Optimization of Liquid Desiccant Cooling Cycle

액체 제습식 냉방 사이클의 최적화

김 선 창, 김 영 률, 이 상 재†, 전 동 순, 최 장 현*, 권 혁 민*, 이 창 준*

한국생산기술연구원, *한국지역난방공사

Optimization of Liquid Desiccant Cooling Cycle

Seon-Chang Kim, Young-Lyoul Kim, Sang-Jae Lee†, Dong-Soon Jeon, Jaug-Hyeon Choi*, Hyeok-Min Kwon*, Chang-Jun Lee*

Korea Institute of Industrial Technology, Chung-nam, 331-825, Korea *

Korea District Heating Corporation, Seoul 135-886, Korea

ABSTRACT: This paper presents the optimization process of liquid desiccant cooling cycle using LiCl aqueous solution as a working fluid. Operating conditions and design factors for heat exchangers were optimized by response surface method. As a result, we obtained the 7.297 kW of cooling capacity and 0.788 of COP at optimized condition. Effect of dThw on

system performances was also examined. As dThw increases, the cooling capacity increases

and COP decreases.

Key words: Liquid Desiccant Cooling Cycle(액체 제습식 냉방 사이클), Response Surface Method(반응표면법), LiCl Aqueous Solution(LiCl 수용액)

†Corresponding author

Tel.: +82-41-589-8329; fax: +82-41-589-8330 E-mail address: [email protected]

기 호 설 명 C : 농도 COP: 성적계수 cp : 정압비열 [J/kg℃] dT : 온도차 [℃] h : 엔탈피 [kJ/kg] LTD : 출구온도차 [℃]  : 질량유량 [kg/s] Q : 열량 [kW] T : 온도 [℃] 그 리 스 문 자 Ɛ : 열교환기 효율 하 첨 자 air : 공기 C : 제습기 cw : 냉각수 dehumid : 제습 hw : 지역난방수 HX : 열교환기 R : 재생기 sol : LiCl 수용액 1,2,...23 : 상태점 1. 서 론 에너지 절약기기에 대한 사회적인 관심이 증대 됨에 따라 고효율 냉동·공조 시스템에 관한 연구

09-S-121

가 집중되고 있는 현실적 요구사항에 대한 해결 방안이 다각적으로 모색되고 있다. 기존의 밀폐 식 압축 냉방 사이클과는 달리 제습제(desiccant) 를 이용하는 제습 냉방 사이클은 공기 중의 수증 기분압과 제습제의 증기압 차이에 의해 공기로부 터 수분을 흡수하거나 방출하는 물질전달 과정을 통해 공기와 직접 접촉하며, 대기압 상태에서 형 성되는 개방형 사이클(open cycle)이다. 제습 냉 방 사이클은 다습한 공기를 건조한 공기로 전환 하는 제습기술과 증발 냉각기술의 결합으로 에너 지소비를 최소화하는 친환경적인 사이클로 인식 되고 있다. 선행된 연구 결과를 살펴보면, Ertas et al.(1)은 다양한 액체 제습제에 관한 특성연구를 통해 LiCl과 CaCl2의 혼합물 형태의 액체 제습제가 LiCl 수용액에 비해 약 50%의 비용 절감 효과를 얻을 수 있다고 보고하였다. Lowenstein(2)은 LiCl 수용액을 사용한 액체 제 습 공조기의 성능해석을 통해 사이클 및 요소부 품이 복잡해질수록 COP는 증가하지만 초기비용 의 증가에 대해 적절한 균형점이 필요하다고 제 안하였다.

Jeong et al.(3)은 LiCl 수용액을 이용한 개방형 흡수식 제습기의 성능평가를 수행하여 열원온수, 냉각수온도 및 외기습도의 영향을 검토하였으며, 60℃의 저온배열에서도 제습이 가능하고 고습의 환경에서 제습효과가 고효율이 됨을 밝혔다.

