KR960004607B1 - High efficiency sensible and latent heat exchange media with selected transfer for a total energy recovery wheel - Google Patents
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Abstract
내용 없음.No content.
Description
[발명의 명칭][Name of invention]
전에너지 회수 휘일용의 선택된 전달성을 지닌 고효율의 감지가능한 열 및 잠복열 교환 매체Highly Efficient Detectable Heat and Latent Heat Exchange Media with Selected Transferability for Total Energy Recovery Wheels
[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]
제1도는 본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체를 이용한 전체 에너지 회수 휘일의 사시도이다.1 is a perspective view of an overall energy recovery wheel using the latent and detectable heat exchange medium of the present invention.
제2도는 제1도의 전체 에너지 회수 휘일의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체 일부분의 확대된 분해도이다.FIG. 2 is an enlarged exploded view of the latencies of the entire energy recovery wheel and the detectable heat exchange medium portion of FIG.
제3도는 여러 상대습도들에서 본 발명의 열교환 매체에 사용되는 분자 여과층을 포함하며 여러 건조제들의 전형적이며 쉽게 이용가능한 평형상태의 수분 흡수능을 도시한 비교도이다.FIG. 3 is a comparison showing the typical and readily available equilibrium water absorption of various desiccants, including the molecular filtration layer used in the heat exchange medium of the present invention at various relative humidity.
제4도는 본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체에 사용되는 분자 여과체를 포함하여 여러 건조제들의 상대적인 수증기 흡수 속도들의 비교도이다.4 is a comparison of the relative water vapor absorption rates of various desiccants, including the molecular filter media used in the latent and detectable heat exchange medium of the present invention.
제5도는 여러 수증기 분압들 및 건조제 온도들에서 기공크기가 3Å인 분자 여과층의 전형적이며 쉽게 이용가능한 평형상태의 수분 흡수능의 비교도이다.5 is a comparison of the typical and readily available equilibrium moisture absorption capacity of a molecular filtration layer with a pore size of 3 kPa at various steam partial pressures and desiccant temperatures.
제6도는 여러 수증기 분압들 및 건조제 온도들에서 실리카 겔의 전형적이고 쉽게 이용가능한 평형상태의 수분 흡수능의 비교도이다.FIG. 6 is a comparison of the typical and readily available equilibrium moisture absorption capacity of silica gel at various steam partial pressures and desiccant temperatures.
제7도는 본 발명에 따라 형성된 열교환 매체를 포함하여 여러개의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체의 전체 엔탈피 수행능의 비교도이다.7 is a comparison of the overall enthalpy performance of several latent and detectable heat exchange media including heat exchange media formed in accordance with the present invention.
[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention
[발명의 배경][Background of invention]
본 발명은 가열, 환기 및 공기조화(HVAC) 시스템용의 에너지 보존장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 완전 열 휘일(wheel)로서 또한 알려진 전 엔탈피의 공기 대 공기 회전형 열교환기, 보다 상세히는 그러한 휘일에 이용되는 신규한 전체 열교환 매체에 관한 것이다.The present invention relates to an energy conservation device for heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems. The present invention relates in particular to a full enthalpy air to air rotary heat exchanger, also known as a complete heat wheel, and more particularly to a novel total heat exchange medium used for such a wheel.
회전형의 공기 대 공기 에너지 교환기들은, 배출 공기흐름으로부터 감지가능한 에너지(온도)와 잠복 에너지(수증기) 모두를 회수하여 흡기 공기 공급흐름에 전달하는 HVAC 시스템에 사용된다. 잠복 에너지를 회수하는 능력은 습도와 중요한 관계로 표현되며, 그 이유는 95%까지 실외 공기를 조화시키는데 필요한 에너지 수요를 감소시키도록 가열싸이클중에는 실외 공기를 가습시키고, 냉각 싸이클중에는 실외 공기를 건조시키기 때문이다. 감지가능한 열교환기의 겨울 작동에서 직면하는 서리형성과 뒤이은 결빙 및 막힘 문제들은 대부분의 경우에 전체 열교환기의 사용을 통해 제거될 수 있으며 따라서 이러한 전체 열교환기에 각별한 관심을 두게 되었다.Rotary air-to-air energy exchangers are used in HVAC systems to recover both detectable energy (temperature) and latent energy (steam) from the exhaust air stream and deliver it to the intake air supply stream. The ability to recover latent energy is expressed in an important relationship with humidity because it can humidify outdoor air during heating cycles and dry outdoor air during cooling cycles to reduce the energy demand needed to harmonize outdoor air by 95%. Because. The frosting and subsequent freezing and clogging problems encountered in the winter operation of a detectable heat exchanger can in most cases be eliminated through the use of a full heat exchanger, thus paying particular attention to this whole heat exchanger.
그러한 휘일의 발전에 있어서, 전체 열교환 매체는 건조제, 전형적으로는 리튬클로라이드와 같은 수용성 염을 침투시키거나 코팅한 종이 또는 석면재료들로 된 기판으로 형성되었었다. 그 뒤에는 그러한 엔탈피 휘일은 실리카겔의 건조 박막, 산화된 표면 또는 알루미늄 산화물의 별도 코팅으로 이루어진 건조제의 표면 코팅을 지닌 알루미늄 박(foil) 기판을 지니는 전체 열교환 매체를 포함하였다. 이들 나중의 알루미늄 휘일은 선행기술의 종이와 석면 매체보다 더 큰 강도와 내구성을 보였으며, 또한 어떤 경우에는 건조제 코팅을 저해하지 않고 물 또는 스팀으로 세척될 수 있는 잇점을 지닌다.In the development of such wheels, the entire heat exchange medium has been formed of a substrate of paper or asbestos materials that has penetrated or coated a desiccant, typically a water soluble salt such as lithium chloride. Subsequently such enthalpy wheels included an entire heat exchange medium with an aluminum foil substrate with a dry thin film of silica gel, an oxidized surface or a surface coating of a desiccant consisting of a separate coating of aluminum oxide. These later aluminum wheels showed greater strength and durability than prior art paper and asbestos media, and in some cases also have the advantage of being able to be washed with water or steam without disturbing the desiccant coating.
