KR101754129B1 - 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법에 관한 것으로서, 현열 열교환기와 공기 유동용 팬, 물 분무노즐, 물 순환용 펌프, 수조 및 유동 통로를 구비하고, 외기 유로와 환기 유로가 현열 열교환기에 의해 분리되고 환기 유로측에 현열 열교환기로 물을 분사하는 분무노즐이 설치된 증발냉각식 배기열 회수장치에 있어서, 공기의 속도를 무차원화시킨 레이놀즈 수와, 분무수의 유량을 공기의 유량으로 무차원화시킨 수공비와, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화시킨 무차원 온도차의 함수로 나타낸 다음의 습구유용도 상관식을 이용하여, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 Re는 공기의 레이놀즈 수이고, L/G는 수공비로서 분무되는 물과 공기의 질량 유량의 비이며, T_OA는 외기온도, T_RA는 환기온도를 의미하고, C₁, C₂는 상수이며, a, b, c는 증발냉각식 배기열 회수장치의 특성에 따라 결정되는 지수이다.

Description

증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법{Performance Prediction Method for Exhaust Heat Recovery System Using Evaporative Cooling}

본 발명은 실내 환기 등을 위해 공조장치에 의해 가열 또는 냉각된 상태로 실내에 공급된 공기를 실외로 배출할 때, 실내 공기에 포함된 열에너지를 회수하여 효율을 제고시키는 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실제 환경에서 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측할 수 있는 습구유용도 상관식을 도출함으로써, 사전에 배기열 회수장치의 성능을 미리 예측함과 동시에, 더욱 효과적인 증발냉각식 배기열 회수장치를 개발하는데 도움을 줄 수 있는 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법에 관한 것이다.

우리나라 전체 에너지 소비의 약 25%에 달하는 정도의 에너지가 건물에서 소비되고 있으며, 그 중 절반 가량이 실내 온도와 습도를 조절하기 위한 공기조화장치에서 사용되고 있다.

따라서, 국가적인 에너지 관리를 위해서 냉난방 에너지를 줄일 수 있는 에너지 절약형 공기조화장치의 개발이 요구되고 있다.

반도체, 정밀화학, 의약품 제조공장 등의 산업시설과 상업용 건물의 공기조화기로부터 배출되는 실내 배기열은, 온도는 낮지만 양이 대단히 많으며, 이를 회수하여 실외에서 도입된 신선한 외기를 가열 또는 냉각하는데 직접 사용하게 되면 에너지 절약의 효과를 얻을 수가 있다.

이렇게 배기에 포함된 열에너지를 이용하여 실외로부터 도입되는 외기를 가열 또는 냉각시키는데 사용하는 장치를 '배기열 회수장치'라 한다.

상기 배기열 회수장치는, 실내로부터 배출되는 실내공기와 도입되는 외기 사이에 열교환기를 설치하여, 겨울철에는 실내에서 배출되는 따뜻한 공기를 이용하여 도입되는 외기를 가열하고, 반대로 여름철에는 실내의 차가운 공기를 사용하여 도입되는 외기를 냉각함으로써 에너지를 절약하게 된다.

특히, 여름철에는 배출되는 배기에 물을 분무하면 물의 증발열로 외기를 추가로 냉각시킬 수 있는데, 이러한 방식의 배기열 회수장치를 '증발냉각식 배기열 회수장치'라 한다.

이러한 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 실험장치가 도 1에 도시되어 있는데, 그 구체적인 구조와 작용은 후술하는 특허문헌 1과 비특허문헌에 기재되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능은 장치에 있어서 최대로 얻을 수 있는 온도감소량과 실제로 얻어지는 온도감소량의 비를 의미하는 습구유용도(Wet-bulb Effectiveness)로 정의되는데, 이를 수학식으로 표시하면 다음의 수학식 1과 같다.

여기서, T_{OA ,db}는 실외측 건구온도, T_{SA ,db}는 급기측 건구온도, T_{RA , wb}는 환기측 습구온도를 의미한다.

이와 관련하여 본 발명자들은, 다양한 공기 및 물 유량의 조건 하에서 간접 방식의 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 측정하는 연구를 통해 다음의 수학식 2와 같은 습구유용도 상관식을 얻을 수 있었다. 그 구체적인 내용은 아래 선행기술문헌 중 비특허문헌에 기재되어 있다.

여기서, 상기 Re는 공기의 레이놀즈 수(Reynolds Number)이고, L/G는 수공비로서 분무되는 물과 공기의 질량 유량의 비를 의미한다.

