http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2016.28.8.316
밀집형 재생증발식 냉방기의 냉각 성능 분석
Analysis of Cooling Performance of a Compact Regenerative Evaporative Cooler
박민희(Min-Hee Park)1,2, 문승재(Seung-Jae Moon)1, 이대영(Dae-Young Lee)2†
1한양대학교 대학원 기계공학과, 2한국과학기술연구원 도시에너지연구단
1Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Hanyang University, Seoul, 04763, Korea
2Urban Energy Center, Korea Institute of Science & Technology, Seoul, 04763, Korea (Received April 5, 2016; revision received July 7, 2016; Accepted: July 13, 2016)
Abstract This study investigated a compact regenerative evaporative cooler (REC). To achieve practical applications of an REC, it is very important to consider the compactness as well as the cooling performance. Therefore, a prototype of the REC was designed and fabricated to improve the compactness by reducing the length through the insertion of fins in both the dry and wet channels. The REC prototype was tested in terms of performance evaluation under various operating conditions.
An analytical model was also developed to analyze the effects of the axial conduction through the solid body of the REC, the wetness of the surface in the wet channel, and the thermal capacity of the evaporation water flow. The model was validated by comparing the results of a simulation with experimental data. The numerical simulation was based on the model to analyze the performance of the REC and to suggest methods to improve the cooling performance of the REC. Finally, the performance of the present REC was compared to that obtained in previous experimental studies. The results showed that the REC prototype in the present study is the most compact and achieves the highest cooling performance.
Key words Regenerative evaporative cooler(재생증발식 냉방기), Cooling effectiveness(냉각 유용도), Compactness (밀집도), Performance test(성능시험), Conduction loss(전도열손실)
†Corresponding author, E-mail: [email protected]
기호설명
：면적 [m²]
c ：비열 [kJ/kg-℃]
D ：이슬점 온도 [℃]
h ：대류 열전달계수 [W/m²-℃]
：비엔탈피 [J/kg]
：증발잠열 [J/kg]
k ：열전도도 [W/m-℃]
L ：유동방향 길이 [m]
m ：무차원 증발수 유량
：질량유량 [kg/s]
N ：전달단위수
：열량 [W]
：비율
T ：온도 [℃]
：체적 유량 [m³/s]
：절대습도 [kg/kg]
：건채널 유동방향 길이좌표 [m]
그리스 문자
：젖음도
：유용도
：무차원 유동 방향 길이
하첨자
a ：공기
c ：전도열전달
d ：건채널
e ：증발수
ex ：추기
in ：입구
out ：출구
sup ：공급
w ：습채널
1. 서 론
재생증발식 냉방기는 일종의 간접증발식 냉방기로
Fig. 1 Principle of Regenerative Evaporative Cooling.
Table 1 Specifications of the REC core Parameter Value
[mm] Parameter Value [mm]
Width of cooler Length of cooler Height of cooler Width of module Length of module Heat plate thickness
Case thickness
760 580 150 111 580 0.15
0.8
Fin height Fin thickness Fin Pitch_dry ch.
Fin Pitch_wet ch.
Louver pitch Louver length
Louver angle
12 0.13
1.5 1.5 3 10 18
Fig. 1과 같이 건채널을 통과한 공기의 일부를 물이 적 셔져있는 습채널로 추기시켜 물 증발을 유도하여 건채 널 공기를 냉각한다. 재생증발식 냉방기는 이론적으로 흡입공기를 이슬점 온도까지 냉각할 수 있으며, 냉방 기 가동에 따른 실내 습도 증가 문제가 없다.(1, 2)
재생증발식 냉방기의 원리와 과정은 Maisotsenko et al.(3)이 최초로 제안하였다. Riangvilaikul and Kumar(4, 5) 는 대향류형 재생증발식 냉방기의 성능을 다양한 조건 에서 실험 및 수치 계산을 통해 비교하였다. Hasan(6)은 여러 간접증발식 냉방기의 성능을 수치적으로 비교분석 하고 재생증발식 냉방기의 성능을 계산하였다. Bruno(7) 는 재생증발식 냉방기를 시험제작하여 외부 및 내부 환 경 조건에서의 냉방성능을 실험적으로 연구하였다. Zhan et al.(⁸)은 직교류형과 대향류형 재생증발식 냉방기의 성능을 다양한 조건에서 실험적, 수치적으로 비교 연구 를 하였다. Kozubal et al.(⁹)과 Woods and Kozubal(10)은 액체식 제습냉방시스템의 현열냉각기로 대향류형 재생 증발식 냉방기를 연구하였다. Cui et al.(11)은 CFD를 이용 하여 성능을 수치적으로 연구하였다. 최근에 Anisimov et al.(12)은 Masisotsenko가 제시한 재생증발식 냉각 사이 클인 M-cycle에 기반하여 상용화된 열교환기를 사용하 여 재생증발식 냉방기의 성능을 실험적, 수치적으로 연 구하였다. Moshari et al.(13)이 직교류형과 대향류형 재생 증발식 냉방기의 성능을 추기 비율에 따라 수치적으로 연구하였다. 최근에는 재생 증발식 냉방기의 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다. Lee et al.(14)은 소형화를 위 한 여러 타입의 재생증발식 냉방기의 성능 비교 연구를 진행하였고, Duan et al.(15)은 대향류형 재생증발식 냉방 기의 성능을 실험적으로 연구하고 에너지 사용 효율을 다른 연구와 비교 분석하였다.