휘일에 사용된 잠복 및 감지가능한 열교환 매체는 일반적으로 공기가 통할 수 있는 공기 통로를 제공하는 매트릭스(matrix)형태이다. 매트릭스는 섬유질 메시 또는 벌집과 같이 여러 형태를 취할 수 있다. 벌집 매트릭스의 한 형태는 시트재료로 된 다수의 이격되고 평행한 층들로 되거나, 특별하게는 평탄한 시트재료와 주름진 시트재료의 교대로 된 층들로 형성된다. 후자의 경우에, 주름들은 대체로 평행하며 휘일의 깊이를 따라 연장되고 다수의 축방향으로 뻗은 통로들을 제공한다.The latent and detectable heat exchange medium used in the wheels is generally in the form of a matrix that provides an air passage through which air can pass. The matrix can take many forms, such as a fibrous mesh or honeycomb. One form of honeycomb matrix is formed of a plurality of spaced and parallel layers of sheet material, or in particular of alternating layers of flat sheet material and corrugated sheet material. In the latter case, the corrugations are generally parallel and extend along the depth of the wheel and provide a plurality of axially extending passages.
그러한 전체 에너지 회수 휘일은, 역류하는 두 공기흐름들 사이에 배치될때, 감지가능한 열이 두 공기흐름들 사이에 전달되게 한다. 고온의 공기흐름은 느리게 회전하는 휘일의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체의 감지가능한 열교환 물질을 가열하고, 다시 보다 낮은 온도의 공기흐름을 가열시킨다. 또한, 휘일은 상이한 절대습도들의 두 공기흐름 사이에 잠열을 전달한다. 휘일의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체의 건조제 부분은 평형상태를 이룰때까지 보다 큰 절대습도의 공기흐름으로부터 습기를 흡수하고, 건조제와 낮은 절대습도의 공기흐름 사이의 증기압 차이의 결과로 인하여 평형상태를 이룰때까지 낮은 절대습도의 공기흐름에 수증기를 방출한다. 절대습도는 건조 공기의 파운드당 수증기량으로 정의되며 상대습도와 구별될 수 있으며, 상기 상대습도는 주어진 온도에서 공기의 가능한 최대의 수분밀도에 대한 절대습도의 비로서 정의된다.Such a full energy recovery wheel, when disposed between two countercurrent air streams, allows for detectable heat to be transferred between the two air streams. The hot air stream heats the slow rotating wheels and the detectable heat exchange material of the detectable heat exchange medium, which in turn heats the lower temperature air stream. The wheel also transfers latent heat between two airflows of different absolute humidity. The dormant part of the wheel and the desiccant portion of the detectable heat exchange medium absorb moisture from the higher absolute airflow until equilibrium and at equilibrium as a result of the vapor pressure difference between the desiccant and the lower absolute humidity airflow. It emits water vapor at low absolute humidity air flows up to. Absolute humidity is defined as the amount of water vapor per pound of dry air and can be distinguished from relative humidity, which is defined as the ratio of absolute humidity to the maximum possible water density of the air at a given temperature.
따라서, 냉각에 있어서 에너지 회수 휘일은 취입 공기로부터 감지가능한 열과 수증기를 흡수함으로써 덥고 습한 취입 공기를 냉각 및 건조시킨다. 휘일의 열교환 매체에 의해 흡수되는 감지가능한 열과 수증기는 차고 건조한 배출 공기로 전달된다. 그 결과 요구되는 온도 및 습도로 취입 공기를 냉각하고 건조시키는데 필요한 에너지는 감소된다.Thus, in cooling, the energy recovery wheel cools and dries hot and wet blown air by absorbing the detectable heat and water vapor from the blown air. Sensable heat and water vapor absorbed by the heat exchange medium of the wheel are transferred to the cool, dry exhaust air. As a result, the energy required to cool and dry the blown air to the required temperature and humidity is reduced.
가열시에 있어서, 에너지 회수 휘일은 덥고 습한 배출공기로부터 감지가능한 열과 수증기를 흡수하여 차고 건조한 취입되는 공기를 가열 및 가습시킨다. 휘일의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체에 의해 흡수된 감지가능한 열 및 수증기는 차고 건조한 취입되는 공기로 전달된다. 그 결과, 취입되는 공기를 요구된 온도 및 습도로 가열 및 가습시키는데 필요한 에너지는 감소된다.Upon heating, the energy recovery wheel absorbs detectable heat and water vapor from the hot and humid exhaust air to heat and humidify the cold dry blown air. The detectable heat and water vapor absorbed by the dormant and detectable heat exchange medium of the wheel are transferred to the cold dry blown air. As a result, the energy required to heat and humidify the blown air to the required temperature and humidity is reduced.
전체 에너지 회수 휘일들과 관련된 한 문제는 통상의 휘일의 분당 약로 20회전의 속도로 회전한다는 사실로부터 제기된다. 그에 따라 휘일은 매회전당 약 1.5초 동안만 각기 공기흐름과 접촉하게 된다. 그러므로, 감지가능한 열교환 재료와 건조제는 잠복 및 감지가능한 열을 공기흐름들 각각으로부터 매우 빨리 흡수하고 그 흡수된 열을 방출할 수 있어야 한다.One problem with the total energy recovery wheels arises from the fact that they rotate at a speed of about 20 revolutions per minute of a conventional wheel. As a result, the wheels come into contact with the airflow only for about 1.5 seconds per revolution. Therefore, the detectable heat exchange material and desiccant must be able to absorb the latent and detectable heat from each of the air streams very quickly and release the absorbed heat.