그리고, 실제 간접 방식의 증발냉각식 배기열 회수장치의 습구유용도의 실험값과 상기한 수학식 2의 습구유용도 상관식에 따라 얻어진 값을 비교하여, 도 2와 같은 그래프를 얻을 수 있었다.

도 2에 따르면, 실험값과 상관식으로 얻은 값의 오차는 불과 3% 미만으로서, 상기한 수학식 2의 습구유용도 상관식이 유효함을 알 수 있다.

그런데, 상기한 수학식 2의 습구유용도 상관식은, 외기온도와 환기온도를 일정하게 유지시킨 상태에서 실험을 수행하여 완성한 것이다.

이에 따라 외기온도와 환기온도가 달라지는 실제 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 데에는 한계가 있을 수밖에 없다.

한편, 아래의 특허문헌 1은, 본 발명의 발명자들이 발명한 것으로서, 배기덕트의 내부에 설치되어 열교환기 쪽으로 물을 분사하는 물 분사유닛을 구비하고, 열교환기는 합성수지 재질의 얇은 박판 형상으로 이루어진 전열판이 상하로 적층되어 복수 개의 상하 공기통로가 형성되며, 전열판 각각에는 표면을 기준으로 산과 골이 연속 형성되는 동시에 열교환기의 유입구와 유출구를 연결하는 방향을 따라 평행하는 물결 모양이 형성되어 이중 물결 모양이 되도록 함으로써, 배기에 포함된 열에너지가 회수되어 부식이 방지되는 동시에 열회수율이 높은 증발 냉각식 배기열 회수시스템에 대하여 기재하고 있다.

KR 10-1506214 B1

"증발냉각을 이용한 배기열 회수장치의 성능에 관한 연구"(2014년도 대한기계학회 열공학부문 춘계학술대회(2014.4.23~26) 발표논문)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 증발냉각식 배기열 회수장치의 외기온도와 환기온도가 변하는 실제 환경에서의 성능을 예측할 수 있는 습구유용도 상관식을 도출하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 각 지역별로 배기열 회수장치의 성능을 미리 예측할 수 있도록 하고, 더욱 효과적인 배기열 회수장치를 개발할 수 있도록 하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 현열 열교환기와 공기 유동용 팬, 물 분무노즐, 물 순환용 펌프, 수조 및 유동 통로를 구비하고, 외기 유로와 환기 유로가 현열 열교환기에 의해 분리되고 환기 유로측에 현열 열교환기로 물을 분사하는 분무노즐이 설치된 증발냉각식 배기열 회수장치에 있어서, 공기의 속도를 무차원화시킨 레이놀즈 수와, 분무수의 유량을 공기의 유량으로 무차원화시킨 수공비와, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화시킨 무차원 온도차의 함수로 나타낸 다음의 습구유용도 상관식을 이용하여, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 Re는 공기의 레이놀즈 수이고, L/G는 수공비로서 분무되는 물과 공기의 질량 유량의 비이며, T_OA는 외기온도, T_RA는 환기온도를 의미하고, C₁, C₂는 상수이며, a, b, c는 증발냉각식 배기열 회수장치의 특성에 따라 결정되는 지수이다. 단 상기 c는 0이 아닌 지수이고, 상기 C₂ 는 0이 아닌 상수이다.

또한, 상기 지수 a와 b는 증발냉각식 배기열 회수장치에 공급되는 공기의 유량과 분무수의 유량을 변화시켜 가면서 성능실험을 수행하고, 실험결과를 곡선맞춤하여 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지수 c와 상수 C₁, C₂ 는, 외기온도와 환기온도를 변화시켜 가면서 성능실험을 수행하고, 실험결과를 곡선맞춤하여 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법에 의하면, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 실험장치에서 환기의 온도와 외기의 온도를 변화시켜 가면서 장치의 습구유용도를 고찰하여 습구유용도 상관식을 도출함으로써, 성능 예측의 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 더욱 효과적인 증발냉각식 배기열 회수장치를 개발하는데 도움을 줄 수 있는 효과 있다.

