WBT) 조건, 물 온도 21℃ 데이터를 사용하였다.

이론/모형

가습소자는 흡입식 풍동의 입구에 설치된다. 시료의 입출구 온습도는 ASHRAE 규격 41.1에 따라 측정하였다[11]. 시료의 상부로 항온조로부터 일정 온도와 유량의 물이 공급된다.
따라서 데이터 센터(25°C DBT, 15°C WBT) 조건에서 건물 공조 (35°C DBT, 21°C WBT) 조건보다 가습 효율이 크게 나타났다. 현재 공칭 가습 효율은 순환식인 ASHRAE 133 [10]에 따라 측정된다. 순환식의 경우 물의 유입 온도는 유입 공기의 습구온도(W_sat)와 같게 된다.

성능/효과

(1) 가습 효율은 공기 조건에 따라 차이가 났다. 데이터 센터 (25℃ DBT, 15℃ WBT) 조건에서 건물 공조 (35℃ DBT, 21℃ WBT) 조건보다 크게 나타났는데 그 이유는 입구 영역에서 수분 전달 성능의 차이 때문이다.
(2) 별도의 건물 공조 조건 실험을 통하여 공급수 온도가 공기의 습구온도에 근접할수록 가습 효율이 증가함을 확인하였다. 따라서 가습 소자의 성능을 적절히 예측하기 위해서는 입구 영역에 대한 해석모델이 포함되어야 한다.
건물 공조 (35°CDBT, 21°C WBT)와 데이터 센터 (25°C DBT, 15°C WBT) 조건 모두에서 0.8 lpm 이상이면 효율이 일정하게 나타남을 보여준다.
데이터 센터 (25°C DBT,15°C WBT) 조건에서 건물 공조 (35°C DBT, 21°C WBT) 조건보다 5.0%에서 11% 크게 나타났다.
데이터 센터(25°C DBT, 15°C WBT) 조건에서 건물 공조 (35°CDBT, 21°C WBT) 조건보다 2.5%에서 12% 크게 나타났고 그 차이는 풍속이 커질수록 증가한다.
따라서 데이터 센터(25°C DBT, 15°C WBT) 조건에서 건물 공조 (35°C DBT, 21°C WBT) 조건보다 가습 효율이 크게 나타났다.
본 연구의 데이터 센터 (25°C DBT, 15°C WBT) 조건을 살펴보면 입구 공기의 절대 습도는 0.00686 kg/kgair이고10°C 물의 포화 절대 습도는 0.00762 kg/kgair이다.
2%로 나타났다. 실험오차는 전방풍속이 증가할수록 감소하였다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 가습 소자가 널리 사용되는 공기 조건 (일반 건물과 데이터 센터의 설계 공기 조건)에서 물 온도를 변화시키며 일련의 실험을 수행하고 그에 따른 가습 효율의 변화에 대하여 고찰하고자 한다. 본 연구의 결과는 배출식 가습 소자 설계의 문제점 해소에 도움이 될 것이다.
따라서 가습 소자의 성능을 적절히 예측하기 위해서는 액막 온도가 공급수 온도에서습구 온도로 변해가는 입구 영역의 해석이 필수적임을 알 수 있다. 입구 영역의 해석에는 소자의 형상, 공기 건습구 온도, 풍속, 물 유량 등을 고려한 미시 해석이 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물 채널이란?	1에 나타나 있듯이 절곡깊이 5 mm인 수평 공기 채널이 절곡 깊이 2 mm인 수직물 채널과 직각되게 교차로 적층되어 있다. 여기서 물 채널은 공기 채널에 물을 골고루 공급하여 주는 역할을 한다. 시료의 깊이는 100mm이고 소자의 외각크기는 폭 620 mm, 높이 570 mm로 실험 장치가 허용하는 한 최대로 제작되었다.
	기화식 가습기의 작동 원리는?	1에 보여지듯이 가습소자와 상부의 유량 공급 노즐로 구성된다. 상부의 노즐에서 공급된 물은 가습소자를 적시고 공기는 소자 사이를 통과하며 가습이 이루어진다. 그간 가습소자로 검토된 재질은 유리섬유(Glasswool), 세라믹, PVC 스폰지, 와이어 메쉬와 같은 무기질재료와 크라프트 섬유, 아스펜 섬유, 코코넛 섬유와 같은 유기질 셀룰로오스 재료가 있다[2-5].
	기화식 가습기의 장점 및 단점은?	공조기에 설치되는 가습기는 기화식, 분무식, 스팀식으로 구별된다. 이 중 기화식 가습기는 부하 변동에 대해 다소 느리게 반응하는 단점이 있으나 초기투자비 및 유지비가 저렴한 장점이 있다. 또한 오염물질을 제거하는 기능도 있어 클린룸과 같이 공기청정도가 필요한 건물에 많이 사용되고 있다[1].

