Journal Archive

본 연구에서 사용된 중공사막 모듈에 대한 자세한 사양은 Fig. 3에 나타내었다. 중공사막 모듈에는 총 4개의 유체 출입구가 있으며, 수분에 대한 친수성을 갖는 폴리이서설폰(Polyethersulfone) 고분자가 사용되었다. 공사막 모듈에 대하여 근사모델을 Fig. 4와 같이 모델링하였다. 본 논문에서는 Fig. 4에 나타낸 중공사막 모듈의 입구와 출구로 Inlet과 Outlet 1을 사용하였으며, Outlet 2는 건조과정에서 진공펌프를 연결하기 위한 연결부로 사용되었다. 모델링은 상용 소프트웨어인 Solidworks 2015를 사용하였다.

Fig. 3 
Schematic of hollow fiber membrane module

Fig. 4 
Approximation model of hollow fiber membrane module

유동해석과정에서 경계조건을 설정하기 전에 중공사막 모듈에 대하여 격자를 형성하였으며, 다공성 처리를 위해 Smoothing 조건을 적용하였다. 격자 형성에 대한 그림은 Fig. 5에 나타내었으며, 적용된 격자수는 Table 3에 나타내었다. 중공사막 모듈의 주요부품의 형상이 다양하기 때문에 다양한 격자 형태를 사용하여 격자를 생성하였다.

Fig. 5 
Mesh of hollow fiber membrane module

중공사막 모듈에 대한 유동해석을 수행하기 위하여 상용 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 사용하였으며, 해석에 사용된 정보는 Table 4와 같다. 앞의 3.1절에서 모델링 된 중공사막 모듈의 근사모델에 대한 유동해석이 이루어졌다. 중공사막 모듈에 두 가지 유체인 공기와 수증기가 통과할 때의 상대습도와 중공사막 모듈의 주요 부품인 중공사막에서의 수증기의 조성을 확인하기 위하여 Species 모델을 선택하여 사용하였다. 또한 실험과 동일한 조건으로 유동해석을 수행하였으며, 근사모델의 다공성도(0.1~0.9)를 다양하게 조절하여 유동특성 확인하고자 하였다.^6-7)

중공사막 모듈에 대한 제습실험결과는 4.2절의 유동해석 결과와 비교하기 위하여 30℃에서 30%의 상대습도를 갖는 초기조건을 동일하게 적용하였으며, 실험결과는 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6은 중공사막을 통하여 제습되는 상태를 측정하는 것으로, 중공사막 전후에 설치되어 있는 습도센서를 이용하여 중공사막의 성능을 예측하고자 하였다. Fig. 6에서 0~200 s까지는 입구와 출구에서 상대습도가 급격히 증가하다가 200 s 이후에는 서서히 일정한 상대습도 차이를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 0~200 s에서 입·출구의 차이가 전 구간 중에 가장 크게 나타나는 구간으로 출구부에서도 상대습도가 증가함과 동시에 약 50 s 동안 유지하는 것으로 보아 중공사막의 기공에 일부 수분이 흡착되는 구간으로 볼 수 있다.

Fig. 6 
Experimental results of dehumidification characteristics between inlet and outlet port of hollow fiber membrane module (Temperature: 30℃, Relative Humidity: 30%RH)

중공사막 모듈의 제습실험결과는 온도별로 나누어 Fig. 7에 나타내었다. 이 실험결과는 중공사막 모듈의 입구와 출구의 상대습도 차이를 계산하여 실험시간에 따라 나타낸 것이다. 중공사막 모듈의 제습실험 결과 20℃와 30℃에서는 입구와 출구에서의 상대습도 차이가 급격히 증가한 후 감소하여 일정한 값을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 입구에서 유입되는 상대습도가 클수록 출구와의 상대습도 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다. 40℃ 조건에서의 실험결과에 나타낸 것과 같이 어느 일정수치를 초과하게 되면 중공사막 모듈의 수분 분리 용량의 초과로 인해 수분 분리 능력이 감소할 수 있으며, 낮은 온도와는 달리 40℃에서는 같은 상대습도라 하더라도 포화할 수 있는 수분의 양이 늘어나기 때문이다. 따라서 상대습도 50%부터는 시간이 지남에 따라 제습효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 토대로 본 논문에서 사용된 중공사막의 시간에 따른 제습효과에 대한 용량을 예측할 수 있다.

Fig. 7 
Results of dehumidification performance (Temperature: 30℃, Relative Humidity: 30%RH, Porosity: 0.5)

Fig. 8은 중공사막 입구 습공기의 온도가 30℃ 조건에서 제습특성실험을 한 후에 중공사에 남아 있는 수분량을 측정한 결과를 보이는 것이다. 이결과는 중공사의 수분 흡착량을 예측할 수 있는 것으로, 입구 습공기의 온도가 30℃일 때의 한예를 기록한 것이다. 중공사막 모듈에 대한 면적단위 수분잔류 무게에 대한 결과 유입되는 습공기의 상대습도가 높을수록 높은 수분잔류 특성을 갖는 것으로 확인되었다.