전체 에너지 회수 휘일의 사용에 따른 문제는 잠복 및 감지가능한 열교환 매체의 건조제는 수증기와 함께 배출 공기흐름에 있는 오염물질까지도 종종 흡수하고 전달한다는 것이다. 밀폐된 공간으로부터 공기를 계속 배출하고 밀폐공간에 신선한 공기로 교체하는 가장 중요한 이유는 밀폐된 공간의 공기로부터 그에 함유된 오염물을 제거하기 위한 것이다. 그러한 바람직하지 못한 오염물은 암모니아, 솔벤트로부터의 탄화수소, 일산화탄소, 이산화질소 및 이산화황 등이다. 활성화된 알루미나(Al2O3)와 실리카겔과 같은 건조제는 매우 넓은 기공크기 분포, 즉 8-70Å 및 8-100Å의 분포를 지닌다. 산화된 알루미늄 표면은 더욱 넓은 기공크기 분포를 지닌다. 이러한 넓은 기공크기 분포는 건조제가 공기흐름으로부터 수증기와 함께 공기중의 오염물도 흡수하는 것을 허용한다. 리튬클로라이드와 같은 건조제는 조해(潮解)되어 수성의 건조제 용액을 형성하여 모든 수용성 오염물을 흡수한다. 이러한 오염물들은 취입되는 공기흐름속으로 수증기와 함께 다시 방출된다. 오염물은 또한 건조제의 수증기를 흡수할 흡습성을 저하시킨다.The problem with the use of the entire energy recovery wheel is that desiccants in the latent and detectable heat exchange medium often absorb and transmit contaminants in the exhaust air stream along with water vapor. The most important reason for continuing to discharge air from the enclosed space and replacing it with fresh air in the enclosed space is to remove contaminants contained in the air in the enclosed space. Such undesirable contaminants are ammonia, hydrocarbons from solvents, carbon monoxide, nitrogen dioxide and sulfur dioxide and the like. Desiccants such as activated alumina (Al 2 O 3 ) and silica gel have a very wide pore size distribution, i.e. 8-70
본 발명의 목적은 현재 이용가능한 것보다 상당히 더 효과적이고 빠른 작용의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체를 개발하는 것이다.It is an object of the present invention to develop a latent and detectable heat exchange medium that is significantly more effective and faster than currently available.
본 발명의 목적은 또한, 흡수된 오염물이 신선한 취입 공기흐름에 들어가 재순환되기 보다는 배출 공기흐름을 따라 추방되도록 배출 공기흐름에 있는 오염물을 흡수하지 않고 공기흐름으로부터 수증기를 흡수하는 전체 에너지 회수 휘일용 잠복 및 감지가능한 열교환 매체를 개발하는 것이다.It is also an object of the present invention for the entire energy recovery wheel to absorb water vapor from the air stream without absorbing the contaminants in the exhaust air stream so that the absorbed contaminants are expelled along the exhaust air stream rather than entering and recirculating fresh blow air stream. And develop a detectable heat exchange medium.
[발명의 개요][Overview of invention]
잠복 및 감지가능한 열교환 매체는 기체가 침투가능한 매트릭스로 구성된다. 기체 침투성 매트릭스는, 공기흐름이 상기 열교환 매체로 통하여 흐를 수 있는 통로를 제공한다. 기체 침투성 매트릭스는 감지가능한 열교환 재료로 형성되며, 그 열교환 재료는 공기흐름이 열교환 매체를 통과하여 지날때 더욱 공기흐름으로 부터 감지가능한 열을 흡수하고 그 흡수된 감지가능한 열을 찬 공기흐름속에 방출할 수 있는 것이다. 분자 여과체를 구성하는 코팅 조성물의 층이 감지가능한 열교환 재료의 표면의 적어도 일부분에 피복된다. 분자 여과체는 균일한 크기의 다수 기공들을 지니며, 그것은 분자 여과체가 잠복 및 감지가능한 열교환 매체를 통하여 흐르는 습한 공기흐름으로부터 수증기를 흡수하고 상기 열교환 매체를 통과하는 건조한 공기흐름속에 상기 흡수된 수증기를 방출할 수 있지만, 어느 공기흐름들로부터도 오염물의 큰 분자들을 흡수할 수는 없는 크기의 기공이다.The latent and detectable heat exchange medium consists of a matrix through which the gas is permeable. The gas permeable matrix provides a passageway through which air flow can flow through the heat exchange medium. The gas permeable matrix is formed of a detectable heat exchange material that absorbs more detectable heat from the air flow and releases the absorbed detectable heat into the cold air flow as the air flow passes through the heat exchange medium. It can be. The layer of coating composition constituting the molecular filter media is coated on at least a portion of the surface of the detectable heat exchange material. The molecular filter medium has a plurality of pores of uniform size, which absorb the water vapor from the wet air stream flowing through the latent and detectable heat exchange medium and in the dry air flow through the heat exchange medium. It is a pore size that can emit, but cannot absorb large molecules of contaminant from any air stream.
본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체는 전체 에너지 회수 휘일에 특히 유용하며, 상기 에너지 회수 휘일은 허브(hub), 본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체, 허브의 원주방향 주위에서 열교환 매체를 지지하는 수단 및 에너지 회수 휘일을 회전시키는 구동장치 등을 포함한다.The latent and detectable heat exchange medium of the present invention is particularly useful for the entire energy recovery wheel, which is capable of supporting a heat exchange medium around the hub, the latent and detectable heat exchange medium of the present invention, the circumferential direction of the hub. Means and a drive for rotating the energy recovery wheel.
본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체는 감지가능한 열과 잠열 모두를 흡수하고 방출함에 있어 보다 효율적이며, 그 결과 본 발명의 열교환 매체를 이용한 전체 에너지 회수 휘일은 현재의 것보다 더 소형으로 될 수 있는 한편, 유사한 압력손실 변수에서 같거나 보다 더 효율적이다. 더우기, 피복 조성물로 된 분자 여과층은 공기흐름중의 수증기를 흡수하지만 기공의 특정한 크기 및 기공도 때문에 공기흐름중의 어떠한 오염물도 흡수하지 않는다. 따라서, 본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체는, 배출되는 공기흐름으로부터 오염물을 흡수하여 그 오염물을 취입되는 공기흐름에 배출하여 재순환시키지 않고 잠열을 흡수한다. 이러한 선택성은 잠복 및 감지가능한 열교환 요소들과 관련하여 지금까지 사용되어 왔던 종류의 건조제로서는 가능하지 않는 것이다.The latent and detectable heat exchange medium of the present invention is more efficient at absorbing and releasing both detectable heat and latent heat, so that the overall energy recovery wheel using the heat exchange medium of the present invention can be made smaller than present. As a result, they are equal or more efficient at similar pressure loss parameters. Moreover, the molecular filtration layer of the coating composition absorbs water vapor in the air stream but does not absorb any contaminants in the air stream because of the specific size and porosity of the pores. Accordingly, the latent and detectable heat exchange medium of the present invention absorbs contaminants from the discharged air stream and discharges the contaminants into the blown air stream to absorb latent heat without recycling. This selectivity is not possible with the kind of desiccant that has been used so far in connection with latent and detectable heat exchange elements.