전술한 연구를 포함한 최근까지의 재생증발식 냉방 기에 대한 연구는 주로 냉각 유용도 향상에 초점이 맞 추어져 왔다. 그러나 재생증발식 냉방기의 실용화를 위 해서는 냉각 성능뿐만 아니라 제품의 크기 또한 중요 한 요인이 된다. 본 연구에서는 냉방기의 소형화를 위 해 유동방향 길이를 축소한 대향류 핀삽입형 재생증발 식 냉방기를 고안하여 제작한다. 공급공기 유량, 추기 비율, 흡입공기 습도 등이 변화하는 조건에서 냉방기의 성능 변화를 측정하며, 유동방향 길이 축소에 따른 유 동방향 전도열손실의 증가와 습채널 표면의 불완전한 젖음도, 증발수의 현열냉각 효과를 반영한 해석 모델을
개발한다. 이 모델에 기반한 수치해석을 통하여 소형화 가 재생증발식 냉방기 성능에 미치는 영향을 분석하고, 재생증발식 냉방기의 성능을 향상시키기 위한 방안을 제안한다. 마지막으로 냉각 유용도와 공급유량 대비 체 적을 선행연구와 비교하여 소형화 효과를 평가한다. 2. 재생증발식 냉방기 성능 시험
2.1 시험장치 및 방법
본 연구에서 고안한 재생증발식 냉방기의 단위 모 듈은, Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이, 건채널 두 개와 그 사이의 습채널 한 개, 각 채널 사이의 열전달판(두께 0.15 mm), 습채널에 부착된 안내덕트(guide duct)로 이 루어진 건습채널 한 쌍을 3개 적층하고, 그 외곽을 둘 러싼 케이스(두께 0.8 mm)로 구성된다. 건채널 및 습 채널에는 루버핀을 삽입하였다. 열교환부는 알루미늄 을 적용하여 브레이징(brazing) 접합하고, 습채널 내부 는 증발수 젖음도 향상을 위하여 친수성 다공물질 표 면처리(16)를 적용하였다. 총 7개의 단위모듈을 적층하 여 Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이 재생증발식 냉방기 코어를 조립하였다. 재생증발식 냉방기를 구성하는 채 널, 루버핀, 열교환기의 치수를 Table 1에 정리하였다.
공기는 Fig. 2(c)에 나타낸 바와 같이 재생증발식 냉 방기 코어의 하부로부터 건채널로 유입되어 냉각되며 상부로 토출된다. 냉각된 공기의 일부가 건채널 출구 에서 습채널로 유입되어 건채널 유동과 반대방향인 아 랫방향으로 유동하며, 안내덕트에 의하여 건채널 입구 유동과 분리되어 배출된다.
증발수는 습채널 입구, 즉 상부로부터 공급하여 습 채널 공기유동과 평행하게 습채널을 통과한 후 안내덕 트를 따라 하부 물통에 모이도록 고안하였다. 증발수 분배기는 내경 10 mm 직관에 직경 1 mm의 구멍을 습 채널 간격으로 21개 가공하여 제작하였으며, 이 분배 기를 Fig. 2(c)에 나타낸 바와 같이 580 mm 거리를 왕 복 운동시켜서 21개의 습채널에 균일한 양의 증발수가 공급될 수 있도록 하였다.
