KR20230051513A - 최소한의 에너지 소비로 제습 및 대기 중 물을 추출하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

최소한의 에너지 소비로 제습 및 대기 중 물을 추출하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20230051513A
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베르나르드 피. 맥그레일
제러미 더블유. 제이. 젠크스
라다 케이. 못쿠리
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바텔리 메모리얼 인스티튜트
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Abstract

제2 공기압이 제1 공기압보다 낮을 때 제1 공기압에서는 입구 스트림으로부터 물을 흡착하고 제2 공기압에 놓였을 때에는 물질로부터 물을 배출하도록 구성된 나노구조의 흡습성 다공성 물질이, 물질 위로 습한 공기가 통과하도록 및 물질이 물을 흡착할 수 있도록 특정한 위치에 배치하는, 물질을 포함하는 습도를 관리하기 위한 HVAC 시스템 내부 방법, 시스템 및 장치.
진공 펌프와 결합하였을 때 물을 모을 수 있고 및 물질들과 시스템으로부터 물을 배출할 수 있으며 향후 사용을 위해 물질을 재생하고 기존 공정보다 상당히 저렴한 비용으로 스트림으로부터 물을 제거한다.

Description

최소한의 에너지 소비로 제습 및 대기 중 물을 추출하기 위한 방법 및 시스템
본 발명은 나노구조의 흡습성 다공성 물질을 포함하는 공조(HVAC) 시스템용 습도 관리 시스템에 관한 것이다.
연방-지원 연구 및 개발
본 개시는 미국 에너지부에서 수여한 계약 DE-AC0576RL01830에 따라 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.
우선권 주장
본 출원은 2020년 8월 14일에 출원된 미국 특허 출원번호 16/993,699의 우선일의 이익을 주장하며, 이 전체 내용이 참조로 본 개시에 포함된다.
오늘날 건물 공기의 습도 제어는 HVAC 시스템의 증발기 코일에서의 응결을 통해 수동적으로 일어난다. 물의 응결을 상당한 양의 잠열을 발생시켜 HVAC시스템에 냉각 부하를 증가시키고 따라서 로컬(local) 환경에 따라 전체 에너지 사용량을 30% 이상 증가시킨다. 상업적으로 이용 가능한 제습기들은 주거용 시장에서 사용하기엔 너무 크고 비싸며 습기 관리 문제가 필요한 경우를 제외하면 상업용 건물에서 거의 사용되지 않는다. 이러한 시스템들 중 어떠한 것도 건물의 밀폐가 강화될 수록 점점 더 문제가 될 수 있는 CO2 또는 휘발성 유기 화합물(VOCs)과 같은 기타 가스들을 관리하기 위한 옵션들을 제공하지 않는다. 본 발명은 이러한 문제들을 극복하는 경로들을 제공하고 종래 기술이 발견하지 못한 이점을 제공하는 예시들과 시스템들을 제공한다.
본 발명의 추가적인 이점들 및 신규 특징들은 이하에서 제시될 것이며 이하에 제시된 설명 및 실증들로부터 쉽게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명의 다음 설명들은 본 발명을 설명하는 것으로 이해되어야 하며 어떠한 방식으로도 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
종래의 건조제 기반 제습기(건조제 휠, 건조제 베드)는 가열에 의해 건조제를 재생한다. 이는 1) 건조제 재생에 일반적으로 80℃ 이상의 온도의 열원이 필요하고, 2) 제습 중에 배출되는 흡찰열이 건조제의 온도를 증가시켜 제습 용량을 감소시키고, 3) 뜨거운 건조제가 배출 공기의 온도를 증가시켜 이는 증발기의 냉각 부하를 증가시켜 에너지 절약을 감소시키기 때문에 이들의 응용을 심각하게 제한한다.
이에 본 발명은 HVAC 시스템 내에서 습도를 관리하기 위한, 또한 특히 그렇게 함으로써 현재 사용 가능한 것보다 훨씬 우수하고 비용 효율적인 방법들, 시스템들 및 장치들의 예시들을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
이하 한 응용에서 HVAC 시스템용 습도 관리 시스템이 설명되며, 여기서 시스템은 제1 공기압에서 입구 스트림으로부터 물을 흡착하고 제2 공기압에 놓였을 때 그 물질로부터 물을 배출하도록 구성된 나노구조의 흡습성 다공성 물질을 포함하며, 여기서 제2 공기압은 제1 공기압보다 낮다. 바람직하게는 나노다공성 물질은 건조제 베드와 같이 구조화된 물질 내에 위치하지만, 특정 응용들에서는 막대(rods), 핀(fin) 상의 코팅 또는 다른 구조물들의 배열을 포함하는 3D 배열들을 포함하는 다른 구성들도 고려된다. 다수의 이러한 구조들은 밀폐 열 파이프와 같은 다른 특징부들과 연결되거나 연결되지 않으면서 상호 연결될 수 있다. 진공 펌프는 바람직하게는 시스템에 연결되어 공기압을 낮추고 나노구조의 다공성 물질로부터 물을 제거하여 흡착 물질을 재생하기에 충분한 흡입력을 나노구조의 다공성 물질에 제공하도록 조정된다.
일 실시예에서 나노구조의 다공성 물질은 MOF, 제올라이트, 메조다공성 실리카, 공유결합 유기 골격체 물질; 다공성 유기 고분자; 및 다공성 탄소일 수 있다. 한 세트의 실시예에서, 일부 환경에서 최고의 성능을 보이는 물질은 MOF, 더 구체적으로는 MOF 303, 801, 또는 841 더불어 MOF 303 또는 801이었다.
