Experimental and theoretical studies on the membrane-based dehumidification process using liquid desiccant and indirect evaporative cooling process for air conditioning

Abstract

에너지 및 환경 문제는 지난 수십 년보다 더욱 주목받고 있습니다. 국제 에너지기구(IEA)에서 발표한 Global Energy Outlook 2020에 따르면, 전 세계 에너지 소비는 2010 년부터 2035 년까지 47 % 증가할 것으로 예상됩니다. 또한 지구 기후 변화와 에너지 소비의 복잡성으로 인해 대체 에너지 및 에너지 소비 감소에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 산업화 및 도시화가 진행됨에 따라 건물의 크기와 높이의 증가가 지속적으로 진행되고 있으며, 특히 국내의 경우 2016년대비 2021년의 고층건물의 숫자는 두배 증가하였습니다. IEA의 조사에 따르면, 건물에서 소비되는 에너지는 전체 에너지의 약 35%이며, 이산화탄소 배출량은 전체의 약 38%입니다. 또한 건물의 증가에 따라서 전세계의 공기조화 시장은 2020년 2,200 억 달러에서 2025년 2,770 억 달러로 연평균 4.8% 증가할 것으로 예상됩니다. 실내는 공기조화 과정을 통해 공기질(IAQ)을 조절할 수 있습니다. IAQ는 오염 물질 및 열 조건 (온도 및 상대 습도)을 포함하여 거주자의 웰빙, 쾌적함 및 성과에 영향을 미치는 조절된 공간의 공기 품질을 나타냅니다. 그 중 공기의 습도를 제거하는 기술은 크게 증기압축식, 흡착식, 흡수식, 분리막식 방식으로 나뉘어집니다. 일반적으로 널리 사용되는 증기압축식 공기조화 시스템에서 수분은 공급 공기의 이슬점 온도 이하로 유지되는 증발기를 통과하여 응축 및 제거됩니다. 그 후, 과랭 된 공기는 실내에 공급되기 전에 설계 온도까지 가열됩니다. 두번째로 흡착식 제습과정은 흡착제(제올라이트, 실리카겔 등)을 통해 공기중의 수분을 흡착시켜 제습하는 공정으로 공기의 온도가 상승하는 단점이 있습니다. 세번째로는 흡수식 제습 공정이며 흡수제(LiCl, LiBr, CaCl2, TEG 등)를 통해 공기중의 수분을 흡수하여 제습하며, 흡수제의 부식성으로 인해 공기조화장비의 내구성에 문제가 생길 수 있습니다. 마지막으로 분리막 기반 제습공정은 분리막 양단의 압력차이로 인해 제습하는 공정이며, 작동에 공기 압축기나 진공펌프를 사용해야 하는 단점이 있습니다. 따라서 본 연구에서는 분리막을 통해 공기와 액체 건조제가 간접적으로 접촉하는 흡수식 제습공정을 제안하였습니다. 이 공정은 소수성 미세 다공성 막을 사용하여 습한 공기와 건조제 용액을 완전히 분리하며, 막을 통해서는 열과 수증기만이 전달됩니다. 개발한 수치해석 모델은 기존 문헌과의 비교를 통해 공기의 출구 온도 및 절대습도와 건조제 용액의 출구온도에서 최대 상대오차 7%의 결과를 보였으며, 여러 유동 방향 중 역류 방식의 모듈을 적용하였을 때 그리고 공기 측과 솔루션 측의 채널 두께가 작을수록 높은 성능(총효과: 0.788)을 보였습니다. 개발한 상용 복합막을 사용한 단위 제습 모듈을 통해 공기 및 액체건조제의 다양한 작동 변수에 따른 실험적인 연구를 수행하였으며, 용액 속도를 제외한 모든 작동 변수는 제습 모듈의 성능에 크게 영향을 미치는 것으로 파악되었습니다. 습공기 관련 작동 변수의 증가에 따라 수분 투과 유속은 막 횡단 수증기 압력 (즉, 구동력)이 증가하여 선형 적으로 증가했습니다. 특히 습공기 온도가 증가함에 따라 투과량은 1164−3188 gw/m2h 으로 증가했습니다. 수치해석 결과와 단위 제습 모듈의 실험적인 성능평가를 바탕으로 다채널의 제습 모듈을 개발하였으며, 출구 절대습도는 수치해석 결과와 비교를 통해 최대 상대오차 15%의 결과를 보였습니다. 다양한 작동 변수에 따른 모듈의 성능을 비교하였으며, 모듈의 잠열효과는 모든 작동조건에서 0.98 이상의 결과를 보여 용액 출구 온도를 제외한 모든 작동 변수에서 출구 습도는 약 10 gw/kga로 측정되었습니다. 액체 건조제는 제습 공정을 통해 흡수된 수분에 의해 희석되게 되며 낮은 농도의 액체건조제는 제습성능을 저하시킵니다. 그에 따라, 액체건조제의 재생과정은 시스템의 연속성을 위해 필수적이며 그에 대한 방법은 다음과 같습니다. 일반적으로 사용되는 액체건조제의 재생방법은 액체건조제를 90 ℃까지 가열하여 공기와 직접 접촉하는 방식으로 고온 액체 건조제의 높은 증기압력을 구동력으로 합니다. 하지만 공기와의 직접 접촉으로 인해 액적이 공기중으로 누출되어, 액체건조제의 손실이 발생할 수 있으며 액체건조제의 부식성으로 인해 장비의 내구성에 문제가 생길 수 있습니다. 그에 따라 역 삼투 방법, 전기투석 등의 방법이 제안되었으나 높은 전기소모의 단점을 갖고 있습니다. 따라서 본 연구에서는 직접접촉식 막 증류 방식을 적용한 열 구동 방식의 재생공정을 제안하였습니다. 이 공정은 40‒80 ℃의 액체건조제와 25 ℃의 물을 사용하여 양단의 수증기압력차이로 인해 구동되는 공정입니다. 간접접촉식 분리막 기반 액체건조제 제습공정과 마찬가지로, 분리막은 액체건조제와 물을 완전히 분리하여, 막을 통해서는 열 및 수증기만 전달됩니다. 막 증류 기반 액체건조제 재생공정은 스페이서의 유무와 작동 조건에 따른 실험 및 수치해석을 통하여 검토하였습니다. 개발한 수치해석 모델은 막을 통한 투과량을 예측하였으며, 스페이서가 포함된 모듈에서 결정계수 0.990, 비어 있는 채널의 경우 최대 상대오차 27%의 결과를 보였습니다. 스페이서를 적용한 모듈에서 공급온도 80 ℃, 양측 유량 1.4 LPM일 때 35.05 kg/m2h의 투과 유속을 보였으며, 스페이서가 포함된 모듈의 경우 공급온도 50 ℃이상의 경우 1.9−4.3 kg/m2h의 투과 유속으로 재생이 충분히 가능하다는 결과를 보였습니다. 제습 공정을 마친 건조한 공기의 추가 냉각을 위하여 간접 증발식 냉각기에 대한 연구를 수행하였습니다. 간접 증발식 냉각기는 공급 측의 습도의 증가 없이 공기 온도만 낮추는 방식입니다. 공급 공기는 열교환기를 통과하여 온도가 낮아지며, 온도가 낮아진 저온의 공기 중 일부는 추기되어 물을 머금고 있는 습한 채널을 통과합니다. 또한 물의 증발열을 통해 냉각된 추기 공기는 공급공기 채널과 열교환을 통해 공급공기를 냉각시킵니다. 