참고문헌 (16)

H. K. Kim, T. I. Ohm, H. K. Yoon and K. Y. Bang, "Numerical Study on the Humidification Efficiency on Humidfying Module Shapes of the Evaporative Humidifier," Korea J. Air-Cond. Ref. Eng., Vol. 25, No.1, pp. 42-47, 2014.
M. Barzegar, M. Layeghi, G. Ebrahimi, Y. Hamseh and M. Khorasani, "Experimental Evaluation of the Performance of Cellulosic Pad Made of Kraft and NSCC Corrugated Papers as Evaporative Media," Energy Conversion and Management, Vol. 54, pp. 24-29, 2012.

상세보기
J. K. Jain and D. A. Hindoliya, "Experimental Performance of New Evaporative Cooling Pad Materials," Sustainable Cities and Society, Vol. 1, pp. 252-256, 2011.

상세보기
C. M. Liao, S. Singh and T. S. Wang, "Characterizing the Performance of Alternative Evaporative Cooling Media in Thermal Environmental Control Application," J. Envir. Sci. Health, Vol. 33, No. 7, pp.1391-1417, 1998.

상세보기
Liao, C. M. and Chiu, K. H., 2002, Wind tunnel modeling the system performance of alternative cooling pads in Taiwan region," Build. Environ. Vol. 37, No. 2, pp. 77-87.
https://www.munters.com/ko/munters/products/coolers-humidifiers/glasdek/
N.-H. Kim, "A Performance Analysis and Experiments on Plastic Film/Paper Humidifying Elements Consisting of Horizontal Air Channels and Vertical Water Channels," KSME Trans.(B), Vol. 40, pp. 55-63, 2016.
A. Franco, D. L. Valera, A. Pena and A. M. Perez, "Aerodynamic Analysis and CFD Simulation of Several Cellulose Evaporative Cooling Pads Used in Mediterranean Greenhouses," Computers and Electronics in Agriculture, Vol. 76, pp. 218-230, 2011.

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A. Malli, H. R. Seyf, M. Layeghi, S. Sharifian and H. Behravesh, "Investigating the Performance of Cellulosic Cooling Pads," Energy Conversion and Management, Vol. 52, pp. 2598-2603, 2011.

상세보기
ASHRAE Standard 133, Method of Testing Direct Evaporative Air Coolers, ASHRAE, 2001.
ASHRAE Standard 41.1, Standard Method for Temperature Measurement, ASHRAE, 1986.
ASHRAE Standard 41.2, Standard Method for Laboratory Air-Flow Measurement, ASHRAE, 1986.
ASHRAE Standard 41.5, Standard Measurement Guide, Engineering Analysis of Experimental Data, ASHRAE, 1986.
J. P. Holman, Heat Transfer, 10th Ed., McGraw-Hill Pub, 2010.
R. K. Shah and A. L. London, Laminar Flow Forced Convection in a Duct, Academic Pub., 1978
N.-H. Kim, "Performance of Humidifying Elements Made of Cellulose and PET Composite," J. Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 16, No. 6, pp. 1658-1663, 2015.

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