어떤 경우에 있어서, 열은 장치의 물질 성능을 향상시키는 데 사용된다. 열은 작동적으로 연결된 열 파이프 또는 기타 수단을 통해 이러한 물질들에 전달될 수 있는데, 이때 열 파이프 또는 기타 수단은 시스템의 더 따뜻한 부분으로부터 상기 흡수성 물질이 연결되거나 연계된 베드들 또는 구조들로 가열된 물질을 이동시킨다. 하나의 배열에 있어, 상기 열 파이프는 흡습성 물질이 부착된 핀 세트에 작동적으로 연결된다. 핀들을 통과하는 공기 중의 물은 상기 물질과 접촉하여 흡착된다. 공기 통과 경로 상에 베드 또는 다른 구조를 포함하는 흡습성 물질의 여러 쌍 또는 세트들을 제공하면 공기가 이런 구조들을 가로질러 이동하는 동안 지속적으로 건조되도록 수분 함유 공기와 흡습성 물질 사이의 접촉이 가능해진다. 이를 통해 연속적인 건조 및 효율성 증가가 가능하다. 또한 구조가 적절하게 배치된 경우, 일부 통로가 하나의 세트에서는 제습 작업을 수행할 수 있게 하면서, 다른 부분에서는 진공이 적용되어 시스템에서 물이 제거되고 흡착제가 재생되도록 이러한 구조들에 대한 통로를 열고 닫을 수 있다.
주변 공기로부터 물을 건조시키기 위해 사용되는 방법이 설명된다. 이 방법에서, 물을 함유하는 공기 스트림은, 제1 공기압에서 입구 스트림으로부터 물을 흡착하고 제2 공기압에 놓였을 때 물질로부터 물을 배출하도록 구성된 나노구조의 다공성 물질 위로 통과하며, 여기서 제2 공기압은 제 1 공기압보다 낮다. 이 방법은 상기 나노구조의 다공성 물질에 물을 모으고 및 주변 공기압을 감소시켜 상기 나노구조의 다공성 물질에서 물을 배출시키고 추가적인 물 포집을 위해 나노구조의 다공성 물질을 재생한다. 주변 공기 압력의 감소는 진공 펌프에 의해 제공될 수 있다. 상기 나노구조의 다공성 물질들은 적어도 2개의 작동적으로 분리된 베드들에 캡슐화될 수 있으며, 여기서 하나의 베드는 공기 스트림으로부터 물을 포집하도록 배치되고 다른 베드에서는 포집된 물을 배출하도록 배치된다. 원하는 경우 열 전달 물질이 제1 베드와 제2 베드 사이의 작동 유체 연결에 제공되어 한 프로세스에서 배출된 열이 다른 프로세스를 돕기 위해 전달되도록 할 수 있다. 경우에 따라 이 열 전달 물질은 도관 또는 열 파이프 내에 담길 수 있다. 이러한 배열의 결과는 HVAC 시스템의 에너지 수요를 줄임으로써 보다 비용 효율적인 난방 및 냉방을 가능하게 한다.
전술한 초록의 목적은 미국 특허청 및 일반 대중, 특히 특허 또는 법률 용어와 어법에 익숙하지 않은 과학자, 엔지니어 및 해당 기술 분야의 실무자가 대략적인 확인을 통해 본 출원의 기술적인 개시의 본질적인 그리고 근본적인 부분을 빠르게 알아낼 수 있도록 하는 것이다. 상기 요약서는 청구범위에 의해 헤아려지는 출원의 개시를 정의하기 위한 것이 아니며 어떤 방식으로든 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 다양한 이점들 및 신규한 특징들이 본 명세서에 기재되어 있으며 이는 하기 상세한 설명을 통해 통상의 기술자에게 더욱 용이하게 명백해질 것이다. 상기 및 하기 설명에서, 본 개시를 수행하기 위해 고려된 최선의 조건의 예시로서 본 개시의 바람직한 실시예만을 도시하고 설명하였다. 이해되는 바와 같이, 본 개시는 본 개시로부터 벗어나지 않고 다양한 측면에서 조정될 수 있다. 따라서, 이하에 설명되는 바람직한 실시예의 도면 및 설명은 현실적인 예시로써 간주되어야 하며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다.
이런 훨씬 간단한 접근법은 상업용 기성품(COTS) 진공 펌프로 재생 주기 동안 상기 건조제 베드에 흡입력을 제공한다. 건조제 베드 온도는 건조제 베드 사이에 열 결합을 제공하는 열 파이프를 사용하여 제어된다. 이는 제습 중인 활성 건조제 베드에서 생성된 수증기 흡착 열을 재생 중인 건조제 베드에서 소비되는 흡열 탈착열로 "상쇄"하는 수동적이지만 매우 효율적인 열 전달 메커니즘을 제공한다. 따라서 건조제 베드는 건물 공기 온도에서 등온으로 재생되며 건조제 재생으로 인해 증발기에 가해지는 현열(sensible heat) 부하를 증가시키지 않는다. 진공 펌프에서 배출된 수증기는 주변 대기로 배출된다.
도 1은 본 명세서에 기술된 본 발명의 일 실시예의 상세한 도식을 도시한다.
도 2는 건물에 반환되는 공기의 습도가 제거된 정도에 대한 함수로서 본 출원의 건조제 베드 시스템을 재생하는데 사용되는 전력량과 HVAC 압축기의 부하량을 비교하여 도시한다.
