에어컨용 복합식 에어필터의 집진효율 특성
유경훈
*
⋅여국현⋅박찬정1)
⋅이재권1)
⋅윤 백1)
한국생산기술연구원 에어로졸･필터연구실,
1)
삼성전자(주) 시스템가전사업부 (2004년 6월 22일 접수 ; 2004년 10월 4일 채택)Particle Collection Efficiency Characteristics of Combination Air Filters for Air Conditioners
Kyung-Hoon Yoo
*
⋅Kuk-Hyun Yeo⋅Chan-Jung Park1)
⋅Jai-Kwon Lee1)
⋅Baek Youn1) Aerosol and Filtration Technology Laboratory, Korea Institute of Industrial Technology
1)
A/C R&D Group, System Appliances Division, Samsung Electronics
(Received 22 June 2004 ; accepted 4 October 2004)Abstract
In order to develop combination air filters for air conditioners, 2 types of charging section were constructed. One was the wire-plate type and the other was the scroll type. Each charging section was combined with the same electrostatic polypropylene (PP) media. NaCl aerosol particles with geometric mean diameter of 0.05∼0.16㎛, geometric standard deviation of 1.6∼1.9 and total number concentration of 1,700∼24,000 particles/㎤ were used to determine collection efficiencies of the combination air filters for air conditioners with respect to particle size. It was shown that the scroll type combination air filter has greater collection efficiencies and lower pressure drops than the wire-plate type one does.
Keywords
：Combination air filter, Air conditioner, NaCl particle, Collection efficiency, Pressure drop
대한 소비자의 관심이 고조되고 있는 시점에서 기 존의 에어컨 기능이 단순히 냉방 또는 난방만을 주로 하는 것은 소비자의 욕구를 적극적으로 반영 할 수 없다고 판단된다. 이러한 냉난방기능 이외 에 공기청정기능 및 인체쾌적성(human comfort)을 본격적으로 도입한 고급화된 기능성 에어컨을 개 발하여 소비자의 니즈(needs)에 대한 적극적인 대 응이 요구된다.
본 연구에서는 소비자들의 이러한 시대적 요구 에 대응할 수 있는 에어컨용 복합식 에어필터를 개발하고자 한다. 이 복합식 에어필터는 기존의 에어컨용 전기식 에어필터(유경훈 등, 1995)를 개 선하기 위한 것으로 전기식과 기계식을 결합한 코 로나 하전식 정전여재필터로서 일반적인 2단 전 기집진기(Yoo et al., 1997)의 평행판 집진부를 정 전여재로 대체한 것이며 고효율을 유지하면서 두 께가 얇은 박형이다. 즉, 양의 코로나를 이용하여 입자를 양으로 하전시킨 후에 정전기를 도포한 폴 리프로필렌 재질의 정전 여재를 사용하여 쿨롱력 으로 하전입자를 집진하는 것이다. 이 정전여재는 허니컴 타입으로 적층하여 일반적인 무정형 섬유 여재에 비해 차압을 줄이면서도 적층된 각 폴리프 로필렌 층마다 다른 극성의 정전기력을 띄게 하여
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험장치
Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험장치의 전체적 인 개략도이다. 실험장치는 크게 청정풍동(유경훈, 1996), 에어로졸 발생부, 에어로졸 측정부, 그리고 Fig. 2에 도시된 에어컨용 복합식 에어필터가 장 착되는 시험부로 나누어진다. 에어로졸의 발생부 에서 발생된 에어로졸은 청정풍동 안으로 유입되 고, 집진부에서 집진된 후 에어로졸 측정부에서 입자크기분포가 측정된다. Fig. 3은 비교적 단분산 적인 대수정규분포(log-normal distribution)의 소금 (NaCl) 입자 에어로졸을 발생시키기 위하여 분무 형 입자발생기(Constant Output Atomizer, Model 3076, TSI, Inc., St. Paul, MN, USA)를 사용한 입자 발생장치의 구성도를 보여주고 있다. 청정 압축공 기는 수분분리기(water trap)와 실리카겔이 담겨있 는 건조기(dryer)에서 수분이 제거되고 압력조절기 (pressure regulator)를 이용하여 40psi로 공급된다.
이때 1.1L/min의 공기가 흐르게 하였다. 분무형 입 자발생기에 공급된 압축공기는 분무형 입자발생 기 내의 직경 0.343㎜의 작은 오리피스를 지나면
서 고속으로 분출되고 이때 이 오리피스 원형디스 크의 바로 하류에 있는 수직의 원형 분출구를 통 하여 공급되는 0.1
∼
100g/L 농도 범위의 NaCl 수 용액이 고속 분출되면서 분무된다. 이상과 같이 발생된 NaCl 입자 에어로졸은 확산건조기(diffu- sion dryer)에서 수분이 제거되고 이후 Kr-85 중화 기(neutralizer)를 통과하면서 전기적으로 중화된 후 청정풍동의 상류에 투입된다.에어로졸 내에 부유하는 입자들의 수농도를 정
확히 측정하기 위해서는 먼저 공기유동 내의 입자 들을 Fig. 4에 도시된 샘플링 프로브로 정확히 샘 플링하고 샘플링 입자들을 샘플링 튜브 벽면으로 침착손실이 없이 그대로 입자수농도 측정장치로 수송하는 전달장치의 확립이 필요하다. 본 실험에 서는 Okazaki and Willeke(1987)와 Gong et al.