Kim et al.(4)은 LiCl 수용액을 이용한 판형 제 습장치에서의 열 및 물질전달 성능에 대한 해석 적 연구를 수행하였으며, 그 결과 제습기 하부에 서 물질전달에 의한 영향보다 열전달 저항이 더 지배적이고, 유입되는 공기의 상대습도가 높을수 록 제습 성능이 증가하며, 저습에서는 흡수가 일 어나지 않는 제습한계점이 존재한다고 발표한 바 있다. 본 연구에서는 LiCl 수용액을 이용한 액체 제 습식 냉방 사이클의 재생열원으로 지역난방수를 사용하는 개방형 액체 제습식 냉방 사이클의 최 적화를 위하여 사이클 해석 프로그램을 구축하였 으며, 실험계획법의 하나인 반응표면법(response surface method) 분석을 통하여 사이클에 대한 최적 설계를 수행하였다. 2. 액체 제습식 냉방 사이클 2.1 사이클 개요 Fig. 1에 액체 제습식 냉방 사이클의 개략도를 나타내었다. 제습기에서 고농도의 LiCl 수용액은 냉각코일에 분사된 후 코일 표면을 따라 흘러내 리며, 이 때 제습기로 유입된 공기의 수분을 흡 수하여 저농도의 LiCl 수용액이 된다. LiCl 수용 액의 수분 흡수과정에서는 흡수열이 발생하며, 수용액 내부의 수증기분압 증가로 인하여 흡수능 력이 감소하게 된다. 따라서 지속적인 흡수능력 유지를 위해서는 LiCl 수용액에 대한 냉각이 요 구된다. 수분을 흡수하여 농도가 묽어진 LiCl 수 용액은 용액 열교환기를 거쳐 재생기로 유입되 며, 재생열원인 지역난방수에 의해 가열된 LiCl 수용액은 수분을 방출하여 고농도의 LiCl 수용액 이 된 후, 다시 제습기로 유입되는 순환 사이클 을 구성한다. 한편, 제습기에서 수분이 제거된 건조한 공기 는 기화식 증발기에서 증발잠열에 의해 냉방이 가능한 온도가 되어 부하공간에 공급된다. 2.2 관련 관계식 Fig. 2는 액체 제습식 냉방시스템의 LiCl 수용 액 사이클을 Dürhing 선도 상에 나타낸 것이며, 사이클 해석에 사용된 주요 관련 관계식은 다음 과 같다.

Fig. 1 Schematic diagram of liquid desiccant cooling system.

Fig. 2 Liquid desiccant cycle on the Dürhing diagram for LiCl aqueous solution. 1) 제습기 LiCl 수용액 ① 연속방정식     (1)    (2) ② 에너지 평형 방정식  _{ } _{  }      (3) 냉각수   _ _ _ (4) 처리공기 ① 연속방정식     (5) ② 에너지 평형 방정식  _{ } _{ } _{ } (6)  _{ }    _{ } (7) 2) 재생기 LiCl 수용액 ① 연속방정식     (8)    (9) ② 에너지 평형 방정식  _{ } _{  }      (10) 지역난방수   _ _ _ (11) 처리공기 ① 연속방정식     (12) ② 에너지 평형 방정식  _{ } _{ } _{ } (13)  _{ }  _{ } (14) 3) 용액열교환기 _{   }     (15) 4) 성적계수   _   (16) 2.3 사이클 해석 프로그램 검증 본 연구에서 구축한 사이클 해석 프로그램의 검증을 위하여 Lowenstein(2)와의 비교를 수행하 였으며, 비교 결과를 Table 1에 나타내었다. Lowenstein(2)의 실험결과와 본 연구에서 구축 한 사이클 해석 프로그램의 결과는 LiCl 수용액 질량유량의 경우 0.4%, 제습기의 공기유량은 1.2%, 냉각 열량은 16%, 제습량은 3% 그리고 성 적계수는 6.2%의 차이가 발생하였으며, 두 결과 는 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.

Unit Reference(2) _AnalysisCycle Ambient Temperature ℃ 25.39 Absolute Humidity of Ambient Air kg/kg' 0.0123 Supply Air Temperature ℃ 26.06 Absolute Humidity of Supply Air kg/kg' 0.0057 Conditioner Inlet Concentration %/100 0.403 Conditioner Outlet Concentration %/100 0.377 Effectiveness of Solution H.X. %/100 0.557

Hot Water Inlet

Temperature ℃ 98.9 97.0 Mass Flowrate of LiCl Solution LPM 12.08 12.03 Air Flowrate of Conditioner CMM 135.0 136.7 Cooling Capacity kW 49.92 58.1 Water Removal kg/h 64.05 62.07 COP %/100 0.699 0.656