도 3은 다양한 범위의 상대 습도(9RH)에 대한 작업 용량에 기초해 다양한 예시적인 물 흡착제 물질 후보의 예를 도시한다.
도 4는 25℃에서 3개의 예시적인 MOF (303, 841 및 801)의 물 흡착 성능을 나타낸다.
도 5는 2종류의 팬 효율에 대한 등온 AWE 시스템의 체적 에너지 소비량을 보여준다.
도 6은 특정 선택된 나노다공성 물질들의 체적 수분 흡착량을 나타낸다.
도 7은 UIO-66의 SO3H 기능화를 통해 향상된 물 흡착 용량에 대한 결과를 보여준다.
도 8은 그래핀 또는 다른 경량이지만 열전도성 지지체로 만들어진 핀 상에 건조제가 코팅된 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제2 도식의 예를 도시한다.
다음 설명은 본 발명의 일례를 포함한다. 본 개시는 예시된 실시예들에 한정되지 않고 본 개시가 또한 다양한 변형 및 그에 대한 실시예를 포함한다는 것이 상세한 설명으로부터 명백해질것이다. 따라서, 본 설명은 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 보아야 한다. 본 개시는 다양한 변형 및 대안적 구성이 가능하지만, 개시된 특정 형태에 대하여 개시를 제한하려는 의도가 없으며, 반대로 본 개시는 모든 변형, 대안적 구성들, 개시의 정신(spirit) 및 범위 내에 속하는 등가물들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.
상세한 설명의 한 세트에서 건물의 HVAC 시스템을 통해 습도를 관리하기 위한 새로운 건조제 시스템이 설명되며, 여기에서 물에 대한 초고용량의 새로운 나노구조의 다공성 물질이 건조제 베드에 합쳐지고 열 파이프에 열적으로 결합된다. 그런 다음 빌딩의 공기를 이 베드 위로 통과시켜 물을 제거하지만 상업용 제습기가 하는 방식처럼 건조제 재생을 위해 열을 사용하는 대신 이 진보한 흡착제는 간단한 진공 펌프를 사용하여 실온에서 흡착된 물을 쉽게 제거할 수 있도록 지원한다. 따라서 상기 시스템은 HVAC 시스템 증발기 코일의 응축으로 인한 추가적인 잠열로 인한 냉각 부하를 방지한다. 에너지 절약으로 진공 펌프를 작동하는 데 필요한 에너지 및 오늘날 상용 건조제 제습 시스템의 장비 유지 비용 및 자본 비용의 절반을 상쇄하는 것 이상의 효과를 얻었다. 시스템 설계는 또한 CO2 수준을 제어하거나 건물 공기에서 VOC를 제거할 수 있는 추가 흡착제를 건조제 베드에 포함하는 것을 지원할 수 있다.
작동 원리는 매우 간단하며, 따뜻한 건물 공기가 습기를 제거하는 건조제 베드 위로 통과한다. 처리된 공기는 공기 처리기를 통해 증발기로 전달되고 표준 HVAC 시스템에서와 같이 냉각된다. 그러나 들어오는 공기의 수분 함량은 이슬점이 증발기 코일의 온도보다 낮아서 결로를 방지하도록 충분히 감소된다. 건조제가 물 흡착 용량에 도달하면 건물 공기 흐름은 재생 주기가 완료된 제2 건조제 베드와 접촉하도록 전환된다. 우리 시스템의 새로운 초고용량 건조제 물질(MOFs 및 기타 건조제들)을 사용하면 대부분의 상업용 및 주거용 HVAC 설치에 사용되는 표준 공기 처리기 도관의 범위 내에 들어갈 수 있는 충분히 컴팩트한 장치가 가능하다. 이런 통합적인 설계는 대형 전용 제습 시스템을 위한 건물의 공기 처리기 레이아웃 및 공간에 대한 광범위한 변경이 필요하지 않으므로 신규 설치 및 개보수 모두에 이상적이다.
우리의 훨씬 간단한 접근법은 상업용 기성품(COTS) 진공 펌프로 재생 주기 동안 상기 건조제 베드에 흡입력을 제공한다. 건조제 베드 온도는 건조제 베드 사이에 열 결합을 제공하는 열 파이프를 사용하여 제어된다. 이는 제습 중인 활성 건조제 베드에서 생성된 수증기 흡착 열을 재생 중인 건조제 베드에서 소비되는 흡열 탈착열로 "상쇄(cancel)"하는 수동적이지만 매우 효율적인 열 전달 메커니즘을 제공한다. 따라서 건조제 베드는 건물 공기 온도에서 등온으로 재생되며 건조제 재생으로 인해 증발기에 가해지는 현열(sensible heat) 부하를 증가시키지 않는다. 진공 펌프에서 배출된 수증기는 주변 대기로 배출된다.
우리 시스템의 새로운 초고용량 건조제 물질(MOFs 및 기타 건조제들)을 사용하면 대부분의 상업용 및 주거용 HVAC 설치에 사용되는 표준 공기 처리기 도관의 범위 내에 들어갈 수 있는 충분히 컴팩트한 장치가 가능하다. 이런 통합적인 설계는 대형 전용 제습 시스템을 위해 건물의 공기 처리기 레이아웃 및 공간에 대한 광범위한 변경이 필요하지 않으므로 신규 설치 및 개보수 모두에 이상적이다.