본 발명의 목적들, 특징들 및 잇점들은 첨부한 아래 도면들과 상세한 설명으로부터 충분히 이해될 것이다.The objects, features and advantages of the invention will be fully understood from the accompanying drawings and the description below.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]Detailed Description of the Preferred Embodiments
본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)은 기체가 침투가능한 매트릭스(12)로 형성된다. 기체가 침투가능한 매트릭스(12)는 공기흐름이 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)를 통해 흐를 수 있는 다수의 통로(14)를 포함한다.The latent and detectable
가스가 침투가능한 매트릭스(12)는 시트재료(16)의 다수의 이격된 층들로 형성된다. 통상적으로는 시트재료(16)는 1-3밀(mil)까지의 두께이다. 특히 바람직한 것은, 시트재료(16)의 층들은 벌집형 매트릭스를 형성하는 평탄한 시트재료(26)와 주름진 시트재료(18)의 교대로 된 층이다. 주름진 시트재료(18)의 주름(22)은 서로 평행하고 높이가 50-100밀이고 폭이 100-200밀이다. 공기흐름이 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)의 통로(14)를 통하여 흐를때 공기흐름의 압력손실을 최소화시키며 상기 열교환 매체의 감지가능한 열 및 통과물질의 전달 효율들을 최대화시키기 위하여 상기 주름(22)이 그 정점에서 약간 평탄하게 되는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 주름(22)들은 삼각형 또는 장방형으로 될 수 있다. 더우기, 가스가 침투가능한 매트릭스(12)는 섬유질 메시(mesh)와 같이 다른 형태를 취할 수 있다.The gas
기체가 침투가능한 매트릭스(12)의 기판은 감지가능한 열교환 재료(26)로 형성된다. 상기 감지가능한 열교환 재료(26)로 적당한 것은 공기흐름들이 열교환 매체(10)를 통해 흐를때 더운 공기흐름으로부터 감지가능한 열을 흡수하고 그 흡수된 감지가능한 열을 찬 공기흐름 속으로 방출할 수 있는 재료이다. 기체가 침투 가능한 매트릭스(12)의 감지가능한 열교환 재료(26)로 바람직한 것은 알루미늄 또는 스테인레스강과 같은 금속박이다. 또한, 감지가능한 열교환 재료로 가능한 것은 크라프트지(kraft papes) 나일론 섬유지, 무기질 섬유지, 석면 및 플라스틱 등이다. 기체가 침투가능한 매트릭스(12)의 감지가능한 열교환 재료(26)의 전체 표면적 및 열교관 재료의 열 수용력은, 어떤 재료가 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)용으로 적합한 지를 결정하는 두 인자들이다. 상기 두 인자들중에서 재료의 전체 표면적의 인자가 보다 더 중요한 것으로 나타났으며, 그 이유는 공기흐름이 수증기 및 열교환 매체(10)와 접촉하는 시간이 약 1.5초 동안으로 짧기 때문이다.The substrate of the gas
코팅 조성물의 층(28)이 매트릭스(12)의 감지가능한 열교환 재료(26)의 표면(30)의 적어도 일부분에 피복된다. 코팅 조성물은 분자 여과체를 구성한다. 분자 여과체는 분자들의 크기에 따라 분자들을 여과하는 특성 때문에 이름붙여진 것이다. 분자 여과체는 매우 넓은 기공크기 분포를 지니는, 실리카겔 및 활성화된 알루미나와 같은 다른 흡착제와는 다르다. 적합한 분자 여과체는 균일한 크기의 다수의 기공들을 가지며, 그에 의하여 상기 분자 여과체는 열교환 매체(10)을 통과하여 흐르는 습한 공기로부터 수증기를 흡착할 수 있으며 또한 상기 열교환 매체를 통과하여 흐르는 건조한 공기에 상기 흡착된 수증기를 방출할 수 있으나, 취입 및 배출 공기흐름들로부터 오염물을 흡착할 수는 없다. 물 분자는 임계 직경이 2.8Å이며 암모니아나 황화수소와 같은 작은 오염물은 임계 직경이 3.6Å이기 때문에, 분자 여과체는 약 3Å의 기공 직경을 지니는 것이 바람직하다. 분자 여과체의 기공 직경은 열교환 매체(10)가 노출될 오염물의 종류 및 상기 열교환 매체가 사용될 환경에 따라 3Å보다 더 크게, 예를들면 4 또는 5Å과 같이 될 수 있음을 알 수 있다.
분자 여과체는, 많은 수의 상호 연결된 균일 크기의 기공들이 있게 되도록 결정격자에 원자들이 배열된 재료이다. 상기 기공들은 물과 같이 크기가 기공보다 더 작은 분자들을 흡착할 수 있다. 따라서, 분자 여과체는 큰 분자들로부터 기공보다 작은 분자들을 흡착 및 분리하도록 사용될 수 있다. 분자 여과체의 일종은 제올라이트(zeolites)이다.Molecular filters are materials in which atoms are arranged in the crystal lattice such that there are a large number of interconnected uniformly sized pores. The pores can adsorb molecules smaller in size than the pores, such as water. Thus, molecular filter media can be used to adsorb and separate molecules smaller than pores from larger molecules. A kind of molecular filter is zeolites.