Fig. 2 (a) Single module of the REC (b) Photographic view of the REC core (c) Schematic of the regenerative evaporative cooler.
Table 2 Test conditions
Specification Value
Inlet air temperature Inlet air humidity Supply air flow rate
Extraction ratio Evaporation water inlet condition
32℃
30, 40, 50*% RH 10.8, 14.4, 18.0*, 21.7m3/min 0.20, 0.25, 0.30*, 0.35
23℃, 1.5 l/min
*reference case.
제작된 재생증발식 냉방기를 열환경 챔버내에 설치 하여 여러 가지 습도, 유량 조건에서의 냉방성능을 시 험하였다. 건채널 입구의 주 송풍기와 습채널 출구의 추기 송풍기의 회전수를 조절하여 주 유동 공기유량 과 추기 공기유량을 제어하였다. 시험 조건은 여름철 외기 온습도 조건을 반영하였으며 Table 2에 정리하였 다. 입구온도는 32oC로 고정하였으며, 건채널 입구 상 대습도 50%, 공급 유량 18 m3/min(건채널 유속 1.5 m/s), 추기비율 0.3일 때를 기준조건으로 하여, 상대습도, 공 급유량, 추기비율의 변화에 따른 성능변화를 시험하 였다.
건채널 유입 공기의 건습구온도 측정에는 오차 범위
±0.15oC의 RTD를 이용하였고, 건채널 출구온도와 습채 널 출구온도 측정에는 오차범위 ±0.2oC의 T-type 열전 대를 사용하였다. 습채널 출구공기의 습도측정에는 오 차범위 ±0.2oC의 이슬점 온도센서를 이용하였으며, 유 입공기의 이슬점 온도는 측정된 건습구 온도를 이용하 여 계산하였다. 공급공기 유량 측정에는 노즐법을 적용 하였으며, 추기공기 유량은 후드미터(hood meter)를 사 용하였다.
재생증발식 냉방기의 유용도는 다음 식(1)과 같이 흡입공기의 건구온도와 이슬점 온도의 차이에 대한 흡 입공기 온도와 공급공기 온도의 차이의 비로써 정의되 며, 이론적으로 최대한 냉각될 수 있는 온도차에 대한 실제 온도차의 비를 의미한다.
(1)
2.2 시험결과의 신뢰도
측정의 신뢰도를 확인하기 위하여, 다음의 식과 같 이 건채널과 습채널의 열전달량을 구하여 비교하였다. Fig. 3은 본 연구에서 실시한 모든 경우에 대하여 열전 달량을 비교한 것이며, 모든 경우에서 ±10% 이내, 평 균 ±5% 정도로 에너지 평형이 만족됨을 알 수 있다.
(2) (3) 유용도의 측정 오차는 다음과 같이 구할 수 있다.
(4)
Fig. 4 Comparison between the experimental data and the predicted from a simple model (a) Outlet temperature (b) Effectiveness.
Fig. 3 Energy balance between dry and wet channels.
는 유용도 정의 식(1)에 포함된 측정값들로 유용도의 오차에 영향을 미치는 인자들이며, 는 각각의 측정 오차이다. 입구 이슬점온도의 측정오차는 식(4)의 계산 방법과 건습구온도계의 측정오차로부터 구하면 ±0.3 2℃이다. 각 온도의 측정오차를 고려한 유용도 측정오 차는 평균 6%이며 최소 4%, 최대 6.3%인 것으로 분석되 었다.
2.3 시험결과
유입공기 온습도와 공급유량이 Table 2의 기준조건 으로 일정한 경우에, 추기비율 변화에 따른 출구 온도 및 유용도 측정결과를 측정오차 범위와 함께 Fig. 4에 나타내었다. 일반적인 증발냉각기가 유입공기의 습구 온도까지 냉각 가능한 것에 비하여, 본 연구의 재생증 발식 냉방기는 유입공기의 습구온도인 23.7oC 이하까 지 냉각할 수 있음을 보여준다. 추기비율이 커질수록 공 급온도가 낮아지지만, 공급유량을 일정하게 유지하기 위해서는 추기비율 증가에 따라 건채널과 습채널 통과 유량이 모두 증가하여야 하므로 송풍기 동력이 증가함 을 감안하여야 한다.