도 1 내지 9는 다양한 특징과 실시예를 보여준다. 첨부된 한 예에서는 새로운 초고용량 건조제 물질(MOFs 및 기타 건조제들)를 사용하면 대부분의 상업용 및 주거용 HVAC 설치에 사용되는 표준 공기 처리기 도관의 범위 내에 들어갈 수 있는 충분히 컴팩트한 장치가 가능하게 하는 구성을 보여준다. 이런 통합적인 설계는 대형 전용 제습 시스템을 위해 건물의 공기 처리기 레이아웃 및 공간에 대한 광범위한 변경이 필요하지 않으므로 신규 설치 및 개보수 모두에 이상적이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예의 개략도를 도시하고, 여기서 원하는 물질(22), 바람직하게는 MOF(및 보다 바람직하게는 MOF 303, 842 또는 841, 그럼에도 불구하고 사용자의 필요와 요구에 따라 다양한 다른 물질도 사용할 수 있다)와 같은 금속-유기 골격체 물질을 함유하는 건조제 베드(20)는 기존의 HVAC 장치에서 따뜻한 공기 반환과 같이 소스로부터의 일반적으로 따뜻한 습기가 건조제 베드(20)를 지나갈 수 있도록 작동적으로 배치되며, 여기서 건조제 베드의 물질(22)은 습한 공기에서 당해 물질로 물을 흡착하고 더 건조한 공기가 건조제 베드(20)를 통과하도록 한다. 그런 다음 새로 건조된 공기는 냉각을 위해 팽창 밸브로부터 냉각제를 수용하도록 작동적으로 연결된 증발기를 포함할 수 있는 일반적인 HVAC 시스템의 표준 부품을 통해 전달될 수 있으며, 이에 의해 냉각제의 흐름은 증발기를 통해 팬으로 냉각제를 펌핑하는 압축기로 흐르며 콘덴서 코일을 냉각 시키고 다시 증발기로 돌아가는 냉각제의 경로를 제어하는 팽창 밸브로 되돌아간다. 이제 건조하고 냉각된 공기를 원하는 위치로 보낼 수 있다. 건조제 베드(20)는 또한 건조제 베드에서 물을 제거하고 이 물을 다른 위치로 배출하기 위한 흡입력을 건조제 베드(20)안의 물질(22)에 제공하는 진공 펌프(24)에 작동적으로 연결된다.
작동 원리는 매우 간단하다. 따뜻하고 습한 건물 공기는 습기를 제거하는 건조제 베드를 통과한다. 이제 건조된 공기는 공기 처리기를 통해 증발기로 전달되고 표준 HVAC 시스템에서와 같이 냉각된다. 흡입력이 건조제 베드 물질에서 물을 끌어당겨 별도의 위치로 배출할 때 건조제의 재생이 이루어진다. 연속 작동 시스템에서 건조제 트레이를 사용할 수 있고 여기서 제1 베드의 건조제가 물 흡착 용량에 도달하면 건물 공기 흐름이 전환되어 재생 주기가 완료된 제2 건조제 베드와 접촉하며 이 프로세스를 수행할 수 있고, 이 과정들은 진공 흡입에 의해 각 베드들이 재생되도록 하면서 다른 베드들은 일반적으로 습하고 따뜻한 공기 소스로부터 물을 포획하도록 교대로 또는 연속적으로 수행될 수 있다.
다양한 유형의 물질들이 건조제 물질(22)로서 이용될 수 있다. 진보한 냉각 시스템을 위한 다양한 흡착제의 개발에 대한 이전 연구는 금속-유기 골격체(MOFs), 공유 결합 유기 골격체(COFs), 다공성 유기 고분자(POPs), 제올라이트, 메조다공성 실리카 및 다공성 탄소를 포함하는 다양한 나노-다공성 물질들의 물 흡착 특성에 대한 고유한 데이터베이스를 확립했다. 우리의 최근 연구는 상업용 흡수 냉각기의 크기, 무게 및 비용 면에서 충분하고 혁신적인 개선을 확립하였고 열수 안정성뿐만 아니라 큰 물 흡착 용량을 가진 특정 친수성 나노다공성 물질의 놀라운 열역학적 특성을 보여주었다(MCGRAIL et al., 2014).
이 방향에서, 우리는 이러한 친수성 물질에 대해 수집된 데이터를 재검토하였고 주로 흡착 동역학 및 수분 흡착 특성의 정확한 조정을 강조한 물질을 개발하였다. 물질들의 조정 가능성은 탈착 동역학이 가열 없이 단순한 진공 상태에서 용이하다는 점에서 이 응용에서 장점이다. 이 때문에 우리는 (i) 적절한 모양/크기의 친수성/소수성 작용기로 유기 링커(organic linkers)를 수식하고 (ii) 다른 작용기로 미리 준비해둔 금속 함유 클러스터 노드의 친수성을 수정/조정하며 건조제 물질을 조정하기 위한 두 가지 주요 접근 방식을 따랐다. 그 결과 RH>20%(유형Ⅴ 등온선)에서 물 흡착의 급격한 S자형 상승을 갖는 낮은 RH에서 약한 소수성 특성을 나타내는 흡착제 물질을 찾아냈다.
원하는 등온선 유형과 MOF UIO-66 노드의 SO3H 기능화의 기공-조정(pore-tuning) 또는 기공-공학(pore-engineering) 개념을 통해서 흡착제 특성을 조정하는 능력의 예시는 도7에서 보여진다. 노드의 SO3H 그룹의 농도 변화는 명확하게 물 흡착 특성에 영향을 미치고 있다.