(1993)의 설계에 근거하여 Fig. 4에 도시된 Shroud- ed Willeke-type 샘플링 프로브를 하류의 난류의 영향을 배제하기 위하여 제작하였고, 샘플링 라인 Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus.
Fig. 2. Schematic diagram of the combination air filters for air conditioner (top-view).
상의 샘플링 프로브 및 샘플링 튜브의 전달효율이 모두 보정되었다(유경훈, 1996).
Fig. 2의 와이어-판형의 하전부를 가진 A-type 복 합식 에어필터의 경우 하전셀 와이어의 직경 d=0.1
㎜, 하전셀의 유동방향 길이 L =15㎜, 정전여재부 의 유동방향 길이 H=10㎜이고, B-type의 경우 와이 어를 대신하여 스크롤형 전극을 설치하였으며 와 이어의 직경 d=0.1㎜, 스크롤의 외경은 25㎜로 구 성되었다. 고전압 전원공급장치는 현재 제품에 사 용중인 것을 사용하였고, 와이어-판형의 하전부를 가진 A-type은 인가전압이 +8kV일 때 100μA의 코 로나 전류가 흘렀으며, 스크롤형의 하전부를 가진 B-type은 인가전압이 +5.25kV일 때 120μA의 코로 나 전류가 흘렀다. 이로부터 B-type의 경우가 소비 전력이 더 낮으면서도 더 높은 코로나 전류가 얻어 졌음을 알 수 있다.
Fig. 5는 복합식 에어필터의 정전여재부인 정전기
를 도포한 허니컴 타입의 폴리프로필렌(PP) 재질의 셀을 보여주고 있다. 이 정전여재부는 각각의 하전 셀과 결합되어 복합식 에어필터를 이루게 된다.
Fig. 3. Schematic diagram of the system used for generating NaCl submicron aerosols.
Fig. 4. Schematic diagram of the shrouded sampling probe.
Fig. 5. Schematic diagram of the electrostatic air filter media.
2.2 실험방법
복합식 에어필터의 입자크기별 집진효율을 측 정하기 위하여 복합식 에어필터를 통과하기 전과 통과한 후의 입자수농도를 Scanning Mobility Particle Sizer(이하 SMPS; Model 3934, TSI, Inc., St.
Paul, MN, USA)를 사용하여 측정하고 집진효율을 다음과 같이 산출하였다.
η =
C inlet
−Coutlet
C inlet
(1) 여기서, η는 입자수농도 기준에 의한 집진효율이고,
C inlet
는 복합식 에어필터의 입구에서의 총입자수농도이고,
C outlet
는 복합식 에어필터의 출 구에서의 총입자수농도이다.3. 실험결과
3.1 압력강하
Fig. 6은 복합식 에어필터를 시험부에 장착한 후 양단의 차압을 측정하여 얻은 것으로 공기속도 에 대한 복합식 에어필터의 압력강하 특성를 보여 주고 있다. 그림으로부터 풍동 내 유속이 증가함 에 따라 두 가지 모두 압력손실이 커지는 경향을 보임을 알 수 있다. 이는 일반적인 에어필터의 속 도에 대한 압력강하 특성이 ΔP = C1
U+C
2U
2과 같은 2차곡선의 형태로 얻어지기 때문이다 (Chen et al., 1996). 또, 유속 0.5
∼
2.0m/s 전체에 걸 쳐 A-type이 B-type보다 압력손실이 적음을 알 수 있다. 이는 A-type의 경우가 B-type의 경우보다 형 상이 더 단순하고 유동방향으로의 하전셀의 길이 가 더 짧은 것에 기인한 것으로 판단된다. 일반적 인 에어컨용 에어필터의 정격 처리속도(0.5∼
1.5m/s)를 고려하면 두 가지 모두 5㎜H2
O 이내를유지하고 있음을 알 수 있다.
3.2 에어로졸의 발생특성
Fig. 7은 청정풍동내 공기유속이 0.5m/s일 때 Fig.
3의 분무형 입자발생기(Constant Output Atomizer) 에 사용된 NaCl 수용액의 농도에 따른 복합식 에 어필터 입구에서 측정한 NaCl 에어로졸의 입자크 기분포의 변화를 보여주고 있다. 그림으로부터 NaCl 수용액의 NaCl 농도가 증가함에 따라 평균 입자크기와 총입자수농도가 커지며 전체적으로 거의 대수정규분포를 이루고 있음을 알 수 있다. Table 1은 유속이 0.5m/s의 경우(Fig. 7)와 1.5m/s의 경우에 대한 입자크기분포 특성인 기하평균지름, 기하표준편차, 총입자수농도(TNC)와 NaCl 수용액 의 조건을 각각 수록하고 있다. 표를 보면 동일한 입자 발생량에 대해 유속이 증가함에 따른 희석에 의해서 총입자수농도는 감소하나 기하평균지름과 기하표준편차는 거의 일정함을 알 수 있다.