제올라이트는 알루미늄과 소듐, 포타슘 및/또는 칼슘의 수화된 규사염으로서 NA2OㆍnSiO2ㆍxH2O의 일반식을 지닌다. 제올라이트는 자연적인 것 또는 인조인 것일 수 있다. 자연적인 여과체로서는 채바자이트, 톰소나이트, 훌렌다이트, 파우자사이트, 퍼뮤타이트, 아날사이트, 에리오나이트, 나트롤라이트, 스틸바이트 및 모데나이트 등을 포함한다. 그러나, 이러한 자연 제올라이트들은 모두가 분자여과특성을 나타내지는 않으며, 그 이유는 자연 제올라이트가 효과적인 분자 여과체용으로 적당한 것보다 더 광범위한 기공크기 분포를 가지기 때문이다.Zeolites are hydrated silica salts of aluminum and sodium, potassium and / or calcium and have the general formula NA 2 O.nSiO 2 .xH 2 O. Zeolites may be natural or artificial. Natural filter media include chabazite, tomsonite, hulenite, faujasite, permutite, analsite, erionite, natrolite, steel bite and mordenite. However, these natural zeolites do not all exhibit molecular filtration properties because natural zeolites have a wider pore size distribution than is suitable for effective molecular filter media.
인조 제올라이트 분자 여과체로서는 제올라이트 A,D,L,R,S,T,X 및 Y들을 포함한다. 제올라이트 A는 아래 일반식으로 표현되는 결정질 제올라이트 분자 여과체이다.Artificial zeolite molecular filters include zeolites A, D, L, R, S, T, X and Y. Zeolite A is a crystalline zeolite molecular filter represented by the following general formula.
1.0±0.2M2-nO : Al2O3: 1.85±0.5SiO2: yH2O1.0 ± 0.2M 2-n O: Al 2 O 3 : 1.85 ± 0.5SiO 2 : yH 2 O
여기서, M은 금속, n은 M의 원자가, y는 6까지중의 어느 값이다.Here, M is a metal, n is a valence of M, and y is any of 6 values.
제올라이트 X는 아래 일반식으로 표현되는 결정질 제올라이트 분자 여과체이다.Zeolite X is a crystalline zeolite molecular filter represented by the following general formula.
0.9±0.2M2-nO : Al2O3: 2.5±0.5SiO2: yH2O0.9 ± 0.2M 2-n O: Al 2 O 3 : 2.5 ± 0.5SiO 2 : yH 2 O
여기서, M은 금속, 특히 알카리 및 알카리 토금속들이며, n은 M의 원자가, y는 8까지중의 어느 값이다.Where M is a metal, in particular alkali and alkaline earth metals, n is the valence of M and y is any value up to 8.
4Å 분자 여과체로서 본 기술분야에서 대체로 알려진 분자 여과체는 약 4Å의 기공 직경을 지니며, 나트륨 양이온을 지니는 결정구조 A의 알루미노 규산염이다. 3Å 분자 여과체로서 본 기술분야에서 대체로 알려진 분자 여과체는 나트륨과 포타슘 양이온들을 지니는 알루미노 규산염이다. 3Å 분자 여과체는 4Å 분자 여과체의 나트륨 양이온들 대부분을 보다 큰 포타슘 양이온들로 치환시킴으로써 마련된다. 따라서, 3Å 분자 여과체의 대부분의 나트륨 양이온들을 보다 작은 칼슘 양이온들로 치환시킴으로써 마련된다. 따라서 5Å 분자 여과체의 대부분 기공들은 직경이 약 3Å이지만 기공들중 일부는 약 4Å의 직경을 지닌다. 5Å 분자 여과체로서 본 기술분야에 대체로 알려진 분자 여과체는 나트륨과 칼슘 양이온들을 지니는 결정구조 A의 알루미노 규산염이다. 5Å 분자 여과체들은 4Å 분자 여과체의 대부분의 기공들은 직경이 약 5Å이지만 기공들중 일부는 4Å의 직경을 가진다.Molecular filters commonly known in the art as 4 'molecular sieves are aluminosilicates of crystal structure A having a pore diameter of about 4 mm and having sodium cations. Molecular filters commonly known in the art as 3 ′ molecular filters are aluminosilicates with sodium and potassium cations. The 3 ′ molecular filter is prepared by replacing most of the sodium cations of the 4 ′ molecular filter with larger potassium cations. Thus, it is prepared by replacing most sodium cations of the 3 ′ molecular filter with smaller calcium cations. Thus, most pores of the 5 micron molecular filter are about 3 microns in diameter, but some of the pores have a diameter of about 4 microns. The molecular filter, generally known in the art as the 5 'molecular sieve, is an aluminosilicate of crystal structure A with sodium and calcium cations. The 5 micron molecular sieves have a diameter of about 5 microns, although most of the pores of the 4 micron molecular sieve have a diameter of about 4 microns.
물분자의 선택적 흡착에 대하여 분자 여과체에 의해 제공되는 다른 잇점은 분자 여과체의 극성이다. 바람직한 분자 여과체는 물분자와 크기가 비슷하지만 극성이 다른 일산화탄소와 같은 분자들보다 물분자들을 선태적으로 끌어당기도록 구성을 지닌다.Another advantage provided by molecular filter media for the selective adsorption of water molecules is the polarity of the molecular filter media. Preferred molecular filters are constructed to attract water molecules preferentially than molecules such as carbon monoxide, which are similar in size but different in polarity to water molecules.