Table 1 Validation of cycle analysis program

3. 액체 제습식 냉방 사이클의 최적화 액체 제습식 냉방 사이클을 구성하기 위한 여 러 가지 설계인자 중에서 사이클의 운전조건에 해당하는 LiCl 수용액의 질량유량(m1), 희용액 농도(C2) 및 농도차(dC)와 열교환기의 설계인자 에 해당하는 지역난방수 입·출구 온도차(dThw), 냉각코일의 출구 온도차(LTDC), 가열코일의 출 구온도차(LTDR), 제습기의 공기온도차(dTair,C) 및 재생기의 공기온도차(dTair,R)를 주요설계인자 로 검토하였다. 또한, 본 연구에서는 공급 공기온 도(T15), 냉방능력(Qair) 및 성적계수(COP)를 액 체 제습식 냉방 사이클의 성능지표로 선정하였으 며, 각각의 성능지표가 최대가 되는 설계인자에 대한 최적화를 위하여 사이클의 운전조건과 열교 환기 설계인자에 대한 2단계 최적화 실험계획법 을 적용하였다. 최적화 실험계획법으로는 반응표 면법(response surface method, RSM)을 사용하 였다. 3.1 운전조건의 최적화 Design-Expert?Software Overlay Plot T[15] Q_air COP AirFLow[11] AirFLow[13] X1 = B: C[2] X2 = C: dC Actual Factor A: m[1] = 0.035 0.37 0.39 0.40 0.41 0.43 0.03 0.04 0.04 0.05 0.06 C[2] [%] d C [% ] T[15]: 20.0 Q_air: 6.9 Q_air: 7.1 COP: 0.7 COP: 0.7 AirFLow[11]: 15 AirFLow[11]: 20 AirFLow[13]: 15 AirFLow[13]: 20 T[15]: 19.6701 Q_air: 7.02518 COP: 0.724481 AirFLow[11]: 19.1811 AirFLow[13]: 17.9404 Dehumid: 11.086 X1 0.41 X2 0.04

Fig. 3 Overlaid contour plot of responses(T15,

Qair,C & COP).

Variable Value Unit

Given Data dThw 35.0 ℃ LTDC 3.0 ℃ LTDH 3.0 ℃ dTair,C 3.0 ℃ dTair,R 3.0 ℃ Factors for Operating Condition m1 0.0350 kg/s C2 0.4164 %/100 dC 0.0364 %/100 Response T15 19.50 ℃ Qair,C 7.016 kW COP 0.722 -Table 2 Result of 1st. optimization step

액체 제습식 냉방 사이클의 운전조건에 대한 최적화를 위하여 앞서 언급한 5개의 열교환기 설 계인자에 대한 값들은 일정하게 고정시킨 후, 3 개의 운전조건에 대한 반응표면법을 수행하였다. 이때 성능지표인 공급 공기온도(T15), 냉방능력 (Qair,C) 및 성적계수(COP)에 대한 목표값은 각각 20.0℃이하, 6.9∼7.1 kW 및 0.7 이상으로 설정하 였다. 반응표면법 분석결과 3개의 성능지표에 대 한 목표를 동시에 만족시켜주는 운전조건은 다수 의 조합으로 얻을 수 있었다. Fig. 3은 LiCl 수용액의 질량유량(m1)이 0.035 kg/s인 경우 성능지표의 목표값들을 동시에 만족 시켜주는 희용액의 농도(C2) 및 농도차(dC)의 범 위(밝은 색 영역)를 나타낸 중첩등고선도(over- laid contour plot)이며, 다수의 조합 중 목표 값 을 가장 잘 만족시켜주는 최적화된 운전조건 및 이에 따른 성능지표의 값들을 Table 2에 나타내 었다.

Design-Expert?Software Overlay Plot T[15] Q_air COP AirFLow[11] AirFLow[13] X1 = A: LTD_C X2 = B: LTD_R Actual Factors C: dT_airC = 2.30 D: dT_airR = 2.00 E: dT_HW = 30.58 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 LTD_C [C] LT D_R [ C ] AirFLow[13]: 20 T[15]: 19.0071 Q_air: 7.29953 COP: 0.825688 AirFLow[11]: 18.2167 AirFLow[13]: 19.8991 X1 2.09 X2 2.02

Fig. 4 Overlaid contour plot of responses(T15,

Qair,C & COP).

Variable Value Unit Given Date m1 0.0350 kg/s C2 0.4164 %/100 dC 0.0364 %/100 Factor for H.X. Design dThw 30.58 ℃ LTDC 2.0 ℃ LTDH 2.02 ℃ dTair,C 2.31 ℃ dTair,R 2.0 ℃ Response T15 19.00 ℃ Qair,C 7.297 kW COP 0.788