Fig. 8 
Results of adsorption weight(Temperature: 30℃, Porosity: 0.5)

중공사막 유동해석에 대한 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 압력분포와 온도 및 속도분포에 대한 결과로 압력은 출구부로 갈수록 중공사막 기공에 의해 압력부하로 압력이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 속도분포 또한 입구와 출구의 내경이 좁은 구간에서는 높은 속도를 보이고 중공사막 모듈 내부의 주요부품인 중공사막을 통과할 때는 속도가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9 
Results of flow analysis

제습실험결과와 동일하게 30℃에서의 30%RH의 조건에서 시간에 따른 입구와 출구의 상대습도를 Fig. 10의 a)에 나타내었다. Fig. 6의 실험결과에서는 실험장치의 관로 영향으로 인하여 입구에서 약 35%의 상대습도가 나타났으나 해석에서는 30%의 상대습도를 고정으로 하여 해석을 수행하였다. 실험과 해석의 오차는 약 2]를 보이는데, 해석에 사용된 중공사는 실제모델에 비해 작은 수를 사용했기 때문이다.

Fig. 10 
Results of CFD about performance of dehumidification

또한 온도별 입구와 출구의 상대습도 차이를 계산하여 Fig. 10의 b), c), d)에 그래프로 나타내었다. Fig. 7의 실험결과와 비교하면 온도가 높아짐에 따라 중공사막 모듈의 입구와 출구의 상대습도 차이가 커져서 효율이 증가하는 것처럼 볼 수 있으나 중공사막 모듈의 최대제습성능은 고정적이기 때문에 각 조건에 따라 출구로 유출되는 건조공기의 수분조성 변화만을 확인할 수 있다. Fig. 10의 실험결과는 Fig. 6에서 나타낸 입구의 습도 결과와 마찬가지로 상대습도 30%로 설정된 습공기가 중공사막 모듈의 입구와 연결된 지그에 일부 정체됨에 따라 상온의 온도 조건을 가지는 중공사막 모듈의 출구와 연결된 지그보다 빠르게 습도가 증가하여 입구와 출구의 상대습도 차이가 커지는 것으로 볼 수 있다. 해석과정에서는 중공사막 모듈의 입구와 출구부 표면을 계산하여 나타낸 것이기 때문에 실험과정에서도 지그의 영향이 없을 경우 해석결과와 동일하게 온도가 증가함에 따라 입구와 출구의 상대습도 차이가 평균적으로 감소할 것으로 보인다.

Fig. 11은 습공기가 중공사막 모듈의 주요 부품인 중공사막의 기공을 통해 흐르고, 실험시간과 동일하게 해석을 수행하였을 때 수분의 잔류 결과를 나타낸 것으로 온도 30℃에서 입구에 유입되는 공기의 상대습도는 30%부터 70%까지 해석을 수행한 결과이다. 해석결과, 유입되는 공기의 상대습도가 가장 낮은 30%에서는 실험종료 시간과 동일한 지점에서 중공사막 내에 약 15%의 상대습도를 갖는 수분의 양이 잔류하고 있는 것으로 보이며, 가장 높은 유입공기의 상대습도인 70%에서는 27%의 상대습도를 갖는 수분의 양이 잔류하고 있다. 따라서 수분의 잔류량은 유입공기의 상대습도가 증가함에 따라 비례적으로 증가하며, 초기의 0~50 s 구간에서는 많은 수증기를 기공에 의해 흡착된 후 유입되는 공기의 압력으로 인해 서서히 출구로 빠져나가 일정하게 유지되는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 11 
Results of CFD about performance of dehumidification in hollow fiber membrane (Temperature: 30℃)

중공사막 내부의 상대습도를 Fig. 11에 입구온도 30℃를 기준으로 습도가 커짐에 따라서 중공사막이 흡착양이 증가하고 있다.

Fig. 12에서는 30℃의 30%RH 조건일 때의 다공성도에 따른 중공사막의 상대습도를 나타낸 그래프이다. 다공성도가 커짐에 따라 0~30 s 구간에서의 상대습도가 증가하는 것처럼 보이나, 200 s 구간부터는 거의 모든 다공성도에서 유사한 상대습도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 중공사막의 수분흡착 특성은 다공성도의 영향보다 입구 습공기의 상대습도에 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다. 또한 중공사막 모듈은 재료적인 특성인 기공률뿐만 아니라 내부의 주요부품인 배플의 영향도 배제할 수 없기 때문에 향후에는 모듈의 형태를 개선하여 배플의 형태와 유무 등에 대한 영향도 분석이 필요하다.

Fig. 12 
Results of CFD about performance of dehumidification in hollow fiber membrane (Temperature: 30℃, Porosity: 0.1~0.9)