잠복 및 감지가능한 열교환기(10)용으로 적합한 건조제는 특히 20%-90%의 상대습도 범위의 공기흐름으로부터 수증기를 흡착하는 큰 전체적인 능력을 지녀야 하는 것으로 생각되어 왔었다. 그 대신에, 건조제가 열교환 매체(10)에 사용될 때 건조제가 공기흐름으로부터 수증기를 흡착하는 초기 속도가 보다 더 중요한 것으로 결정되었으며, 그 이유는 공기흐름이 오직 1.5초 정도 동안만 열교환 매체와 접촉하기 때문이다. 분자 여과체는 열교환 매체에 통상 사용되는 건조제들 중에서 짧은 시간내에 공기흐름으로부터 수증기를 흡착하는 독특한 특성을 지닌다.Desiccants suitable for the latent and
분자 여과체는 화학적으로 불활성이기 때문에, 코팅 조성물의 층(28)에 분자 여과체 존재는 열교환 매체에 내식성을 더 증가시켜준다.Since the molecular filter media is chemically inert, the presence of the molecular filter media in the
본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)는, 바람직하게는 최소한 0.2밀의 두께, 보다 바람직하게는 0.2-0.7밀의 두께, 가장 바람직하게는 약 0.5밀의 건조한 박막 두께의 결합제를 알루미늄 스트립과 필요한 감지가능한 열교환 재료(26)의 스트립에 피복함으로써 마련될 수 있다. 적합한 결합제는 알루미늄에 양호한 접착성을 보이며, 열교환 재료(26)의 양립될 수 있으며, 적당한 시간동안 점착성이 남는 것이다. 예를들면, 상기 결합제들은 폴리우레탄, 니트릴-페놀리스, 물-기저 결합제와 바람직하게는 메틸 에틸 케톤 또는 톨루엔에서 중량 백분율로 15-25% 함량의 고체를 지니는 알키드 수지류 등이다. 결합제는 침지법, 분사법 및 나이프 오버롤러 코팅법 등과 같은 방법들중 어느 한 방법으로 감지가능한 열교환 재료(26)에 도포될 수 있다. 결합제 조성물은 톨루엔과 같은 솔벤트를 포함하여서 코팅층의 표면은 분자 여과체의 사용을 위한 충분한 시간동안 점착성을 지닌다.The latent and detectable
결합제가 감지가능한 열교환 재료(26)에 가해진 다음, 결합제는 약간의 점착성을 지니게 될때까지 더운 공기로 취입하여 건조된다. 3Å 분자 여과체와 같은 필요한 분자 여과체의 층이 열교환 재료(26)의 코팅된 스트립 표면에 가해진다. 감지가능한 열교환 재료(26)의 피복된 스트립은, 균등한 층의 분자 여과체가 결합된 표면에 데포짓트(deposit)되도록 분자 여과체 입자들의 유동상을 계속 통과된다. 분자 여과체 입자들은 미분말에서 약 200메시의 평균 입도를 지닌다. 감지가능한 열교환 재료(26)의 완성된 코팅 표면은 더운 공기를 사용하는 것과 같은 방법으로 점착성이 없는 상태까지 건조된다. 같은 과정을 반복하여 감지가능한 열교환 재료(26)의 다른 측면을 피복한다.The binder is applied to the detectable
변형적으로, 코팅 조성물은 분자 여과체와 5-15% 중량비의 결합제를 함유하며, 결합제는 전술된 것들이다. 결합제와 분자 여과체는, 결합제가 분자 여과체의 기공을 막아 그 기능을 저해하지 않도록 열교환 재료(26)에 가해져야 한다.Alternatively, the coating composition contains a molecular filter medium and a binder in a 5-15% weight ratio, the binder being those described above. The binder and molecular filter should be applied to the
제1도에 예시된 바와 같이, 본 발명의 잠복 및 감지가능한 열교환 매체(10)는 전체 에너지 회수 휘일(30)에 특히 유용하다. 상기 에너지 회수 휘일(30)은 허브(32)와 그 원주상 둘레의 열교환 매체(10)를 포함한다.As illustrated in FIG. 1, the latent and detectable
코팅 조성물의 층(28)은 에너지 회수 휘일(30)의 열교환 매체(10)의 일부로서 배치될때 스팀 또는 물로 세정가능하다.
바람직한 실시예에서, 열교환 매체(10)는 주름진 시트재료(18)와 평탄한 시트재료(20)의 다수의 교대로 된 층들로 형성되며, 신장된 스트립의 주름진 시트재료(18)와 인접하여 신장된 스트립의 평탄한 시트재료(20)는 감겨진 스트립이 적당한 직경의 원통형을 형성할때까지 스풀(spool) 둘레에 감겨진다. 평탄한 시트재료(20)와 주름진 시트재료(18)들을 함께 접착시키고 열교환 매체(10)와 에너지 회수 휘일(30)의 구조적 일체성을 증가시키기 위하여 평탄한 시트재료(20)가 주름진 시트재료(18)와 한쌍으로 되기전에 적당한 접착제가 평탄한 시트재료(20)에 도포될 수 있다. 실린더 형태로 감겨진 스트립은 8개의 파이형 조각들(32)로 축방향으로 절단된다. 파이형 조각들(32)은 스포크(spokes:36)들 사이에 허브(34)로부터 축방향 외측으로 연장되어 에너지 회수 휘일(30)을 형성하도록 허브(34)에 고정된다. 림(38)이 에너지 회수 휘일(30)의 외주면 둘레에 고정된다. 에너지 회수 휘일(30)은 자유로이 회전하도록 허브(34)를 통해 프레임(40)속에 설치된다. 에너지 회수 휘일(30)의 림(38)과 맞물리는 무단 벨트를(도시되지 않음) 통하여 에너지 회수 휘일(30)을 회전시키도록 로터(42)가 프레임(40)에 장착된다.In a preferred embodiment, the
에너지 회수 휘일(30)은 8인치에서 1피트의 두께와 2피트에서 14피트의 직경을 갖는 것으로 된다.The
사용시에, 에너지 회수 휘일(30)은 자유로이 회전할 수 있도록 프레임(34)속에 장착된다. 프레임(34)은 가열 및 냉각장치의 취입 및 배출 공기흐름들 사이에 배치되며, 에너지 회수 휘일(30)의 열교환 매체(10)의 주름진 시트재료(18)의 주름이 열교환 매체(10)를 통하여 축방향으로 연장된 통로(14)를 제공하도록 배열된다. 따라서, 공기흐름은 휘일의 일측면으로부터 타측면 쪽으로 흐를 수 있다. 통상적으로, 취입 및 배출 공기흐름들은 에너지 회수 휘일(30)을 통하여 동시에 반대방향으로 흐를 수 있다. 에너지 회수 휘일(30)이 분당 약 20회전으로 회전할때, 에너지 회수 휘일(30)의 부분들은 교대로 취입 및 배출 공기흐름들과 접촉한다. 에너지 회수 휘일(30)의 부분들은 매회전 동안에 다른 시간에 두 공기흐름들과 접촉한다. 공기흐름이 에너지 회수 휘일(30)의 열교환 매체(10)를 통하여 흐를때, 열교환 매체는 보다 따뜻하고 더 습한 공기흐름으로부터 열과 수증기를 흡수하여 그것을 보다 차겁고 건조한 공기흐름에 방출한다.In use, the
냉각형태에서, 에너지 호수 휘일(30)은 취입되는 따뜻하고 습한 공기흐름을 냉각 및 건조시킨다. 취입공기와 접촉하는 에너지 회수 휘일(30)의 열교환 매체(10) 부분은 따뜻하고 습한 취입공기 흐름으로부터 열과 수증기를 흡수한다. 열교환 매체(10)가 배출 공기흐름과 접촉하도록 에너지 회수 휘일(30)이 회전할때, 에너지 회수 휘일(30)의 열교환 매체(10)에 의해 흡수된 열과 수증기는 차고 건조한 배출 공기흐름에 전달된다. 이 과정은 에너지 회수 휘일이 계속 회전함에 따라 계속하여 반복된다. 그 결과, 요구되는 온도와 습도까지 취입 공기흐름을 냉각시키고 건조시키는데 필요한 에너지는 감소된다.In the form of cooling, the