-Table 3 Result of 2nd. optimization step

3.2 열교환기 설계인자의 최적화 2단계 최적화 과정에서는 앞서 획득한 최적 운 전조건을 고정시킨 후, 5개의 열교환기 설계인자 에 대한 반응표면법을 수행하였다. 이때 성능지 표인 공급 공기온도(T15), 냉방능력(Qair,C) 및 성 적계수(COP)에 대한 목표값들은 각각 19.0℃이 하, 7.0∼7.3 kW 및 0.75 이상으로 설정하였다. Fig. 4는 열교환기 설계인자에 대한 반응표면법 분석결과 중 제습기의 공기온도차(dTair,C), 재생 기의 공기온도차(dTair,R) 및 지역난방수 입·출구 온도차(dThw)가 각각 2.3℃, 2.0℃ 및 30.58℃인 경우 3개의 성능지표의 목표값들을 동시에 만족 시켜주는 제습기 출구온도차(LTDC) 및 재생기 출구온도차(LTDR)의 범위를 나타낸 중첩등고선 도이다. 열교환기 설계인자에 대한 다수의 조합 중, 3개의 성능지표에 대한 목표값들을 가장 잘 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8 (a) T15 vs. dThw (b) Qair,C vs. dThw 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 0.50 0.56 0.62 0.68 0.74 0.80 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 0.0 15.0 30.0 45.0 60.0

(c) COP vs. dThw (d) Volair vs. dThw

Fig. 5 Effect of dThw on responses(T15, Qair,C,

COP & Volair).

만족시켜주는 최적화된 설계인자 및 이에 따른 성능지표의 값들을 Table 3에 나타내었다. 2단계 최적화 결과, 1단계 최적화 결과에 비하여 공급 공기온도(T15)는 19.5℃에서 19.0℃로 약 2.6% 낮 아지고, 냉방능력(Qair,C)은 7.016 kW에서 7.297 kW로 약 4.0% 증가하였으며, 성적계수(COP)는 0.722에서 0.788로 약 9.1% 향상되었다. 3.3 지역난방수 입·출구온도차의 영향 Fig. 5의 (a), (b), (c) 및 (d)에 지역난방수 입· 출구 온도차의 변화에 따른 공급 공기온도, 냉방 능력, 성적계수 및 재생공기의 풍량의 변화를 나 타내었다. 지역난방수의 입·출구 온도차가 증가할 수록 공급 공기온도는 낮아지며, 냉방능력이 증 가하는 효과를 얻을 수 있다. 그러나 입·출구 온 도차가 증가할수록 성적계수는 감소하고 재생 공 기의 풍량이 증가하여 송풍기의 소요동력이 증가 하는 단점이 있다. 4. 결 론 본 연구에서는 액체 제습식 냉방 사이클의 최 적화에 대한 연구를 통하여 다음과 같은 결론은 얻었다.

(1) 액체 제습식 냉방 사이클의 최적화를 위하 여 사이클 운전조건 및 열교환기 설계인자로 구 분하고 이를 2단계의 반응표면법을 수행함으로써 최적 사이클의 성능이 공급 공기 온도 19.0℃, 냉 방능력 7.297 kW 및 성적계수 0.788의 결과를 얻 었다. (2) 재생기의 재생열원인 지역난방수의 입·출구 온도차에 대한 영향을 분석한 결과, 지역난방수 의 입·출구 온도차가 증가할수록 공급 공기온도 는 낮아지며 미미한 냉방능력의 증가효과를 얻을 수 있으나 성적계수의 감소 및 재생 공기의 풍량 이 증가하는 단점이 있다. 이에 따라 모든 조건 을 만족하는 최적의 지역난방수 입·출구 온도차 가 존재하며, 향후 액체 제습식 냉방 사이클의 사용목적에 따라 지역난방수의 출구온도를 조절 하는 것이 경제적인 측면에서 유리할 것으로 판 단되어진다. 후 기 본 연구는 한국지역난방공사가 지원하는 “지역 난방수를 활용하는 건물용 액체식 제습 냉방 사 이클 적용 가능성 연구”의 일환으로 수행되었으 며, 이에 관계자 여러분께 감사를 드립니다. 참 고 문 헌

1. A. Ertas, E. E. Anderson, I. Kiris, 1992, Properties of new liquid desiccant solution-lithium chloride and calcium chloride mixture, Solar Energy, Vol. 49, No. 3 pp. 205-212.

2. A. Lowenstein, 2006, A zero carryover liquid desiccant air conditioner for solar applications, ASME/SOLAR06, pp. 1-11. 3. Jeong, J. S., Inagaki, K., Hongo, K., Saito,

K., Ogisu, Y., Kawai, S., 2005, Performance analysis of open cycle absorption type dehumidifier using LiCl-solution, Proc. of the SAREK, pp. 1056-1061.

4. Kim, J. K., Kim, S. S., Kang, Y. T., 2004, Simultaneous heat and mass transfer analysis for the plate type LiCl/H2O dehumidification system, Proc. of the SAREK, pp. 140-145.

5. Conde, M. R., 2004, Properties of aqueous solution of lithium chloride and calcium chlorides: formulations for use in air conditioning equipment design, int. J. of Thermal Sciences, Vol. 43, pp. 367-382.