다습한 조건에서는 증발할 수 있는 수분의 양이 매우 적어 냉방효과가 매우 적어, 앞서 연구한 제습공정을 통한 건조된 공기를 입구조건으로 하였을 경우 높은 냉각효과를 얻을 수 있습니다. 본 연구에서는 설치면적의 최소화를 위하여 쉘앤튜브형 열교환기 기반의 간접증발냉각기를 설계 및 개발하였습니다. 수치해석 모델은 평판형과 쉘앤튜브형에 따라 선택적으로 적용 가능하도록 개발되었으며, 출구 공기온도 대비 평판형의 경우 약 7.6%, 쉘앤튜브형의 경우 약 5.3%의 최대상대오차를 보였습니다. 쉘앤튜브형 간접증발냉각기의 추기율 변화에 따른 실험적인 연구를 진행하였으며, 추기율이 30%일 때, 약 7 ℃의 추가 냉각이 가능하다는 결과를 도출하였습니다. 본 연구를 통해서 소수성 분리 막 기반 제습공정과 간접 증발식 냉각기에 대한 연구가 수행되었습니다. 각 제습, 재생, 그리고 간접 증발식 냉각 공정에서의 실험적, 이론적으로 자세한 연구가 수행되었으며, 추후 제습공정의 제습량과 재생공정의 투과량의 정량적인 비교를 통한 모듈의 재설계 및 간접 증발식 냉각기의 형상 및 작동조건의 최적화를 통해 통합 공기조화 시스템의 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다. 통합 공기조화 시스템에 대한 연구는 높은 에너지 수요를 갖는 건물 내 공기조화 시스템에 적용을 통해 에너지소비 감소와 이산화탄소 배출 감량에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. |Energy and environmental issues are currently receiving more attention than that in the last few decades. According to the Global Energy Outlook 2020 published by the International Energy Agency (IEA), the global energy consumption is expected to increase by 47% from 2010 to 2035. In addition, research is being conducted on alternative energies and energy consumption reduction owing to the complexity of the global climate change and energy consumption. As industrialization and urbanization progress, the sizes and heights of buildings continue to increase. Particularly, in Korea, the number of high-rise buildings has doubled compared to that in 2016. According to the research by the IEA, buildings and construction account for 35% of the final energy use and 38% of carbon dioxide emissions. Additionally, as the number of buildings increases, the global air conditioning market is expected to increase by approximately 4.8% annually from $202 billion in 2020 to $277 billion in 2025. Indoor air quality (IAQ) can be adjusted by indoor air conditioning. The IAQ represents the air quality in a conditioned space, including the contaminants and the thermal conditions (e.g., temperature and relative humidity), which affect the well-being, comfort, and performance of the residents. The methods for removing humidity from air are largely classified into vapor compression, adsorption, absorption, and membrane method. In a commonly used vapor compression dehumidification system, moisture is condensed and removed from humid air via an evaporator maintained below the dew point temperature of the supplied air. Subsequently, the air is heated to the design temperature before being supplied to the target space. The adsorption dehumidification process is a dehumidification process by adsorbing the moisture in the air using an adsorbent (e.g., zeolites and silica gel), and has the disadvantage of increasing the air temperature. In comparison, in the absorption dehumidification process, moisture from humid air is absorbed by an absorbent, such as lithium chloride, lithium bromide, calcium chloride, and triethylene glycol. However, owing to the corrosiveness of the absorbent, the air conditioning equipment may be affected. Finally, the membrane-based dehumidification process has the disadvantage of requiring the use of an air compressor or a vacuum pump for operation. In this dissertation, a