가열 형태에서, 에너지 회수 휘일은 차고 건조한 취입 공기흐름을 가열하고 가습한다. 배출 공기흐름과 접촉하는 에너지 호수 휘일(30)의 열교환 매체(10) 부분은 덥고 습한 배출 공기흐름으로부터 열과 수증기를 흡수한다. 열교환 매체(10)가 취입 공기흐름과 접촉하도록 에너지 호수 휘일(30)이 회전함에 따라, 에너지 호수 휘일(30)의 열교환 매체(10)에 의해 흡수된 열과 수증기는 차고 건조한 취입 공기흐름에 전달된다. 이 과정은 에너지 호수 휘일(30)이 계속 회전함에 따라 계속 반복된다. 그 결과, 필요한 온도와 습도까지 취입공기흐름을 가열 및 가습하는데 필요한 에너지는 감소된다.In the form of heating, the energy recovery wheel heats and humidifies the cold, dry blown air stream. The
제3도에 도시된 바와 같이, 분자 여과체의 습기를 흡수할 전체 용량은 20-90% 상대습도 사이에서 현저히 증가하지 않는다. 이와는 대조적으로, 습기를 흡수할 실리카겔의 전체 용량은 20-90% 상대습도 사이에서 거의 3배이다. 그러나, 제4도에서 볼 수 있는 바와 같이, 분자 여과체는 현재 이용될 수 있는 열교환 매체(10)에 사용되는 실리카겔 및 활성화된 알루미나와 같은 다른 건조제에 비하여 매우 빠른 속도로 평형 상태 용량에 이른다. 보다 상세히 설명하면, 3Å과 5Å의 분자 여과체들은 5초 미만에 평형상태 용량의 100%에 도달하지만, 실리카겔과 활성화된 알루미나는 30초 이상이 걸린다. 보다 중요한 것은, 실리카겔과 활성화된 알루미나는 처음 3초 내에서는 그들의 평형상태 용량의 약 10%밖에 이르지 못한다는 것이다.As shown in FIG. 3, the total capacity of the molecular filter medium to absorb moisture does not increase significantly between 20-90% relative humidity. In contrast, the total capacity of silica gel to absorb moisture is almost three times between 20-90% relative humidity. However, as can be seen in FIG. 4, the molecular filter medium reaches an equilibrium capacity at a very fast rate compared to other desiccants such as silica gel and activated alumina used in
제4도에 나타난 자료는 3Å 분자 여과체, 5Å 분자 여과체, 실리카겔 및 활성화된 알루미나의 코팅을 지닌 코팅 알루미늄 기판에 의해 마련되었다. 알루미늄의 파운드당 건조제의 중량과 피복 두께는 비슷했다. 교대로 된 평탄한 스트립과 주름진 스트립의 1인치의 두께를 지니는 열교환 매체속에 코팅되 알루미늄이 형성되었다. 상기 시험 샘플들은 95℉ DB/78℉ WB, 47% 상대습도, 증기압 0.78inch Hg 및 수증기 분압 9.3mmHg에서 평형에 도달하였다. 7℉ DB/61℉ WB, 60% 상대습도, 증기압 0.45inch Hg 및 수증기 분압 6.86mmHg의 공기가 600feet/min 속도로 샘플을 통과되었다. 샘플의 중량은 여러 기간이 지난다음에 측정되었다.The data shown in FIG. 4 was prepared by a coated aluminum substrate with a 3mm molecular sieve, 5mm molecular sieve, silica gel and a coating of activated alumina. The weight and coating thickness of the desiccant per pound of aluminum were similar. Coated aluminum was formed in a heat exchange medium having a thickness of one inch of alternating flat and corrugated strips. The test samples reached equilibrium at 95 ° F DB / 78 ° F WB, 47% relative humidity, 0.78 inch Hg vapor pressure and 9.3 mmHg steam partial pressure. Air was passed through the sample at a rate of 600 feet / min at 7 ° F DB / 61 ° F WB, 60% relative humidity, 0.45 inch Hg vapor pressure and 6.86 mmHg vapor partial pressure. The weight of the sample was measured after several periods of time.
특정시간까지 도달된 건조제의 평형상태의 용량의 백분율은, 건조한 상태의 건조제의 파운드당 샘플의 중량증가를 구하도록 샘플의 중량증가를 건조한 건조제의 최초 중량으로 먼저 나눔으로써 계산되었다. 그런다음, 특정시간까지 도달된 건조제의 평형상태의 용량의 백분율은, 제5도와 6도에서 결정된 바와 같이 건조제의 평형상태 용량으로 건조한 상태의 건조제 파운드당 샘플의 중량증가를 나눔으로써 결정되었다.The percentage of equilibrium capacity of the desiccant reached by a certain time was calculated by first dividing the weight increase of the sample by the initial weight of the dry desiccant to determine the weight increase of the sample per pound of dry desiccant. The percentage of equilibrium capacity of the desiccant reached by a certain time was then determined by dividing the weight gain of the sample per pound of desiccant in the dry state by the equilibrium capacity of the desiccant as determined in FIGS.
제5도와 6도는 여러 수증기 분압 및 온도들에서 3Å 분자 여과체와 실리카겔 각각의 평형상태의 습기용량을 나타낸다. 제5도와 6도로부터, 실리카겔은, 공기중 수증기 분압이 증가할때 3Å 분자 여과체 보다 평형상태의 용량이 더 큰 증가를 나타냈다.5 and 6 show equilibrium moisture capacities of the 3 kPa molecular filter and the silica gel at various water vapor partial pressures and temperatures. From FIG. 5 and FIG. 6, the silica gel showed a larger increase in equilibrium capacity than the 3 kPa molecular filter when the water vapor partial pressure in the air increased.
