[논문]열전모듈 제습기의 에너지 효율과 성능에 미치는 설계 인자의 영향 분석

이태희

doi:10.17664/ksgee.2020.16.3.001

열전모듈 제습기의 에너지 효율과 성능에 미치는 설계 인자의 영향 분석
The Analysis of the Effects of Design Parameters on the Energy Efficiency and Performance of TEM Dehumidifiers 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.16 no.3, 2020년, pp.1 - 7

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To provide a design direction for high efficiency thermoelectric module(TEM) dehumidifiers, the effects of design factors of TEM dehumidifiers on dehumidification energy efficiency and performance were numerically investigated. The design factors considered in this study are the TEM capacity, the performance of heat exchangers on the heating and cooling surfaces of the TEM. The higher capacity of the TEM results the higher dehumidification energy efficiency and performance at some operating voltage. The enhanced performance of the heat exchanger on heating surface increased the dehumidification energy efficiency and performance at all the operating voltage. The enhanced performance of the heat exchanger on cooling surface decreased the dehumidification energy efficiency and performance at all operating voltage.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of TEM applied dehumidifier.
그림 Fig. 2. Psychrometric diagram of the dehumidifier.
그림 Fig. 3. The dehumidification capacity of the TEM Dehumidifier.
표 Table 1. Specification of the TEM and the heat exchangers
표 Table 2. Air side condition
표 Table 3. The design parameters of the TEM dehumidifier for numerical analysis
그림 Fig. 4. The dehumidification efficiency of the TEM Dehumidifier.
그림 Fig. 5. Total h e at COP.
그림 Fig. 6. Heat and mass transfer potential ratio.
그림 Fig. 7. H e at t ransfe r rate of Case 1 and Case 4.

AI 본문요약
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문제 정의

이처럼 열전모듈 자체에 관한 연구, 열전모듈을 적용한 제습기에 관한 연구가 다수 수행되었지만, 열전모듈이 적용된 제습기와 관련된 기존의 연구 결과 중에 설계 인자의 영향 분석에 관한 연구는 다소 부족한 실정이다. 이 연구에서는 열전모듈의 용량, 저온부와 고온부의 열전달 성능 등의 설계 인자가 열전모듈 제습기의 에너지 효율과 성능에 미치는 영향을 분석하여 열전모듈 제습기의 고효율화 설계의 방향을 제시하고자 한다. 이 연구에 적용된 열전모듈 제습기의 해석 방법은 기존 연구의 결과[6]를 이용한다.

가설 설정

수치해석을 위해 적용된 열전모듈의 사양과 공기측 조건을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 열전모듈의 고온부와 저온부에 부착된 열교환기는 150 mm × 150 mm의 충분히 두꺼운 금속 평판에 두께 2 mm, 높이 50 mm의 평판 핀(fin)을 16개 설치한 방열기(heat spreader)라고 가정하였다. 열교환기에약 1 m³/min의 공기가 흐를 경우 Dituss-Boelter의 식을 적용하여 계산한 열전달계수를 사용하면 UA는약 5 W/K가 된다.
제습 성능은 전압의 증가에 따라 최대 제습 성능을 보인 후 감소하는 경향을 보였다. 제습 성능은 저온부 온도의 영향을 받는다. 열전모듈 제습기의 저온부 온도는 입력 전압의 증가에 따라 감소하여 저온부로 유입되는 공기의 노점 온도 이하로 f떨어지고, 더욱 감소하여 최저 온도를 거친 후 다시 증가하는 경향을 보인다[6].

제안 방법

열전모듈의 용량, 저온부 및 고온부의 열전달 성능 등의 제습기 설계 인자가 열전모듈 제습기의 에너지 효율과 성능에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 분석한다.

이론/모형

열 및 물질전달량의 계산에는 ε-NTU법에 기반하여 개발된 해석 방법[6]을 사용하였으며, 열전모듈 저온부 및 고온부의 열전달량은 다음 식을 이용하여 계산한다.
이 연구에서는 열전모듈의 용량, 저온부와 고온부의 열전달 성능 등의 설계 인자가 열전모듈 제습기의 에너지 효율과 성능에 미치는 영향을 분석하여 열전모듈 제습기의 고효율화 설계의 방향을 제시하고자 한다. 이 연구에 적용된 열전모듈 제습기의 해석 방법은 기존 연구의 결과[6]를 이용한다.

성능/효과

(1) 열전모듈의 용량이 증가하면 특정 운전 전압의 범위에서 제습기의 성능과 에너지 효율이 증가한다.
(2) 열전모듈 고온부의 열전달 성능을 개선하면 모든 운전 전압에서 제습기의 성능과 에너지 효율이 증가한다.
(3) 열전모듈 저온부의 열전달 성능을 개선하면 전열 성적계수는 증가하지만, 제습기의 성능과 에너지 효율이 감소하는 현상을 보였으며 이는 저온부의 열전달 성능은 제습기의 성능 및 효율 극대화를 위한 최적화의 대상임을 의미한다.

후속연구

제습기의 제습 성능과 제습 효율 개선을 위해서는 저온부의 열전달 성능을 낮추는 것이 유리한 것으로 나타났는데, 이것은 저온부의 열전달 성능이 최적화의 대상임을 의미한다. 향후 연구를 통하여 열전모듈 제습기의 최적화와 관련된 연구가 필요할 것으로 생각된다.
향후 열전모듈 제습기의 저온부의 열전달 성능의 최적화와 관련된 연구 수행이 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전모듈을 채용한 제습기의 제습 과정은 어떻게 이루어지는가?	1에 개략적으로 나타내었다[6]. 온도와 습도가 높은 실내 공기가 제습기 내부의 열전모듈 저온부로 흡입 되어 저온부에 부착된 열교환기를 통과하는 과정에서 냉각과 제습이 일어난다. 저온부를 빠져나간 공기는 열전모듈 고온부의 열교환기를 거치면서 방열 부를 냉각시킨다.
	열전모듈 제습기의 효율 개선에 참고할 만한 기존의 연구에는 무엇이 있는가?	열전모듈 제습기의 효율 개선에 참고할 만한 기존의 연구를 살펴보면 열전모듈을 응용한 제품 설계의 기초가 될 수 있는 열전모듈 해석과 관련된 연구[1, 2]와 열전모듈을 적용한 제습기의 해석과 관련된 연구[3~6], 그리고 열전모듈 제습기의 성능 개선이나 인자의 영향도 분석을 위한 실험적 연구 등이 있다[7~11].
	가정용 제습기에 적용 가능한 기술에는 무엇이 있는가?	가정용 제습기에 적용 가능한 기술은 증기 압축식 냉동사이클, 데시칸트 그리고 열전모듈 방식이 있다. 2020년 4월 17일의 산업통상자원부 고시 제2020-55호 에너지이용 합리화법 제15조 등에 따른 효율관리기자재 운용규정에서는 압축식 냉동기가 적용된 제습기에 대한 효율만 정의하고 있으며 데시칸트및 열전모듈 방식 제습기에 대해 언급을 하지 않고 있다.

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Lee, T. H., 2018, The Effect of Design Parameters on the Energy Efficiency f a TEM Refrigerator, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 29-34.

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