Fig. 4에는 Lee et al.(14)의 해석 모델로부터 예측한 냉방기 성능을 측정결과와 비교하여 점선으로 나타내 었다. 측정결과가 예측결과에 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 출구온도는 0.4~0.7℃, 유용도는 3~6% 미치 지 못하는데, 이 차이는 측정오차의 범위를 상회하는 것으로 Lee et al.(14)의 해석 모델에 포함되지 않은 손 실요인이 영향을 미치고 있음을 의미한다. 본 연구에 서는 재생증발식 냉방기의 알루미늄 소재를 통한 유 동방향 전도열손실과 습채널 표면의 불완전한 젖음 도, 증발수 열용량의 영향 등을 반영하여 해석 모델을 보완한다.
3. 수치해석
3.1 재생증발식 냉방기 해석 모델
재생증발식 냉방기의 냉각과정을 이론적으로 해석 하기 위하여 다음과 같은 가정을 도입한다.
(1) 채널 내의 흐름은 유동 및 열적으로 완전 발달되어 있다.
(2) 물성치는 온도에 관계없이 일정하다.
(3) Lewis 수는 1이다.
(4) 건채널과 습채널 사이 열전달판과 수막을 가로지 르는 열저항은 무시한다.
(5) 습공기 중 수증기의 현열은 잠열에 비해 작으므로 무시한다.
Table 4 Conduction passage area of a single module Area[mm²] Evaluation[mm²] Ratio Heat plate 696 (580×0.15)×8 0.15 Case 1110 [{(580+111)×2}×0.8] 0.25
Fin 1200 {12×(0.13-0.02)}×
(580/1.5)×(3×3)×0.26* 0.27 Fillet 1460 [(12×0.02)+{(1.5-0.13)
×0.13}]×(580/1.5)×(3×3) 0.33
*effective conduction passage area ratio.
Table 3 Dimensionless numbers Dimensionless
number Definition Value
at the ref. cond.
7.1 12.2 0.096 0.3 0.049
≤ ≤
≤ ≤
위에 정리한 가정과 전술한 손실요인을 반영하여 재생증발식 냉방기의 열, 물질전달과정을 표현하면 다 음과 같다.
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
상기 모델은 Lee et al.(14)의 모델에 습채널 젖음도 와 열교환기 고체부분을 통한 전도열전달 항(식(8)의 우변 첫째항), 증발수의 대류열전달 항을 추가한 수정 모델이다. 젖음도 는 습채널 내부 열전달표면이 수막 으로 완전히 덮이지 않은 것의 효과를 나타내는 인자 로써, 습채널 열전달표면적 대비 젖음면적의 비율로 정의된다. 위의 식에서 N은 전달단위수(Ntu)이고,
은 건채널 유량 중 습채널로 추기되는 추기비율, 은 증발에 따른 증발수 유량의 감소를 나타내는 무차원수 이다. 하첨자 d, w, e는 각각 건채널, 습채널, 증발수를 의미한다. 는 증발수 표면에서의 포화습도이다. 각 무차원수의 정의와 기준조건에서의 값을 Table 3에 정 리하였다.
경계조건은 다음과 같다.
,
, ∈
(10)
건채널을 통과한 공기의 일부가 습채널로 흡입되 므로, 건채널 출구와 습채널 입구( )에서의 온습 도 조건은 동일하다. 증발수가 일정한 온도 으로 상부( )로 공급되어, 습채널 상부와의 온도차에 해당하는 열량을 전도열전달의 형태로 전달한다고 가 정하였다. 열전달판 하부( )에는 단열조건을 적용 하였다.
식(8)에서 전도열전달은 유동방향 온도기울기가 작 아지는 쪽으로 영향을 미치므로, 가 클수록 열교환 기의 입출구 온도차가 작아지게 되어 냉각성능이 감소 하게 된다. 는 열교환기 고체부분을 통한 전도열전 달의 열전도도(thermal conductance)를 의미하며, Table 3에 정의된 바와 같이, 유동방향에 직교하는 열교환기 단면적 중 고체가 차지하는 면적인 에 비례한다.
는 전도열전달의 경로면적으로서, 전도열전달에 의한 손실을 줄이기 위해서는 이 면적을 최소화하여야 한 다. 본 연구에서 제작한 재생증발식 냉방기 단위 모듈 의 전도열전달 경로면적 의 구성요소와 각 요소의 크기를 Table 4에 나타내었다. 전도열전달 경로는 열 전달판, 외곽 케이스, 열전달핀, 브레이징 필렛(brazing fillet) 등으로 구성된다.