유사하게, 서로 다른 친수성(HCCO-, CH3COO-, H2O/OH 및 PhCOO-)의 말단 기능 그룹으로 클러스터를 수식하면 RH 범위에 걸쳐 물 흡착 단계를 정밀하게 제어할 수 있으며 기공/클러스터/기능성 모양 및 크기의 차이와 관련된 소수성/친수성 기공 특성의 변화에 기여한다.
이들 실시예는 하나의 실시예에 대해 작업가능한 것으로 간주되지만, 다른 배열에서는 20-65% RH 범위의 유형Ⅴ 등온선 어깨부분(Type V isotherm shoulders)를 갖고 50wt%보다 높은 작업 용량을 갖는 물질이 선택되었다.
특히, 2개의 지르코늄 기반 MOF인 MOF-841, MOF-801 및 알루미늄 기반 MOF-303은 화학적 안정성이 높고 요구되는 수분 흡착 용량 및 흡착 특성의 저하가 없는지 확인하기 위한 사이클링 테스트에서 나타난 재생성 때문에 특별히 선택되었다. 또한 PNNL의 원자화-응축 반응기 기술(MOTKURI, 2016) 또는 기타 합성 방법을 사용하여 상업적인 양의 합성이 가능할 것으로 기대된다.
MOF-801 및 MOF-303은 본 작동 조건에서 최상의 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 필요한 흡착제의 양이 킬로그램 규모의 범위일 것으로 예상되기 때문에 우리는 이미 ~100그램 규모에서 준비/테스트된 MOF-801의 대량 합성에 성공했다.
이러한 MOF를 준비하기 위해 각각 50mmol의 퓨마릭 산(fumaric acid)과 ZrOCl2·8H2O를 500mL 나사-마개 병에 DMF와 포름산의 혼합 용매(200mL 및 70mL)에 녹인 다음 130℃에서 흰색 침전물인 모프-801를 만들기 위해 밤새 가열하였다.
유사하게, MOF-303은 염기(NaOH 또는 LiOH 용액, ~65mmol)가 격렬한 교반하에서 적가된 탈이온화된 H2O(~750mL)에 용해된 43.1mmol의 3,5-피라졸디카르복실 산 일수화물을 사용하여 합성되었다.
생성된 혼합물을 120℃로 예열된 오븐에서 ~60-90분 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 43.1mmol의 AlCl3·6H2O를 지속적인 격렬한 교반하에서 상기 용액에 천천히 첨가하였다. 상기 용액에 형성된 모든 침전물은 확장된 초음파 처리로 용해되었다.
상기 투명한 용액을 고압가열용기로 옮기고 오븐에서 100℃에서 15-24시간 동안 가열하여 MOF 분말을 얻었다. 얻어진 MOF 분말 물질을 물 흡착 전에 열적 활성화 및 용매에 의해 활성화되었다. 활성화된 물질은 결정성 측정을 위한 분말 X선 회절(PXRD), 물질의 안정성을 이해하기 위한 열중량 분석 및 다공성 측정을 위한 N2 흡착 등온선으로 특징지었다. 잘 특징된 샘플들을 실온에서 수분 흡착 측정을 테스트한 다음 이 연구에 필요한 여러 온도로 확장하였다.
일단 물질이 특징되었을때, 이 물질을 대량(bulk) 생산하기 위해 PNNL의 원자화-응축 반응기 기술(MOTKURI, 2016)로 확장하였다. 이 기술은 흡착제 물질(예: MOF)을 대량으로 생산할 수 있는 저렴하고 확장 가능한 경로를 제공한다.
이러한 특정 물질이 하나의 응용에서 시연되었지만 이러한 시스템에서 사용하기 위한 다양한 다른 물질들도 확인되었다. 비배타적이고 비제한적인 목록에는 AlPO4-34, AlPO4-LTA, AlPO4-CHA, 13X, SAPO-34와 같은 제올라이트; MCM-41, SBA-15 등의 메조다공성 실리카; Zr 및 Al 기반 MOF, MIL 계열 MOF, Co2Cl2(BTDD); 공유 유기 골격체; 다공성 유기 고분자; 다공성 탄소를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6은 여러 MOF에 대한 수분 흡착 동역학을 보여준다. 이 결과는 이러한 거리에서 연속적인 확산 수송을 달성하는 것이 어려운 것으로 판명될 경우 물 유동(flux)을 증가시키기 위해 입자 크기가 이러한 공칭 값에서 감소될 수 있다는 점은 설계 유연성을 보여준다.
전반적으로, 우리의 시스템 분석은 흡착제의 물 흡착가 목표한 90초 반주기에 11wt%에 도달해야 함을 보여준다. 도6에서 볼 수 있듯 이 흡착율을 달성할 수 있다는 확실한 증거가 있다. 흡착제 개발 팀은 비표면적, 입자 크기 및 결정 내 물 확산을 포함한 물리적 특성들의 조합을 통해 이 흡착율을 달성할 수 있는 건조제를 선택해야 한다.
시스템 설계 팀은 에너지를 절약하기 위해 환기 팬에 대한 배압을 최소화하면서 건조제에 의한 물 흡착 속도를 지원하기 위해 건조제 표면으로의 수증기 수송이 충분하도록 보장했다. 이 균형을 달성하는 것이 사이클의 흡착 부분에서 가장 어려울 것으로 예상된다. 진공이 탈착 동안 건조제 베드 전체에 거의 균일하게 적용되기 때문에 수분 제거 속도는 비교적 균일할 것이다.