도 1은 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 실험장치를 나타낸 참고도.
도 2는 다양한 수공비에서의 상관식으로 구한 습구유용도와 실측한 습구유용도를 비교한 그래프.
도 3은 본 발명의 상관식으로 구한 습구유용도와 실측한 습구유용도를 비교한 그래프.
도 4는 서울지역에서 7월 냉방시간 동안 현열냉각식 배기열 회수 시스템과 증발냉각식 배기열 회수시스템에서 시간별 배기열 회수량을 비교한 그래프.
도 5는 서울 지역의 여름철 냉방시간 동안 일별 총 배기열 회수량을 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법은, 현열 열교환기와 공기 유동용 팬, 물 분무노즐, 물 순환용 펌프, 수조 및 유동 통로를 구비하고, 외기 유로와 환기 유로가 현열 열교환기에 의해 분리되고 환기 유로측에 현열 열교환기로 물을 분사하는 분무노즐이 설치된 증발냉각식 배기열 회수장치에 있어서, 공기의 속도를 무차원화시킨 레이놀즈 수와, 분무수의 유량을 공기의 유량으로 무차원화시킨 수공비와, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화시킨 무차원 온도차의 함수로 나타낸 습구유용도 상관식을 이용하여, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측한다.

이하 본 발명에 따른 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 습구유용도 상관식을 도출하는 과정을 설명한다.

도 1은 상기 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 실험장치를 도시한 것이다.

상기 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 실험장치는, 물과 접촉하지 않는 1차측 유로에는 외기(OA)가 흐르도록 하였고, 물의 증발로 인한 영향을 받는 2차측 유로는 환기(RA)가 유동하도록 구성한다.

또한, 외기와 환기를 현열 열교환기로 분리하여 물질전달은 일어나지 않도록 하고, 외기는 항온조를 통해 온도조절이 가능하도록 한다.

그리고 외기와 환기의 유동은 터보 팬으로 발생시키고 유량은 인터버로 조절하도록 하며, 물은 환기(RA) 측의 노즐을 통해 분무된다.

또한, 증발되지 않은 물은 장치 하단에 놓인 수조로 유입되고, 다시 펌프를 통해 노즐로 공급되어 재순환하도록 구성한다.

또한, 열전대를 사용하여 각 지점의 건구온도와 습구온도를 측정하고, 공기의 유량은 차압식 유량계인 노즐의 전후단의 차압을 측정하여 산출하도록 한다.

측정된 온습도 자료는 자료획득장치를 통해 컴퓨터에 저장되도록 하고, 노즐의 분무량은 일정 시간 동안 비커에 담아 측정한다.

성능실험을 위해 터보 팬과 펌프를 작동시키고, 인버터와 밸브를 통해 유량을 조정한다. 이후 항온조를 설정온도가 되도록 가동시키고 각 측정지점의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 기다린다.

습구유용도 산출을 위해 열교환기 전후의 각 지점에 각각 2개의 건구온도와 3개의 습구온도를 계측하여 5초 간격으로 산술평균을 구하였다.

또한, 공기유량, 물의 분무량, 외기온도 등을 여러 가지로 변화시켜가면서 실험을 수행하였다.

첫 번째 성능실험 단계에서는 증발냉각식 배기열 회수장치에 공급되는 분무수의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 공기의 유량을 변화시켜가면서 실험을 수행하고, 두 번째 성능실험 단계에서는 증발냉각식 배기열 회수장치에 공급되는 공기의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 분무수의 유량을 변화시켜가면서 실험을 수행한다. 이때 외기온도와 환기온도는 일정하게 유지한다.

성능실험 결과를 분석하여 습구유용도는 공기의 속도를 무차원화시킨 레이놀즈 수와 분무수의 유량을 공기의 유량으로 무차원화시킨 수공비에 따라 변하는 것을 확인하였으며, 분석 결과를 참조하여 레이놀즈 수와 수공비의 함수로 수학식 3의 습구유용도 상관식을 도출하였다.

여기서, Re는 공기의 레이놀즈 수이고, L/G는 수공비로서 분무되는 물과 공기의 질량 유량의 비이며, 상기 습구유용도 실험결과를 곡선맞춤(Curve fitting)하여 습구유용도 상관식의 지수 a와 b를 결정한다.

세 번째 성능실험 단계는 공기의 유량과 분무수의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 외기온도와 환기온도를 변화시켜 가면서 실험을 수행한다.

성능실험 결과를 분석하여 습구유용도는 외기온도와 환기온도에 따라 변하는 것을 확인하였으며, 분석 결과를 참조하고 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화시킨 무차원 온도차의 함수로 수학식 4의 습구유용도 상관식을 도출하였다.

여기서, T_OA는 외기온도, T_RA는 환기온도를 의미하고, 상기 습구유용도를 실험결과를 곡선맞춤(Curve fitting)하여 습구유용도 상관식의 지수 c와 상수 C₁, C₂를 결정한다.