브레이징 필렛은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 핀 표 면에 코팅된 필러금속(filler metal)이 브레이징 공정 중 에 녹아서 모세관 현상에 의해 열전달핀과 열전달판 의 접합부에 모여 형성된 것으로 필러금속의 코팅 두 께 0.02 mm로부터 경로면적을 계산하였다. 열전달핀
Fig. 5 Conduction passage area.
Fig. 6 Contour map for the RMSD.
의 경로면적 계산에서는 핀의 두께가 브레이징 과정 에서 0.13 mm에서 0.02 mm로 줄어드는 것과 루버 가 공에 따른 슬릿에 의하여 전도열전달 경로가 차단되 는 효과를 고려하였다. 열전달핀 높이 12 mm 중 루버 길이가 10 mm이어서 연결된 부분의 길이는 2 mm에 불과하지만, 슬릿이 3 mm 간격으로 가공되기 때문에 Fig. 5에 나타낸 2차원 전도열전달의 효과로 인하여 유효 전도열전달 경로의 비율은 2/12를 상회하게 된 다. Fig. 5에 나타낸 온도 등고선과 열유속선은 열전달 핀의 루버 1개에서의 전도열전달을 수치해석한 결과 를 나타낸 것이다. 슬릿과 슬릿 사이에서 열유속선이 상부로 휘어짐에 따라 슬릿이 가공된 부분도 어느 정 도 전도열전달에 기여하게 된다. 수치해석을 통하여 유효 전도열전달 경로 비율을 구할 수 있으며, 본 연 구의 경우 0.26으로 구하여진다. 이 값은 연결부 비율 0.17(= 2/12)을 상회하며, 이를 전도열전달 경로면적 계산에 적용하였다.
3.2 젖음도와 유효 증발수 유량의 추정
식(5)~식(9)에 나타낸 해석 모델에서 습채널 젖음도
가 냉방기 성능에 큰 영향을 미칠 것을 예상할 수 있다. 선행 연구에서도 젖음도의 영향을 지배방정식 에 반영하지만(12, 13) 젖음도 영향에 관한 분석 연구는 없다. 표면 젖음 특성(surface wettablity)은 Wang and Reid(17)가 습채널 재질에 따른 젖음 특성을 분석하고 유용도를 측정한 연구를 진행하였다. 그러나 이는 재 질에 관한 연구로 실제 운전상황 중 젖음도는 위 연구 와 같이 구할 수 없으며 직접적인 측정도 불가하다. 또한 전술한 전도열전달 경로면적과 같이 열교환기 구조로부터 계산할 수도 없다. 따라서 본 연구에서는 시험에서 측정된 유용도와 해석 모델의 예측결과가 잘 일치하는 젖음도를 구하는 방법으로 본 연구에서 제 작한 재생증발식 냉방기 습채널의 젖음도를 추정하고 자 한다.
증발수 무차원 유량에 대한 고찰도 필요하다. 해석
모델에서는 증발수가 시간에 관계없이 일정한 유량으 로 습채널에 공급되는 것으로 모델화하였으나, 실제 로는 Fig. 2(c)에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 증 발수 공급 장치의 왕복운동에 의하여, 특정 위치의 습 채널에 대해서는 왕복주기에 맞춰 증발수가 간헐적으 로 공급된다. 간헐적으로 공급된 증발수의 일부는 습 채널 열전달표면에 코팅된 친수성 다공물질 층에 흡 수되어, 다음 증발수 공급주기까지의 증발량을 감당 한다. 다공물질 층에 흡수되지 않은 초과분의 증발수 는 습채널 하부로 배출된다. 이러한 간헐적 공급 영향 으로 인해 증발수 유량의 영향은 같은 공급유량이 시 간에 대해 일정하게 공급되는 경우에 비해 작을 것으 로 예상된다. 이에 대한 정확한 분석을 위해서 비정상 상태에 대한 해석이 수행되어야 하지만, 본 연구에서 는 젖음도와 마찬가지로 측정 유용도와 모델 예측 값 이 잘 일치하는 유효 증발수 유량을 구하는 방법을 적용하였다.