membrane-based absorptive dehumidification process using a liquid desiccant is proposed. This process uses a hydrophobic microporous membrane to completely separate moist air utilizing a desiccant solution, with only heat and water vapor being transferred through the membrane. A numerical analysis model was developed, whose results showed good agreement with the existing literature with a maximum relative error of 7%, and the countercurrent flow configuration exhibited the highest total effectiveness (i.e., 0.788) at the smallest air and solution channel heights. Simultaneously, we developed an absorptive dehumidification unit module that employs commercially available flat sheet polytetrafluoroethylene/polypropylene composite membranes, and its viability and superiority were determined by evaluating the performance of the proposed module, considering an aqueous solution containing 35 wt% lithium chloride. To this end, experimental tests were conducted with respect to key operating parameters. It was found that the performance of the dehumidification module was significantly affected by all operating variables except the solution superficial velocity. The moisture permeate flux achieved with a humid air related parameter increased linearly with increasing transmembrane water vapor pressure (i.e., the driving force): at humid air temperatures, in particular, it varied from 1164 to 3188 gw/m2h. Based on the numerical analysis results and the experimental performance evaluation of the unit dehumidification module, a multi-channel dehumidification module was developed. And the predicted results showed good agreement with a maximum relative error of 15%. This study under various operating conditions exhibited that the performance of the module under all operating conditions except the solution temperature was measured to have an outlet absolute humidity of approximately 10 gw/kga. In the dehumidification process, a liquid desiccant is diluted by the absorbed moisture, and a low-concentration liquid desiccant decreases the dehumidification performance. Accordingly, regeneration of the liquid desiccant is essential for the continuity of the system, and the methods of liquid desiccant regeneration are as follows. The generally used method for regenerating a liquid desiccant is heating the liquid desiccant up to 90℃ and contacting directly with air. The high vapor pressure of the high-temperature liquid desiccant is used as the driving force. However, owing to its corrosiveness, the durability of the equipment can be compromised. Therefore, several studies have been conducted, and methods such as reverse osmosis and electro-dialysis have been proposed; however, they have a disadvantage of a high electricity consumption. Therefore, in this dissertation, a thermally driven regeneration process employing direct contact membrane distillation (DCMD) is proposed. This process is driven by the difference in the vapor pressures at the feed (liquid desiccant) and permeate (water) sides when using a liquid desiccant at 40‒80 ℃ and water at 25 ℃. Similar to the membrane-based dehumidification process, here the membrane