탈착 속도는 흡입 압력을 변경하여 용이하게 제어할 수 있기 때문에 한 챔버의 수분 흡착 속도와 다른 챔버의 탈착 속도 사이의 대략적인 균형 유지는 온도 및 배출 RH를 모니터링하는 적절한 센서와 제어 시스템을 통한 피드백을 통해 쉽게 달성할 수 있다.
(i) 적절한 모양/크기의 친수성/소수성 작용기로 유기 링커(organic linkers)를 수식하고 (ii) 다른 작용기를 가진 미리 준비해둔 금속 함유 클러스터 노드의 친수성을 수정/조정하여 건조제 물질을 조정하면 특정한 조건들하에서 원하던 용이한 제거가 가능해진다. 그 결과 RH>20%(유형Ⅴ 등온선)에서 물 흡착의 급격한 S자형 상승을 갖고 낮은 RH에서 약한 소수성 특성을 나타내는 흡착제 물질을 찾아냈다.
원하는 등온선 유형과 MOF UIO-66 노드의 SO3H 기능화를 사용하는 기공-조정 및 기공-공학 개념을 통해 흡착제 특성을 조정하는 능력의 예시는 (도7를 보면) 물 흡착 특성이 노드의 SO3H 그룹의 농도 변화에 물 흡착 거동이 분명히 영향을 받는 것을 보여준다.
유사하게, 서로 다른 친수성(HCCO-, CH3COO-, H2O/OH 및 PhCOO-)의 말단 기능 그룹으로 클러스터 수식하면 RH 범위에 걸쳐 물 흡착 단계를 정밀하게 제어할 수 있고 기공/클러스터/기능성 모양 및 크기의 차이와 관련된 소수성/친수성 기공 특성의 변화에 기여할 수 있다.
유망한 특성들을 보이는 흡착 물질들은 최적의 20-65% RH 범위에서 유형 V 등온선 어깨부분(Type V isotherm shoulders)를 갖고 50wt%보다 높은 작업 용량을 갖는 두개 내지 세개의 후보들을 포함한다. 바람직하게는 화학적 안정성이 높은 건조제 물질을 사용하여 시스템의 성능을 장기간 보존한다.
종래의 건조제 기반 제습기(건조제 휠, 건조제 베드)는 가열에 의해 건조제를 재생한다. 이는 1) 건조제 재생에 일반적으로 80℃ 이상의 온도의 열원이 필요하고, 2) 제습 중에 배출되는 흡찰열이 건조제의 온도를 증가시켜 제습 용량을 감소시키고, 3) 뜨거운 건조제가 배출 공기의 온도를 증가시켜 이는 증발기의 냉각 부하를 증가시켜 에너지 절약을 감소시키기 때문에 이들의 응용을 심각하게 제한한다.
이런 훨씬 간단한 접근법은 상업용 기성품(COTS) 진공 펌프로 재생 주기 동안 상기 건조제 베드에 흡입력을 제공한다. 건조제 베드 온도는 건조제 베드 사이에 열 결합을 제공하는 열 파이프를 사용하여 제어된다. 이는 제습 중인 활성 건조제 베드에서 생성된 수증기 흡착 열을 재생 중인 건조제 베드에서 소비되는 흡열 탈착열로 "상쇄"하는 수동적이지만 매우 효율적인 열 전달 메커니즘을 제공한다. 따라서 건조제 베드는 건물 공기 온도에서 등온으로 재생되며 건조제 재생으로 인해 증발기에 가해지는 현열(sensible heat) 부하를 증가시키지 않는다. 진공 펌프에서 배출된 수증기는 주변 대기로 배출된다.
하나의 바람직한 실시예에서, 건조제 베드는 "열 파이프"와 열적으로 결합된다. 이는 제습 중인 활성 건조제 베드에서 생성된 수증기 흡착 열을 재생 중인 건조제 베드에서 소비되는 흡열 탈착열로 "상쇄"하는 수동적이지만 매우 효율적인 열 전달 메커니즘을 제공한다. 이 등온 물 추출 사이클(IWEC)을 통해 건조한 공기 흐름은 주변 온도의 온도 변화를 최소화하면서 콘덴서 장치를 냉각할 수 있다. 진공 펌프는 재생 주기 동안 건조제 베드에 흡입력을 제공하고 액체 상태의 물로 충분히 응결될 수 있도록 증기압을 높이기 위해 적절한 압축을 제공하는 데 사용된다. 압축 작업은 수증기에서만 이루어지기 때문에 에너지 소비를 최소화한다. 마지막으로, 응축수는 저장 용기로 배출하기 위해 대기압까지 펌핑된다(이는 약간의 추가 에너지 소비한다).
이 혁신적인 AWE 시스템 개념은 큰 엑서지(exergetic) 손실을 생성하는 종래의 온도 스윙(swing) 설계에서 열 전달 프로세스를 제거한다. 또한 1) 건조제 베드와 응축기를 가로질러 공기를 이동시키는 팬, 2) 진공 펌프 및 3) 액체 물 펌프에 필요한 전력으로부터 이 시스템의 전체 에너지 소비를 매우 정확하게 평가할 수 있다. 필요한 양의 물을 생산하기 위해 시스템에 충분한 공기를 공급하는 데 필요한 공기 흐름(CFM)은 다음과 같다:
Figure pct00001
여기서 Mw는 시스템이 작동 시간 tp 동안 생성하는 물의 질량이고, ρa 는 공기 밀도이며, ma 는 습한 공기의 표준 건습계 특성에서 결정된 혼합비(kg-H2O/kg-air)이다. 매개변수 εR 은 공기 흐름에서 물을 제거하는 전체 시스템의 효율성이며 흡착제 특성을 시스템 성능과 연결하는 핵심 매개변수이다. 워터 펌프에 필요한 전력은 이러한 다른 항들에 비해 사소하므로 여기서는 무시한다. 진공 펌프 전력을 계산하기 위해 응축기 장치가 주변 공기 온도보다 10℃ 높은 온도 변화로 작동한다고 가정하고 재생 건조제 베드에서 포화 증기압까지 수증기압을 높이는 데 필요한 압축 전력을 계산한다. 진공 펌프가 수증기에 대해 수행되는 압축 작업에서 80% 효율을 갖는다고 가정한다. 마지막 가정은 응축기 압력 바로 아래에서 즉, 압축비가 고정되고 1.2보다 작거나 같게 작동할 때 흡착제에서 물을 제거하기에 건조제 베드에 대한 흡입력이 충분하다는 것이다.