Fig. 6에 젖음도와 무차원 증발수 유량의 변화에 따 른 모든 시험조건에서 유용도의 측정값과 모델 예측 값의 평균적인 차이의 등고선을 나타내었다. 젖음도가 0.66, 유효 무차원 증발수 유량이 0.032인 경우에 평균 오차가 0.4%로 가장 작다. 이 젖음도 수치 0.66은 본 연구의 재생증발식 냉방기 단위 모듈과 동일하게 제작 한 샘플을 절단하여 실시한 습채널 젖음도 관측시험에 서 관찰되는 값과 유사하다. 유효 무차원 증발수 유량 0.032도 실제 공급유량에 대한 값 0.049(Table 3 참조) 보다 작은 값으로 타당한 결과로 볼 수 있다.
(11)
Fig. 7 Cooling effectiveness of the REC with respect to (a) supply air flow rate (b) extraction ratio and (c) relative humidity of the inlet air.
4. 시험결과 분석
4.1 시험결과와 예측결과 비교
공급유량, 추기비율, 상대습도의 변화에 대한 유용 도 측정값을 예측결과와 비교하여 Fig. 7에 나타내었다.
예측결과로는 Lee et al.(14)과 본 연구의 결과를 모두 나타내었다. 본 연구의 해석 모델에는 전절에서 추정한 젖음도와 유효 증발수 유량값을 적용하였다.
본 연구의 예측결과가 모든 시험결과와 측정오차 범 위 내에서 일치함을 볼 수 있으며, 해석 모델 및 무차 원인자의 값들이 적절하게 반영되었음을 의미한다. 4.2 유용도 감소 요인 분석
Fig. 7에서 유용도 측정값이 Lee et al.(14)의 단순모델 에서 예측하는 결과보다 상당히 작은 것을 볼 수 있 다. 특히 공급유량이 변화하는 경우의 결과인 Fig. 7(a) 에서, 공급유량이 작을수록 단순 모델 예측결과 대비 유용도 감소 정도가 점점 커져서 10% 정도에 이르게 된다.
전도열전달, 젖음도, 증발수 유량 등 유용도 감소 요 인 각각이 유용도 감소에 미치는 영향을 분석하기 위 하여 본 연구의 해석 모델에서 각각의 요인을 제외한 경우의 예측결과를 Fig. 8에 나타내었다. 기준조건에서 전도열전달이 없으면 유용도를 약 5% 향상시킬 수 있 고, 젖음도가 1이 되면 유용도를 약 2% 향상시킬 수 있다. 반면 증발수는 유입온도가 23℃로 건공기 입구 온도인 32℃보다 낮아 현열 냉각 효과가 있으므로, 증 발수 유량의 영향이 없으면 유용도는 오히려 1% 정도 감소하게 된다.
위의 결과 유동길이 방향으로의 열전도 손실이 재 생증발식 냉방기의 유용도 감소에 가장 큰 영향을 미 치는 것을 알 수 있다. 전도열전달과 관련한 무차원수
의 정의로부터, 냉방기를 소형화하기 위하여 유동방 향 길이 을 축소할수록 전도열손실의 영향이 더욱 커지게 될 것을 예측할 수 있다.
전도열손실을 감소시키기 위해서는 전도열전달 경 로를 감소시키는 것이 필요하며, 본 연구의 재생증발 식 냉방기에서는, Table 4를 참고할 때, 블레이징 필렛, 열전달핀, 케이스 등의 단면적을 축소하는 것이 필요 하다. 이러한 관점에서 브레이징 필렛을 최소화할 수 있도록 소재와 공정 개선이 필요하며, 열전달핀의 슬 릿을 핀 하단부까지 연장하거나 루버핀 대신 오프셋핀 (offset strip fin)을 적용하는 방법을 고려할 수 있다. 또 한 케이스는 두께를 줄이거나 열전도 경로를 차단하기 위한 슬릿을 가공할 수 있다.
Fig. 8 Effects of the conduction loss, the wetness and the thermal capacity of evaporation water flow.
Table 5 Comparison of evaporative coolers
Flow Arrange
ment
Size ((W×H)×L)
[m]
Channel height (dry/wet)
[mm]
Inlet air temp.
