집 중 기획
장영수
국민대학교 기계공학부 교수 [email protected]
전동순
한국생산기술연구원 열유체시스템그룹
선임연구원 [email protected]
김선창
한국생산기술연구원 열유체시스템그룹 수석연구원 [email protected]
열원 구동 냉방 기술로서, 액체식 제습냉방기술의 특징과 최신 기술개발 동향에 대하여 소개하고자 한다.
액체식 제습냉방기술의 동향
서 론
최근 공조시스템에서는 온도 조건뿐만 아니라 습도도 중요한 요소로 인식되고 있다. 반도체 및 섬유 산업 등에서의 습도 조절은 온도보다 더 큰 중요성을 가지고 있으며, 일상생활환경에서도 습도 조절의 중요성이 부각되고 있다. 우리나라의 여름철 기후는 고온 다습한 특성을 지니고 있어서, 습도가 쾌적성을 결정짓는 중요한 요소이다.
하절기 냉방에 주로 사용되고 있는 압축식 냉방 기술에 적용되는 HCFC, HFC 계열의 냉매가 오존층 파괴나 지구온난화 등 지구 환경 오 염을 야기하고, 과도한 전력소비로 하절기 전력수요 폭증 및 전력수급의 불균형 문제를 유발함에 따라, 이들 기기를 대체할 수 있는 기술 개발에 관심이 집중되고 있다. 흡수식, 흡착식, 제습냉방 및 GHP 등 열원 구동 냉방기기들의 성능 향상이 지속적으로 이루어지고 있으며, 기존 전기식 냉방기기를 대체하거나 새로운 응용분야를 넓혀가고 있다.
교토의정서를 대체할 2020년 이후 신기후변화 체제하에서 온실가스 저감을 위한 국제적인 노력이 지속되고 있으며, 정부는 2030년까지 BAU 대비 온실가스를 37% 감축하는 목표를 확정한 바 있다. 신재생에너지 중
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태양열 이용시스템은 태양열에 의한 온수급탕의 수요가 동절기에만 한정되어, 정작 태양에너지의 밀도가 높은 하절기에 이용률이 감소하여 설치비 용 회수에 오랜 기간이 소요되는 문제가 있으므로, 태양열을 이용한 냉방시스템을 개발하는 것이 필 요하다. 일반적으로 열에 의하여 구동되는 냉방시 스템은 난방이나 급탕에 비하여 비교적 높은 온도 의 열을 필요로 하는데, 태양열 시스템은 집열온도 가 높아질수록 집열효율이 감소하므로 가능한 한 저온 열원에 의하여 구동될 수 있는 냉방시스템을 개발하여야 한다. 다양한 열원 구동 냉방 기술 중에 서 저온의 열원에서 구동이 가능한 제습제를 활용 한 냉방(desiccant cooling) 기술에 대한 관심이 증 가하고 있다.
미국, 유럽 및 일본 등 선진국에서는 액체식 제 습기술을 기존 냉난방시스템 및 신재생에너지와 연 계하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 액체식 제습냉방기술을 상용화시키기 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 국내에서는 약 10여 년 전부터 액체식 제습 기술에 대한 연구가 시작되었 으나, 내부 열교환기 방식 액체식 제습 기술이 적용 된 상용화 제품은 전무한 상태이다.
액체식 제습냉방기술의 특징
액체식 제습냉방기술은 액체 제습제를 이용하
여 흡입공기의 수증기를 흡수하여 잠열부하를 처 리하고, 건조해진 공기를 증발 냉각 또는 냉수코 일, 냉동시스템 증발기 등을 이용하여 온도를 떨어 뜨려 현열부하를 처리하는 냉방 기술이다. 액체 제 습 사이클의 작동은 저온에서 주위 공기로부터 수 증기를 흡수하는 제습 과정과 고온에서 이 습기를 공기로 방출하는 재생과정으로 이루어진다. 일반 적인 액체식 제습 과정을 그림 1에 나타내었다.