0 2 4 6 8 10
P re ssur e dr op (m m H
2O)
Fig. 6. Pressure drop across the combination
Fig. 6.
air filter.0 0.5 1 1.5 2 2.5
Air velocity(m/s)
3.3 집진효율
Figs. 8과 9는 와이어-판형 하전부를 가진 A-type 과 스크롤형 하전부를 가진 B-type 복합식 에어필 터에 대해서 인가전압에 따른 입자크기별 집진효 율의 변화에 대한 실험결과를 각각 보여주고 있 다. 두 경우 모두 전압이 인가되면 정전기력이 발 생하여 인가되지 않은 경우보다 집진효율이 크게 증가됨을 알 수 있다. 또한, 전체적으로 V자형의 전형적인 에어필터의 집진효율 특성곡선형태가 얻어짐을 알 수 있다. 이는 하류의 정전여재부에
서의 집진은 상류의 하전부에서의 입자하전에 크 게 좌우되는데, Figs. 8과 9의 0.1㎛ 근처의 집진효 율 최소정점을 중심으로 작은 입자크기영역은 확 산하전(diffusion charging)이 지배적이고 큰 입자크 기 영역은 전기장하전(field charging)이 지배적이 기 때문이다(Yoo et al., 1997). 한편, B-type의 경우 는 A-type의 경우보다 소모된 전력이 작음에도 불 구하고 집진효율이 더 높음을 알 수 있어 하전부 의 구조적인 변경과 이를 통한 입자하전량의 증대 를 통하여 집진효율의 증가를 도모할 수 있음을
Table 1. Geometric mean diameter, total number concentration and geometric standard deviation with NaCl water solution concentration.
NaCl concentration(g/L)
GMD(㎛) TNC(particles/㎤) GSD
0.5m/s 1.5m/s 0.5m/s 1.5m/s 0.5m/s 1.5m/s 0.1
1 10 100
0.054 0.080 0.119 0.163
0.053 0.079 0.120 0.166
4113.3 8920.5 15213 23292
1762 3922.2 6647.4 10237
1.697 1.857 1.814 1.787
1.713 1.841 1.800 1.744 Fig. 7. Particle size distributions for 0.5m/s at
the inlet of combination air filter.
Particle size( µ m)
Fig. 8. Variations of the collection efficiencies with respect to particle size for
various air velocities (A-type).
Particle size (
µm)
알 수 있다. B-type의 경우 공기속도 0.5m/s에서 모 든 입자크기에 대한 집진효율이 90% 이상을 보여 주고 있다.
4. 결 론
와이어-판형 하전셀을 가진 A-type과 스크롤형 의 하전셀을 가진 B-type의 두 가지 종류의 에어 컨용 복합식 에어필터에 대해 압력강하와 집진효 율 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있 었다.
첫째, 동일한 공기속도에 대해 A-type의 복합 식 에어필터가 B-type보다 압력손실이 더 낮음을 알 수 있었다. 또한, 두 가지 복합식 에어필터 모두 정격 처리속도범위인 0.5∼1.5m/s에서 5㎜
H
2
O 이내의 낮은 압력손실을 가지고 있음을 알수 있었다.
둘째, B-type의 복합식 에어필터가 A-type의 경 우보다 소모전력이 더 낮으면서 집진효율이 더 높 고, 특히 0.5m/s의 경우에 90% 이상의 높은 집진 효율을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
셋째, 하전부의 구조적인 변경을 통하여 복합식 에어필터의 집진효율이 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
감사의 글
본 연구는 국무총리실 산하 산업기술연구회가 지원하는 협동연구사업인 “차세대 냉각시스템 기 술개발”의 일환으로 수행되었으며, 이에 대해 관 계자 여러분께 감사를 드립니다.
참고문헌
유경훈 (1996) 2단 평행판 정전식 집진기의 입자 하전 및 포집에 관한 연구, 공학박사 학위논문, 서울대학교.
유경훈, 오명도, 김종엽, 배영돈, 박윤서 (1995) 에 어콘용 전기식 공기청정기 개발 및 PSL 입자 이용 성능분석, 공기조화냉동공학회 하계학술 발표논문집, 354-360.
Chen, D.-R., Pui, D.Y.H., and Tang, Y.-M. (1996) Filter pleating design for cabin air filtration, SAE Technical Paper Series 960944.
Gong, H., Anand, N.K., and McFarland, A.R. (1993) Numerical prediction of the performance of a shrouded probe sampling in turbulent flow, Fig. 9. Variations of the collection efficiencies
with respect to particle size for various air velocities (B-type).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.01 0.1 1
0.5 m/s 0 kV 0.5 m/s 5 kV 1.0 m/s 0 kV 1.0 m/s 5 kV 1.5 m/s 0 kV 1.5 m/s 5 kV