에너지 회수 휘일용 건조제로서 3Å 분자 여과체의 전체 효율은 제4도,5도 및 6도의 자료를 종합하여 실리카겔의 것과 비교되었다. 제6도로부터 알 수 있는 바와 같이, 실리카겔의 물을 흡착할 용량은, 95℉ DB/78℉ WB, 47% 상대습도, 증기압 0.78inch Hg, 수증기 분압 9.3mmHg와 70℉ DB/61℉ WB, 60% 상대습도, 증기압 0.45inch Hg 및 수증기분압 6.86mmHg 사이에서 건조한 건조제 파운드당 수분 0.041파운드 증가한다. 건조제 온도는 공기흐름의 평균온도 또는 82.5℉에 접근된다. 한편, 제5도에서 볼 수 있는 바와 같이, 3Å 분자 여과체의 용량은 같은 조건하에서 건조한 건조제 파운드당 수분 0.008파운드만 증가한다. 1.5초가 지난후에 수분을 흡착하는 3Å 분자여과체와 실리카겔의 용량의 백분율은 각각 70%와 5%였다. 실리카겔과 3Å 분자 여과체의 실제 전달 용량은, 각각 건조한 건조제의 파운드당 수분 0.00205파운드와 건조한 건조제 파운드당 수분 0.0056파운드이다. 따라서, 에너지 회수 휘일이 노출되는 조건하에서, 3Å 분자 여과체는 실리카겔 보다 우수한 잠열 전달 능력을 지닌다.The overall efficiency of the 3K molecular sieve as a desiccant for energy recovery wheels was compared with that of silica gel by combining the data of 4, 5 and 6 degrees. As can be seen from FIG. 6, the capacity of the silica gel to adsorb water is 95 ° F DB / 78 ° F WB, 47% relative humidity, vapor pressure 0.78 inch Hg, water vapor partial pressure 9.3 mmHg and 70 ° F DB / 61 ° WB, Increased 0.041 pounds of moisture per pound of dry desiccant between 60% relative humidity, 0.45 inch Hg vapor pressure, and 6.86 mmHg steam partial pressure. Desiccant temperature is approaching the average temperature of the air stream or 82.5 ° F. On the other hand, as can be seen in Figure 5, the capacity of the 3 μs molecular filter medium increases only 0.008 pounds of water per pound of dry desiccant under the same conditions. After 1.5 seconds, the percentages of the capacity of 3 Å molecular filter and silica gel to adsorb moisture were 70% and 5%, respectively. The actual delivery capacity of the silica gel and 3mm molecular sieve is 0.00205 pounds per pound of dry desiccant and 0.0056 pounds per pound of dry desiccant, respectively. Thus, under conditions in which the energy recovery wheels are exposed, the 3K molecular sieve has better latent heat transfer capability than silica gel.
본 발명의 분자 여과체를 포함하여 여러 건조제들을 사용한 열교환 매체의 여러 면속도(face velocitie)들에 도달된 전체용량에 대한 전체 효율 백분율의 비교가 제7도에 도시되어 있다. 본 발명의 분자 여과 건조제를 사용한 샘플들이 준비되었고 ASHRAE(미국 가열 냉동 및 공기조화 기술자 협회) 테스트 84-78P에 따라 평가되었다. 실리카겔과 알루미늄 산화물을 사용한 열교환 매체의 수행능이 그러한 건조제들을 사용한 통상적인 열교환 매체를 평가한 쉽게 이용가능한 문헌으로부터 유도되었다. 본 발명의 열교환 매체는 실리카겔과 알루미늄 산화물과 같은 건조제를 사용한 열교환 매체의 것에 비해 우수한 잠열 및 감지가능한 열전달 능력을 나타냈다.A comparison of the total efficiency percentage to the total capacity reached for the various face velocitie of the heat exchange medium using various desiccants, including the molecular filter media of the present invention, is shown in FIG. Samples using the molecular filtration desiccant of the present invention were prepared and evaluated according to ASHRAE (American Society of Heat Freezing and Air Conditioning Engineers) Test 84-78P. The performance of heat exchange media using silica gel and aluminum oxide was derived from readily available literature evaluating conventional heat exchange media using such desiccants. The heat exchange medium of the present invention showed superior latent heat and detectable heat transfer capability compared to that of heat exchange media using a desiccant such as silica gel and aluminum oxide.
본 발명의 열교환 매체(10)는 배출 공기흐름으로부터 오염물을 흡착하여 취입 공기흐름에 재순환시키지 않고 수증기를 흡착한다. 코팅 조성물의 분자 여과체는 오염물 분자의 임계 직경보다 더 작은 분자 여과체의 기공 크기때문에 공기흐름속의 어떠한 오염물도 흡착하지 않는다. 분자 여과체의 극성은 물분자보다 덜 극성인 다른 물질의 유사 크기의 분자보다 물분자에 대해 친화력을 제공한다. 따라서, 본 발명의 열교환 매체(10)는 감지가능한 열과 잠열 모두를 흡수 및 방출함에 있어서 보다 효율적이며, 그 결과 본 발명의 열교환 매체(10)를 이용한 열교환 휘일(30)은 현재 이용가능한 것보다 더 소형화될 수 있다. 본 발명은 HVAC시스템에 대해 실시예를 들어 주로 설명되었지만, 본 발명이 공기흐름으로부터 습기 제거 및 감지가능한 열회수가 요구되는 그밖의 산업에 이용될 수 있다.The
Claims (16)
Applications Claiming Priority (2)
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KR1019880701553A KR960004607B1 (en) | 1987-03-26 | 1988-03-24 | High efficiency sensible and latent heat exchange media with selected transfer for a total energy recovery wheel |
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-
1988
- 1988-03-24 KR KR1019880701553A patent/KR960004607B1/en active IP Right Grant
Also Published As
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KR890700389A (en) | 1989-04-24 |
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