제습기에 액체 제습제가 공급되면, 제습제의 수증기 분압과 공기의 수증기 분압 차이에 의해 공 기 중의 수분을 흡수하게 된다. 액체 제습제의 수 증기 분압은 제습제의 농도와 온도의 함수로 나타 나며, 온도가 낮을수록 농도가 진할수록 수증기 분 압이 낮아 제습 과정이 활발하다. 따라서 가능한 낮은 온도와 고농도의 제습제 조건에서 제습기가 운전되는 것이 바람직하다.
공기 중 수증기의 흡수에 의해 제습제의 수분 함유량이 증가(제습제의 농도 감소)하면 재생기에 서 고농도의 제습제로 농축되어야 한다. 재생을 위 해서는 제습 과정과는 반대로 제습제에서 공기로 의 수증기 교환이 일어나야 하므로, 그림 2와 같이 온도를 상승시켜 제습제의 수증기 분압을 높여주 며 재생과정이 가능하게 된다.
재생기의 제습제는 재생과정을 거치면서 농도 뿐만 아니라 온도도 상승하게 되는데, 현열교환기 에서 제습기에서 재생기로 이송되는 저온의 제습
[그림 1] 액체식 제습시스템
제습공기 제습기
현열 열교환기 수위센서
냉각수
공기
공기
온수 재생기
재생 공기
[그림 2] 액체 제습제의 온도에 따른 수증기분압 변화
제와 열교환 과정을 거쳐 냉각되어 제습기로 공급 된다. 이를 통해 제습 성능 향상과 재생에 필요한 열량을 줄일 수 있게 된다.
액체 제습제를 이용한 제습기의 성능은 사용된 제습제의 종류, 제습기의 외부 형상에 따른 기액 접 촉면의 형태, 작동 인자 등에 좌우된다. 특히 제습제 의 선택은 제습기의 크기, 작동범위(온도, 습도), 효 율, 비용, 서비스 수명 등에 영향을 미치므로, 시스 템 성능과 냉각 용량에 가장 큰 영향을 준다. 액체제 습제가 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.
① 평형 증기압이 낮을 것
② 화학적, 열적으로 안정할 것
③ 재생 복원이 용이할 것
④ 인체에 무해할 것
⑤ 반응열과 용해열이 작을 것
⑥ 물에 대한 용해도가 클 것
⑦ 점성이 작고 열전도성이 우수할 것
⑧ 제습제의 가격이 저렴할 것
현재 많이 사용되는 액체 제습제는 염화리튬 수용 액, 염화칼슘 수용액과 트리에틸렌글리콜 등이 있다.
염화칼슘은 저가의 제습제로 손쉽게 사용할 수 있 으나, 상대적으로 증기압이 높은 단점이 있다. 염화 리튬은 낮은 수증기압을 가져 가장 안정적으로 사 용되는 제습제로 공기부유 오염물질을 제거할 수 있으며, 공기 중의 박테리아와 바이러스를 없애는 멸균기능도 갖고 있다. 그러나 상대적으로 고가라 는 단점과 부식성이 커 외부로 유출될 때 공조장치 나 공조 공간 내 금속부에 심각한 부식을 일으킬 수 있으므로 각별한 주의가 필요하다.
액체식 제습 기술은 일종의 개방형 흡수식 사 이클로서, 모든 과정이 대기압 조건에서 이루어지 므로, 불응축 가스에 의한 성능저하 문제가 없으며, 제작이 용이하다. 제습제와 공기가 직접 접촉하므
로 열 및 물질전달이 효과적이며, 제습제의 살균효 과로 공기 오염 제거 효과를 부가적으로 얻을 수 있 다. 다양한 열원(태양열, 천연가스, 배열, 전기)을 활 용한 냉방 공급과 저온의 지역난방 공급수를 이용 한 지역 냉방 공급도 가능하다.
