LiCl 수용액을 이용한 판형 열교환식 제습기에서의 열 및 물질전달 특성에 관한 연구 :A study on the heat and mass transfer characteristics in a plate heat exchanger type dehumidifier using LiCl aqueous solution

전동순

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전동순 (한국기술교육대학교, 한국기술교육대학교 대학원)

지도교수: 정진은

발행연도: 2015

저작권: 한국기술교육대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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LiCl 수용액을 이용한 판형 열교환식 제습기에서의 열 및 물질전달 특성에 관한 연구

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판형 열교환기식 제습기에서 LiCl 수용액의 열 및 물질전달 특성

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그루브가 형성된 판형 열교환기식 액체 제습기에서의 열 및 물질전달

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2010

판형 열교환기식 제습기에서 LiCl 수용액의 열 및 물질전달 특성

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수분 친화력이 있는 액체 제습제(liquid desiccant)를 이용한 제습 냉방 시스템은 액체식 제습기술과 직·간접 증발식 냉각기 또는 증기 압축식 냉방 시스템의 결합 되어있다. 액체식 제습 냉방 시스템은 액체 제습제, 수분 및 공기를 작동유체로 사용하기 때문에 환경문제에도 적극적인 대응이 가능하다. 에너지소비를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 현열 및 잠열부 하를 이원화 할 수 있는 친환경 시스템이다. 이와 같은 이유로 액체식 제습 시스템에 대한 관심이 증가함에 따라 국내에서도 이에 대한 연구 및개발이 진행되고 있지만 이론해석 및 충전탑식에 대한 연구가 대부분이 며, 가장 진보된 형태인 열교환식 제습시스템 및 제습기에 대한 연구는 미미한 실정이다. 일부 열교환식 제습기에 대한 연구결과가 발표되고 있지만 열교환기 형상 및 실험조건이 상이하여 직접적인 비교가 어렵고 열교환기 설계에 기초자료로 활용할 수 있는 열 및 물질전달 상관식을 제시 하는 경우는 부족한 실정이다.
본 논문에서는 열교환식 제습 시스템에 사용이 가능한 판형 열교환식 제습기의 제습특성을 파악하기 위하여 수분흡수 과정에서 일어나는 열 및물질전달에 대한 연구를 수행하였다. 액체 제습제로는 LiCl 수용액을 사용 하였다. 특성실험을 위해 제작한 판형 열교환식 제습기는 액체 제습제인 LiCl 수용액의 부식성을 고려하여 수지계열인 ABS 소재를 이용하였으며, 냉각수 상?하부헤더, LiCl 수용액 헤더 및 5장의 튜브로 구성되어 있다.
판형 열교환식 제습기 크기는 높이 695 mm, 폭 88 mm, 깊이 243 mm이 다. 튜브표면에는 LiCl 수용액의 흐름성 향상을 위하여 높이 0.7 mm, 폭 1.0 mm의 그루브가 LiCl 수용액의 유동방향으로 형성되어 있다. 또한, LiCl 수용액의 퍼짐성 및 표면 젖음률 향상을 위하여 튜브표면을 친수액으로 코팅처리 하였다. 본 논문에서 사용한 판형 열교환식 제습기의 튜브 내측에는 냉각수가 아래에서 위쪽 방향으로 흐르며, 튜브 외측표면에는 위에서 아랫방향으로 LiCl 수용액이 흐른다. 작동유체의 열 및 물질전달 형태를 보면, 냉각수와 LiCl 수용액은 대향류 형태로 열전달이 이루어지고 LiCl 수용액과 처리공기는 직교류 형태로 열 및 물질전달이 이루어진다.
LiCl 수용액의 열 및 물질전달 실험은 액체식 제습냉방 시스템의 사이클 해석을 통하여 결정된 최적 사이클 조건을 기준으로 하여 LiCl 수용액의 질량유량 및 농도와 처리공기의 풍량 및 상대습도를 변수로 선정하였다. 이때 냉각수의 입구온도 및 체적유량은 32℃ 및 2.5 l/min 로 고정 하였다.
실험결과 LiCl 수용액의 질량유량이 증가함에 따라 수분 흡수량은 증가 하는 경향을 나타내었으며, 처리공기의 풍량이 클수록 수분 흡수량이 증가 하는 경향을 나타냈다. 그리고 LiCl 수용액의 질량유량이 동일한 경우 에는 LiCl 수용액의 농도가 진할수록 수분 흡수량이 크게 나타났으며, 처리공기의 풍량 및 상대습도가 클수록 LiCl 수용액의 수분 흡수량이 크게 나타났다. 또한, 실험에 기초를 둔 Nusselt 수 및 Sherwood 수 상관식을 개발 하였으며, 향후 열교환식 액체식 제습 냉방 시스템 및 제습기 개발에 중요한 연구 자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

In this study, experimental investigations have been carried out to examine the heat and mass transfer characteristics of plate heat exchanger type dehumidifier. With global warming and a shortage of fossil fuels, there has been an increasing emphasis on the need for high-efficiency and eco-friendly air conditioning systems. Vapor compression cooling systems, used in existing personal air conditioning, are known to worsen global warming and ozone depletion. Since process air is cooled below the dew point temperature for dehumidification, such systems do not provide individual control over temperature and humidity. Thus research is essential to develop eco-friendly systems capable of individual temperature and humidity control. An experimental study on the heat and mass transfer characteristics of liquid dehumidifiers was first conducted. Selected variables were velocity, relative humidity of process air, mass flow rate and concentration of liquid desiccant solution. And the effects of these variables on the dehumidification rate, effectiveness of dehumidification, heat transfer coefficient and mass transfer coefficient were examined. LiCl aqueous solution were used as the liquid desiccant solution.
The plate heat exchanger type dehumidifier used in this study consists of header for cooling water, a LiCl aqueous solution header and five plates. Including the headers, the dehumidifier measures 243 mm in depth, 88 mm in width and 695 mm in height. It was made of the ABS(XR-474) resin in consideration of the corrosiveness of LiCl aqueous solution, and the plate surface was grooved and coated with the hydrophilic liquid to enhance a flowability and wettability of LiCl aqueous solution. Process air is in cross flow with LiCl aqueous solution at the plate surface, while the cooling water is in counter flow with LiCl aqueous solution.
The selected experimental variables were relative humidity and velocity of process air, concentration and mass flow rate of the LiCl aqueous solution. The temperature and volumetric flow rate of the cooling water were fixed at 32℃ and 2.5 l/min, respectively.
As results, dehumidification rate increases with an increase in velocity and relative humidity of process air, but effectiveness of dehumidification decreases. These result show that the correlations of Nusselt and Sherwood number in this study can be a good reference for development of liquid desiccant cooling system.

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