팬 전력의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 Clarke 및 Ward(2006)에 의해 제공된 전형적인 환기 시스템에서의 팬 효율 데이터를 사용한다. 예상되는 바와 같이, 배압이 증가함에 따라 팬 효율이 감소한다. 이것은 건조제 베드의 설계에 중요한 제약을 제공한다. 미세하게 채워진 건조제 입자 층을 통해 공기 스트림을 통과시키려는 시도로 인해 과도한 압력 강하와 그에 따른 높은 전력 소비가 발생한다. 이를 방지하기 위해 우리의 시스템 설계 개념은 라디에이터 설계와 유사하게 핀 사이의 채널을 통해 공기 흐름을 통과시켜 팬에 최소한의 배압을 제공할 수 있다. 여기서 분석 목적으로 AWE 시스템의 에너지 소비를 계산하기 위해 팬의 두 가지 효율 값으로 10 및 3 CFM/W을 사용했다.
위에서 개략적으로 설명된 간단한 가정으로, 우리의 설계에 대한 에너지 소비는 주변 공기 스트림의 혼합 비율에 의해 결정되는 단일 곡선을 따라 떨어진다. 팬 전력은 총 에너지 예산의 약 80%를 소비한다. 이 결과는 시스템 설계가 팬에 낮은 배압을 제공하는 경우 AWE 시스템이 42W·hr/L의 목표를 달성할 수 있다는 확신을 준다. 43℃, 60% RH 조건에 최적화된 흡착제는 더 까다로운 27℃, 10% RH 습도 조건에서 훨씬 더 높은 전력 소비를 초래하며 성능이 좋지 않을 가능성이 높으며 그 반대의 경우도 마찬가지다.
도8은 건조제로 코팅된 그래핀과 같은 초경량 물질로 만들어진 열 전도성 핀 세트를 갖는 라디에이터와 유사하게 변경된 형태의 열 파이프 라디에이터 디자인 건조제 베드 시스템의 예를 도시한다. 상기 핀들 사이의 채널을 통해 공기가 흐르면서 열 파이프는 재생 중인 동일한 베드 세트가 있는 다른 챔버로 열을 전달하기 위해 각 흡착 베드에서 열을 제거한다. 전산유체역학(CFD) 코드 ANSYS-Fluent를 사용한 이 설계의 열 전달 시뮬레이션은 가장 낮은 공기 유량(1000CFM)에서 43℃, 60% RH 케이스에 대해 흡착 베드에서 최대 5℃의 온도 상승만 있음을 확인했다. 이는 우리의 설계의 전제가 흡착-탈착 챔버를 열적으로 결합하고 AWE 시스템을 거의 등온으로 작동할 수 있다는 것을 확인한다.
이 기술은 오늘날의 증기 압축 냉각 시스템에 대한 상당한 개선이며 제로 에너지 페널티로 관리되는 건물 공간에서 습도 관리를 제공한다. 또한 단순한 설계로 신축 HVAC 시스템과 개보수 설치 모두에 적용할 수 있다. 진보한 건조제의 예상 용량을 기준으로 50 RT 참조 케이스(50 RT reference case)의 제습기 시스템 크기는 30ft3를 조금 넘을 것으로 예상된다. 이것은 동일한 양의 공기 흐름(17,000cfm)에 대한 200ft3 크기의 상업용 건물 제습기 시스템과 비교할 수 있다. 따라서 여기서 구상한 시스템은 현재의 제습기 시스템으로는 불가능한 표준 HVAC 공기 처리 장치에 통합이 가능하다. 마지막으로 건조제 시스템은 오염 물질(예: CO2 또는 VOC)을 선택적으로 제거하기 위해 다른 흡착제 물질을 추가할 수 있으므로 에너지 및 비용 절감 이상으로 소비자에게 매력을 높일 수 있다.
두 번째 개략적인 설계가 도9에 도시되어 있다. 도9에서 활성 베드에서 재생 베드로의 열 흡수는 열 파이프를 이용하는 설계를 통해 제공된다. 그 장점은 베드 흡착/재생 중에 등온 조건을 생성하는 수동 열 전달 프로세스이다. 또한 열 파이프의 외부 표면은 증착될 건조제 물질에 대한 자연스러운 지지대를 제공한다. 건조제 베드 설계 외에도 덕트(ducting)는 재생 중에 각 베드 주변의 공기 흐름 전환 및 진공 격리를 필요로 할 수 있다. 그림 9에 표시된 배열에서 두 개의 건조제 부분은 ¼인치 직경 열 파이프와 원통형 덕트를 직각으로 배치하여 사용되도록 제작될 것이 요구된다.