액체식 제습냉방기의 종류
액체식 제습시스템은 제습기의 구조 및 냉각방 식에 따라 스프레이식(spray type), 충전탑식(pack
ed tower type) 및 내부 열교환기방식(internal heat exchanger type)으로 분류할 수 있으며, 개략도를 그림 3에 나타내었다.
스프레이식 제습기에서는 공기와의 접촉면적 및 접촉시간을 늘리고자 제습액을 고압노즐에 의 해 공기속으로 미립화 분사한다. 충분한 물질전달 량 확보를 위하여 비교적 많은 양의 제습액을 필요 로 하고, 제습 과정 중에 발생하는 흡수열 및 반응열 로 인하여 제습효율이 저하하게 되며 액체 제습제 의 비산 등의 단점을 가지고 있다.
스프레이식의 단점을 보완하기 위해 제습부 내 부의 충전재의 표면위로 액체 제습제가 흐르고 하 고, 충전재 사이로 처리공기를 통과시켜 제습이 이루어지는 충전탑식 방식이 Kathabar, Advantix, DryKor, Ficom 등에서 개발되었다. 물질전달 면적 확 보에는 용이하지만 스프레이식과 마찬가지로 제습 과정에서 발생되는 흡수열로 인하여 제습능력은 저 하되는 단점이 있다. 과도한 제습제 유량은 제습기 표면에 두꺼운 액막을 형성하여 공기 유동 방향으로 액막 표면이 불안정한 파형을 형성하게 되어 제습제 가 공기에 비산하는 단점이 있다. 이를 보완하기 위 해 데미스터(demister)를 설치하는 등, 장치가 커지 고, 공기측 압력손실이 증가하는 문제점이 있다.
스프레이식 및 충전탑식 제습기의 단점을 해소 하기 위해 제습 과정에서 발생하는 흡수열을 내부
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열교환기에서 제거하여 액체 제습제의 온도를 낮 추어 증기압이 높아지는 것을 방지할 수 있는 내부 열교환기 방식이 개발되고 있다. 제습 과정 동안에 흡수열이 제거된다면 제습 과정이 등온과정에 근 접하게 되므로, 제습성능을 향상시킬 수 있다.
내부 열교환기형 제습기술 동향
내부 열교환기 방식의 제습기의 경우, 제습과 동시에 흡수열을 제거할 수 있으므로 제습 성능 향 상뿐만 아니라, 스프레이식 및 충전탑식 비하여 최 대 1/6 수준의 제습제의 공급유량으로 동일한 제습 성능을 가지는 것으로 보고되고 있으며, 액막 경계 면의 안정성이 증가되어 표면으로부터 용액의 비 산을 방지할 수 있으며, 용액순환에 따른 부가적인 손실이 감소하게 된다. 대신 액체 제습제가 대면적 의 제습기 표면에 균일하게 공급되어 얇은 액막을
유지할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.
미국 AIL Research사에서 그림 4와 같이 내부에 냉각수 유로가 있는 판형 열교환기를 적층한 제습 기를 개발하였다. 제습제로 사용된 염화리튬 수용 액은 강한 부식성을 가지고 있으므로, 금속 재질 대 신 플라스틱 재료가 사용되었다. 판형열교환기에 는 제습액이 상부에서 아래로 흘러내리며, 교차하 여 흐르는 공기 중의 수분을 흡수하게 된다. 발생한 흡수열은 열교환기 내부로 흐르는 냉각수에 의해 내부 냉각이 되게 된다. 열교환기 표면은 0.5 mm의 심지(wick)구조를 접합하여 액체 제습제가 열교환 기 외부표면을 완전히 적실 수 있도록 하였다.
한국과학기술연구원에서는 그림 5와 같이 내 부에 냉각을 위한 다중채널을 가지고 있는 판형 열 교환기가 적층되어 있는 구조를 기본으로, 평판열 교환기 사이에 물질 전달 면적을 확대하기 위한 확 장 표면을 채용한 제습기를 개발하였다. 판형 열교
[그림 3] 액체식 제습시스템의 종류
(a) 스프레이식 (b) 충전탑식 (c) 내부 열교환기방식
[그림 4] 플라스틱 판형 열교환기 제습기(AIL Research, Inc.)