그리고, 도출된 습구유용도 상관식의 유효성을 확인하기 위하여, 습구유용도 상관식을 통해 도출된 값과 실제 실험에서 얻어진 습구유용도값을 비교하여 도 3에 도시하였다.

도 3을 참조하면, 대부분의 데이터가 5% 오차 내에 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 도출된 습구유용도 상관식이 유효함을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에서 도출된 습구유용도 상관식이 적용되는 간접식 증발냉각의 에너지절약 효과를 분석하기 위해, 증발냉각을 공기조화기의 배기열 회수에 적용하였을 경우 얻을 수 있는 효과를 분석하였다.

다음의 [표 1]은 'TRANSYS' 프로그램에서 제공하는 TMY2 기상데이터를 이용하여 냉방기간(6~9월) 중에 공조시간(9~18시) 동안 배기열을 회수할 수 있는 시간의 비율을 각 지역별로 나타낸 것이다.

상기한 [표 1]에 따르면, 남부지역으로 갈수록 배기열을 회수할 수 있는 시간이 늘어나는 경향을 알 수 있다.

그리고, 도 4는 서울지역 TMY2 표준기상데이터를 이용하여 7월 냉방시간 동안 현열냉각과 증발냉각을 이용한 경우의 시간별 배기열 회수량을 비교한 결과를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 현열냉각의 경우는 한여름인 7월 중에도 외기온도가 낮아 배기열 회수가 불가능한 시간이 다수 있지만, 증발냉각을 이용하면 7월 동안 모든 시간에 배기열 회수가 가능하며, 현열을 통한 회수율이 큰 시간에도 증발냉각을 이용하면 약 2배의 배기열을 회수할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 5는 서울지역 여름철 냉방시간 동안의 일별 총 배기열 회수량을 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 현열냉각으로는 배기열 회수가 불가능한 날이 다수 존재하고, 환절기인 6월 초와 9월 말에는 외기온도가 낮아 배기열 회수가 불가능함을 알 수 있다.

그러나, 증발냉각을 이용한 배기열 회수는 환절기에 가까울수록 회수량이 낮아지는 경향을 보이지만, 냉방기간 내내 상당량의 배기 에너지를 회수할 수 있음을 알 수 있다.

위와 동일한 방법으로 여름철 냉방기간 동안, 국내 주요 도시별 배기열 회수량을 비교한 결과, 다음의 [표 2]을 얻을 수 있었다.

상기한 표 2에 따르면, 남부지역일수록 외기온도가 높아 배기열 회수량이 많고, 증발냉각은 현열냉각에 비해서 3배 이상의 열회수를 할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시예를 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 현열 열교환기와 공기 유동용 팬, 물 분무노즐, 물 순환용 펌프, 수조 및 유동 통로를 구비하고, 외기 유로와 환기 유로가 현열 열교환기에 의해 분리되고 환기 유로측에 현열 열교환기로 물을 분사하는 분무노즐이 설치된 증발냉각식 배기열 회수장치에 있어서,
   공기의 속도를 무차원화시킨 레이놀즈 수와, 분무수의 유량을 공기의 유량으로 무차원화시킨 수공비와, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화시킨 무차원 온도차의 함수로 나타낸 다음의 습구유용도 상관식을 이용하여, 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능을 예측하는 것을 특징으로 하는 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법:
   

   

   
   여기서, 상기 Re는 공기의 레이놀즈 수이고, L/G는 수공비로서 분무되는 물과 공기의 질량 유량의 비이며, T_OA는 외기온도, T_RA는 환기온도를 의미하고, C₁, C₂는 상수이며, a, b, c는 증발냉각식 배기열 회수장치의 특성에 따라 결정되는 지수이다. 단 상기 c는 0이 아닌 지수이고, 상기 C₂ 는 0이 아닌 상수이다.
2. 제1항에 있어서,
   상기 지수 a와 b는, 증발냉각식 배기열 회수장치에 공급되는 공기의 유량과 분무수의 유량을 변화시켜 가면서 성능실험을 수행하고, 실험결과를 곡선맞춤하여 결정하는 것을 특징으로 하는 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 지수 c와 상수 C₁, C₂ 는, 외기온도와 환기온도를 변화시켜 가면서 성능실험을 수행하고, 실험결과를 곡선맞춤하여 결정하는 것을 특징으로 하는 증발냉각식 배기열 회수장치의 성능 예측 방법.
   

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