각 열 파이프는 최적의 흡착제 층 두께로 주변부에 흡착제 층으로 코팅된다. 흐름(flow) 방향에 대한 엇갈림 설치 패턴은 건조제에 대한 기류의 노출을 최대화하고, 더 높은 열 및 물질 전달 계수를 산출하는 더 많은 난류와 혼합을 촉진한다. 베드 부분은 공기 배출 또는 진공 펌프로의 자동 전환 제어 기능이 있는 진공-정격(vacuum-rated) 기류 차단 밸브와 함께 조립된다. 이 시스템은 열전대, 압력 변환기, 코리올리스 유량계 및 RH 센서로 전체적으로 계측되어 주요 매개변수 및 변수를 모니터링한다. 주변 공기 스트림의 물 농도는 특정 습도를 얻기 위해 건조한 공기 흐름을 다양한 양의 100% RH 공기 흐름과 합하는 혼합 밸브에 의해 제어된다. 상대 습도 센서(Omega Engineering, Inc., model RH-USB)는 RH 값을 지속적으로 모니터링하기 위해 건조제 베드 입구 및 출구에 배치된다. 이 간단한 테스트 시스템을 통해 건조제 베드 시스템에 필요한 모든 성능 정보를 수집하여 성능을 평가하고 수천 번의 재생 주기를 수행하며 건조제 특성의 저하를 찾을 수 있다.
본 개시의 다양한 바람직한 실시예들이 도시되고 설명되지만, 본 개시는 이에 제한되지 않고 하기 청구범위 내에서 실시하기 위해 다양하게 구현될 수 있음이 분명히 이해돼야 한다.

Claims (20)

  1. 하기를 포함하는 공조(HVAC) 시스템용 습도 관리 시스템:
    나노구조의 흡습성 다공성 물질로서, 제1 공기압에서 입구 스트림으로부터 물을 흡착하고 제2 공기압에 놓였을 때 상기 물질로부터 물을 배출하도록 구성된 나노구조의 흡습성 다공성 물질을 포함하며, 여기서 제2 공기압은 제1 공기압보다 낮은, 공조(HVAC) 시스템용 습도 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 적어도 하나의 건조제 베드(bed) 내에 위치하는, 습도 관리 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질에 흡입력을 제공하도록 조정된 진공 펌프를 더 포함하며, 상기 흡입력은 공기압을 낮추고 나노구조의 흡습성 다공성 물질로부터 물을 제거하기에 충분한, 습도 관리 시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 금속유기골격체(MOFs), 제올라이트(Zeolites), 메조다공성 실리카(Mesoporous silica), 공유 결합 유기 골격체(framework) 물질; 다공성 유기 고분자; 및 다공성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 습도 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 금속유기골격체 물질인, 습도 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 MOF 303, 801 또는 841으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속유기골격체를 포함하는, 습도 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 MOF 303 또는 MOF 801을 포함하는, 습도 관리 시스템.
  8. 제1 항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질에 열을 전달하기 위한 열 전달 시스템을 더 포함하는, 습도 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열 전달 시스템이 상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질에 열을 전달하게 작동하도록 구성된 열 파이프(heat pipe)를 포함하는, 습도 관리 시스템.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 핀(fin) 상의 코팅 내에 포함되는, 습도 관리 시스템.
  11. 제1 항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조제 함유 베드들의 제1 세트 및 건조제 함유 베드들의 제2 세트를 추가로 포함하고, 상기 제1 및 제2 건조제 함유 베드들 각각은 상기 베드들을 통과하는 공기 스트림(air stream)으로부터 물을 제거하도록 구성된 나노-다공성 흡습성 물질을 포함하는, 습도 관리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 건조제 베드 및 상기 제2 건조제 베드가 동일한 나노-다공성 흡습성 물질을 포함하는, 습도 관리 시스템.
  13. 제1 항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조의 흡습성 다공성 물질이 3차원 형상 내에 구성되는, 습도 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 3차원 형상이 막대(rod)인, 습도 관리 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 3차원 형상이 공기 통과 경로 내에 위치하는, 습도 관리 시스템.
  16. 나노구조의 다공성 물질에 물을 모으기 위해 나노구조의 다공성 물질에 물을 함유한 공기 스트림를 통과시키고, 여기서 상기 나노구조의 다공성 물질은 제1 공기압에서 입구 스트림으로부터 물을 흡착하고 제2 공기압에 놓였을 때 물을 배출하도록 구성되었고 상기 제2 공기압은 상기 제1 공기압보다 낮으며;
    그 다음 상기 나노구조의 다공성 물질로부터 물을 배출하기 위해 주변 공기압을 감소시키고, 추가적인 물 포집을 위한 상기 나노구조의 다공성 물질를 재생시키는 것을 포함하는, 추가적인 가열 없이 공기 스트림으로부터 물을 제거하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주변 압력의 감소가 진공에 의해 제공되는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 나노구조의 다공성 물질이 적어도 2개의 작동상 분리된 베드들에 캡슐화(encapsulated)되고, 여기서 한 베드은 공기 스트림으로부터 물을 포집하도록 배치되고 다른 베드은 포집된 물을 배출하도록 배치되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 작동상 분리된 베드들은 제1 베드 및 제2 베드를 포함하고,
    상기 방법은 제1 베드와 제2 베드 사이의 작동 유체 연결에 열 전달 물질을 제공하는 것을 더 포함하고, 그럼으로써 한 프로세스에서 발산된 열이 다른 프로세스에서 지원하기 위하여 전달되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열 전달 물질을 도관 내에 포함하는 방법.
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