[ºC]
Inlet air humidity
[g/kg]
Extraction ratio
Supply air flow
rate [m3/min]
Dew point
of present study at the same psychrometric
condition
Cooler volume per supply
flow rate [m³/(m³/s)]
Present Study
(2016) counter (0.58×0.76)
×0.15 24/12 32 15.0 0.3 18 0.755 - 0.22
Anisimov et al.(12)
(2014) cross (0.29×0.51)
×0.54 27.1 10.5 0.5 5.42 0.68 0.69 0.89
Woods and Kozubal.(10)
(2012) counter (0.43×0.32)
×0.56 1.85/2.0 35 16.2 0.3 7.25 0.92 0.92* 0.64
Zhan et al.(8)
(2011) counter (0.33×0.60)
×1.1 6/6 30.6 11.35 0.4 4.61 0.56 0.70 2.79
Riangvilaikul and Kumar(4)
(2009) counter (0.08×0.05)
×1.2 5/5 34 19.0 0.33 0.154 0.78 0.85 1.87
*effectiveness when the channel length of the present study is lengthened to 0.39 m.
이러한 손실 인자들은 공급유량에 의해서 영향을 미치는 정도가 변하게 된다(Fig. 8 참조). 공급유량이 기준조건보다 작아지면 전도열손실이 유용도에 영향 을 미치는 정도가 다른 손실요인에 비해 훨씬 커진다.
공급유량이 작으면 전도열손실 관련 무차원수 값이 커져서 전도열전달의 영향이 증가하기 때문이다. 또한 공급유량이 작아지면 냉방기의 열전달량이 감소하게 되는데, 이는 젖음도의 영향이 감소함을 의미한다. 그 러나 공기의 공급유량이 감소하면 증발수의 현열 냉각 효과는 상대적으로 증가하게 된다.
5. 성능 비교
본 연구에서 제작한 재생증발식 냉방기의 성능을 최근 발표된 실험 연구 결과와 비교하여 Table 5에 정
리하였다. 냉각성능 및 소형화 정도를 비교하기 위하 여, 냉각 유용도와 공급유량 당 냉방기 체적을 비교하 였다. 선행연구와 동일한 온습도 조건에서의 유용도를 비교하기 위하여, 본 연구의 재생증발식 냉방기 유용 도는 선행연구의 시험조건에 대하여 해석 모델로 예측 한 결과를 나타내었다. 냉방기의 체적은 열전달부분의 체적만을 고려하였다.
Woods and Kozubal(10)의 연구를 제외하고는, 선행연 구들에 비하여 동일 온습도 조건에서 본 연구의 유용 도가 더 크며, 공급유량 당 체적도 더 작은 것을 알 수 있다. 특히 Anisimov et al.(12)의 연구는 상용화된 제품 을 이용하여 실시한 것으로 본 연구의 시작품이 상용 제품보다 냉각 유용도 및 소형화 측면에서 더 유리함 을 나타낸다. Woods and Kozubal(10)의 연구와 비교에서 는 본 연구의 재생증발식 냉방기 유동방향 길이를 0.39 m로 증가시킨 경우의 예측결과를 Table 5에 나타 내었다. 이 경우 본 연구의 체적효율이 0.58로 증가하 지만 여전히 Woods and Kozubal(10)의 결과보다는 작다. 6. 결 론
본 연구에서는 냉방기의 소형화를 위해 유동방향 길 이를 축소한 대향류 핀삽입형 재생증발식 냉방기를 고 안하여 제작하였으며, 공급공기 유량, 추기비율, 흡입 공기 습도 등이 변화하는 조건에서 냉방기의 성능 변 화를 측정하였다. 유동방향 길이 축소에 따른 유동방향 전도열손실의 증가와 습채널 표면의 불완전한 젖음도, 증발수의 현열냉각 효과를 반영한 해석 모델을 개발하 였으며, 시험결과를 잘 모사할 수 있음을 보였다. 이 모 델에 기반한 수치해석을 통하여 소형화가 재생증발식 냉방기 성능에 미치는 영향을 분석하고, 재생증발식 냉 방기의 성능을 향상시키기 위한 방안을 제안하였다. 마
지막으로 냉각 유용도와 공급유량 대비 체적을 선행연 구와 비교하였다. 본 연구에서 제작한 재생증발식 냉방 기가 선행연구들에 비하여 냉각 유용도는 크고 상대적 인 체적은 가장 소형임을 보였다.
후 기
본 연구는 2015년도 산업통상자원부의 재원으로 한국 에너지기술평가원(KETEP)의 에너지기술개발 사업(No. 2015 2020105080)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.
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