액체 제습액
냉각수 또는 가열수
공기 공기
[그림 5] 확장 표면 적용 제습기(한국과학기술연구원)
환기 사이 공기 유로에 열교환기의 핀 구조와 같은 확장 표면을 적용하고, 열교환기 표면뿐만 아니라 확장 표면에도 액체 제습제가 액막 형태로 흐를 수 있도록 하여, 공기와의 물질전달 면적을 확대하는 방안을 제안하였다. 열교환기 표면에서 액체 제습 제의 젖음성을 향상시키기 위해 친수성 표면처리 를 한 부직포를 열교환기 표면에 부착하였다.
한국생산기술연구원에서는 내부식성 재료인 ABS를 이용하여 그림 6과 같은 제습·재생용 판 형 열교환기를 개발하였으며, 유동 방향으로 수백
㎛ 크기의 패턴을 성형하고 친수성 코팅을 하여 제 습액의 흐름 및 퍼짐성을 향상시켰다. 특히 젖음성 향상을 위해 플라스틱 표면에 그림 7과 같은 다공 성 표면처리 기술을 국민대에서 개발하였으며, 모 세관효과에 의해 액체 제습제의 퍼짐성을 극대화 하였다.
멤브레인 적용 액체식 제습냉방기술
판형열교환기를 적용한 내부 열교환기 방식의 제습기인 경우, 저유량의 액체 제습제가 열교환기 표면에 박막형태로 흐르게 되므로 비산에 의한 제습 제의 외부 유출에 대한 위험성은 현저히 낮은 것으 로 알려져 있다. 그러나 최근에는 근본적으로 제습 제의 외부 유출을 방지할 수 있는 기술 개발이 진행 되고 있다.
액체는 통과하지 못하고 기체는 통과할 수 있는 반 투과성 멤브레인의 특성을 이용하여 제습제와 공 기 사이에 멤브레인을 설치하면, 공기에 포함된 수 증기는 멤브레인을 통하여 제습제에 흡수가 되지만, 액체 제습제는 멤브레인을 통과하지 못하므로 공기 로 누출되지 않는다. 따라서 공기를 통해 고부식성 의 액체 제습제가 외부로 유출되는 비산 문제를 근 본적으로 해결할 수 있게 된다. 제습기 모듈은 평형 판이나 중공섬유(hollow fiber)방식이 연구되고 있 다. 중공섬유 방식은 그림 8과 같이 셸튜브 열교환 기와 유사하다. 중공섬유 튜브가 셸 내부에 설치되 어 있고, 튜브 내로 제습제가 흐르고, 셸 측으로 공기 가 흐르면서 제습이 일어나는 구조이다. 밀집한 형 태로 제작할 수 있으나, 유로 압력손실이 커지는 문 제가 있다. 평판형 멤브레인 제습기는 내부 열교환 기 방식의 평판형 열교환기에 멤브레인을 장착하고, 제습제 유로와 공기 유로를 교대로 위치하는 형태로 적층한 구조이다. 중공섬유방식에 비해 상대적으로 구조가 간단하고, 압력손실이 작은 장점이 있다. 멤
[그림 6] 열교환기방식 제습 및 재생기(한국생산기술연구원/
장한기술)
[그림 7] 판형열교환기 젖음성 향상 표면처리 SEM사진(국민대학교)
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브레인에 의해 제습제가 공기 유로 쪽으로 비산되는 것은 방지할 수 있으나, 제습제의 외부 누설 길이가 길어져 이를 밀봉하는 기술과 열교환기 표면으로 소 량의 제습제를 균일하게 분배하는 기술이 중요하다 (그림 9).