completely separates the liquid desiccant and water, and only heat and water vapor are transferred through the membrane. The membrane-based liquid desiccant regeneration process was examined by experiments and numerical analysis under different spacer and operating conditions (feed temperature and both flow rate). The model prediction results showed that in the case of the module including a spacer, the coefficient of determination was 0.990, and in the case of an empty channel, the maximum relative error was 27%. A permeate flux of 35.05 kg/m2h was achieved at a supply temperature of 80 ℃ and a flow rate of 1.4 LPM on both sides in a spacer-filled channel. The spacer improves the heat and mass transfer across the membrane, significantly increasing the permeate flow rate by 50% or more. In the case of the module including a spacer, it was shown that regeneration is possible with a permeate flux from 1.9 to 4.3 kg/m2h at a feed temperature of 50 °C. Research on an indirect evaporative cooler was conducted for additional cooling of dry air after the dehumidification process. Indirect evaporative coolers only lower the air temperature without increasing the humidity on the supply side. The process air passes through a heat exchanger to lower the temperature, and some of the lowered cold air is extracted and passes through a humid channel containing water. Moreover, the working air lowered by the latent heat of water evaporation exchanges heat with the process air to lower the temperature. In this dissertation, to minimize the installation area, an indirect evaporative cooler (IEC) based on a shell-and-tube heat exchanger is proposed. A numerical analysis model was developed for flat-plate type and shell-and-tube type IECs. Experimental results of flat-plate type and shell-and-tube type IECs showed maximum relative errors of approximately 7.6% and approximately 5.3%, respectively. An experimental study was conducted based on the change in the return ratio, and it was shown that when the return ratio is 30%, additional cooling of approximately 7 ℃ is possible. Experimental and theoretical studies were conducted on each membrane-based dehumidification process using a liquid desiccant and an IEC process for air conditioning. In the dehumidification process, hot and humid air is sufficiently dehumidified and partially cooled, and the produced dry air can be additionally cooled using an IEC. In addition, the dilute liquid desiccant from the dehumidification process can be re-concentrated by the developed DCMD-based regeneration process. Therefore, it is inferred that development of integrated air conditioning system technology is possible by redesigning the module size (i.e., effective membrane areas of the dehumidification and regeneration processes) and optimizing the shape (i.e., diameter and length of the tube) and operating conditions (i.e., return ratio and flow rate) of the IEC. Research on integrated air conditioning systems is expected to contribute to the reduction in both energy consumption and carbon dioxide emissions by applying them to the air conditioning systems of buildings with a high energy demand.