NREL(National Renewable Energy Laboratory)은 새로운 개념의 제습식 증발냉각기(DEVap)를 제안 하였으며, 기본원리는 다음과 같다. 액체 제습제에 의해 제습된 공기의 일부를 제습채널의 아래 채널 로 유도하고, 수분의 증발을 통해 냉각시켜 온도를 낮추어 제습채널의 공기를 냉각시키고 배출한다.
제습과 증발냉각을 결합하여 공기의 제습 및 냉각 을 동시에 구현하는 신개념의 제습식 증발냉각 방 식이다. 액체 제습제와 공기 사이에 약 25 μm의 두
께의 멤브레인을 설치하여 제습제의 비산을 방지하 며, 멤브레인은 약 1 μm 사이즈의 미세공이 분포되 어 있으며, 기공 면적은 멤브레인 전체면적의 70%
이상이다(그림 10).
액체식 냉방시스템의 효율 향상 기술
AIL Research사에서 그림 11과 같이 흡수식 냉 동사이클의 2중 효용과 유사한 개념의 재생기를 채 용하여 제습냉방시스템의 효율을 향상시키는 방안 을 제안하였다. 액체 제습제 농축 보일러에서 고온 의 열원을 이용하여 제습제를 가열, 농축하여 스팀 을 발생시킨다. 발생한 스팀의 열을 재이용하여 앞 서 제안한 제습기와 유사한 구조의 재생기에서 제 습제를 농축하는 방법이다.
액체식 제습시스템은 재생기에 투입되는 에너 지로 구동되며, 주요 구동 에너지는 전기가 아닌 열 로 구동되는 열구동시스템이다. 따라서 그림 12와 같이 가스 직화식은 물론 태양열, 지열 및 폐열 등과 같은 신재생에너지를 구동 열원으로 사용할 수 있 기 때문에 운전조건 및 설치 상황별로 다양한 구동 열원과의 조합을 통하여 최적의 효율을 얻을 수 있 다. 액체식 제습시스템을 히트펌프 및 기존의 증기 압축식 냉방기와 연계할 경우, 히트펌프의 방열부 열을 이용하여 재생을 수행하고, 냉방 시 소요되는 잠열부하를 줄일 수 있기 때문에 냉방시스템의 전 체적인 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
[그림 10] 맴브레인 적용 제습식 증발냉각기(NREL)
[그림 9] 평판형 멤브레인 제습기
Water
Air Desiccant
[그림 8] 중공섬유방식의 멤브레인 제습기
Solution in Solution out
Hollow fiber membranes
Air in Air out
맺음말
제습냉방기술은 우리나라와 같이 하절기의 고 온 다습한 기후여건에 적합하고, 환기 부하 처리, 실내 공기질 개선, 의약품 제조, 식품 가공, 식품 저장, 농수산물 저장, 반도체 공정, 화학공정 등 산업현장에서 다양하게 이용될 수 있는 냉방 기술 이다. 현재 국내외에서 기존 액체식 제습시스템의 비산문제을 보완하고, 성능을 향상시키기 위한 다
양한 시도들이 이루어지고 있으며, 증발 냉각기술 이나 현열 냉각과 같이 다른 냉방 기술과 결합한 하이브리드(hybrid)시스템으로 구성하면 매우 효 율적인 냉방시스템 구현이 가능하다. 다양한 열원 (태양열, 천연가스, 배열, 전기 등)에도 운전이 가 능하므로, 열원을 다양화한 고효율 시스템 기술 을 개발하면 국가적인 에너지의 효율적 사용과 온 실가스 대응기술로서 큰 역할을 할 것으로 기대 한다.
Steam at~1.1 atm
Low Pressure Steam
Evaporatively Cooled Condenser
Water to Cooling Tower or Drain
Strong Desiccant Solution
to Absorber Weak Desiccant
Solution From Absorber ExchangerHeat ExchangerHeat
HeatInput PressureHigh
Boiler
PressureLow Boiler
[그림 11] 이중효용 액체 제습액 재생장치 개념도(AIL) [그림 12] 태양열 연계형 제습냉방기술(AIL)
