Process engineering experimental determination of heat and mass transfer coefficients in thermoformed PVC evaporative media

기술 요약: 열성형 PVC 증발 매체에서의 열 및 질량 전달 계수의 공정 공학적 실험적 결정

문제 제기
직접 증발 냉각(Direct Evaporative Cooling, DEC)은 에너지 효율이 높고 물을 작동 유체로 사용하기 때문에 널리 수용되는 기술이다. 그러나 DEC 시스템의 공학적 설계는 기존 문헌에서 확인된 몇 가지 결정적인 격차로 인해 어려움을 겪고 있다. 주요 문제 중 하나는 증발 냉각에서의 열 및 질량 전달 속도가 동일한 속도로 진행된다고 가정하여 루이스 인자($N_{Le}$)를 1로 간着하는 광범위한 가설이다. 선행 연구들은 이러한 가정이 실험 결과와 상당한 차이가 있음을 보여주었으며, 습도와 유동 조건에 따라 루이스 인자가 0.6에서 1.3 사이로 변한다는 것을 입증했다. 또한, 열성형 PVC 매체에 특화된 열 및 질량 전달 계수를 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 정확한 상관관계가 부족하며, 이러한 계수들을 공기 선속도와 연관 짓는 단순하면서도 정밀한 수학적 방정식이 부족한 실정이다. 본 논문은 이러한 계수들을 실험적으로 결정하고 신뢰할 수 있는 설계 방법론을 개발함으로써 이러한 격차를 해소하고자 한다.

방법론
본 연구는 4개의 흡입 팬과 최대 40cm 두께의 열성형 PVC 증발 매체를 수용할 수 있는 2개의 테스트 섹션을 갖춘 직접 증발 냉각 장치로 구성된 실험 설비를 사용하였다. 각각 248, 152, 120 $m^2/m^3$의 비표면적을 가진 세 가지 유형의 필름 충전재(Onda 12, 19, 27)가 활용되었다.

실험 캠페인은 다음과 같은 광범위한 운전 파라미터를 포함하였다:

• 공기 체적 유량: 4,000 ~ 16,000 $Nm^3/h$ (전면 공기 속도 0.79–3.16 $kg/m^2\cdot s$에 해당).
• 물 살수율: 2.39–9.58 $kg/m^2\cdot s$.
• 열적 조건: 입구 건구 온도는 35°C에서 43°C, 습구 온도는 17°C에서 25.5°C 범위.

측정에는 건구 및 습구 온도를 위한 E형 열전대, 공기 속도를 위한 핫와이어 열선 풍속계, 그리고 습도를 위한 온습도계가 사용되었다. 데이터는 매 분마다 자동으로 기록되었다. 실험 데이터는 동시 열 및 질량 수지 방정식을 기반으로 한 수학적 모델링을 통해 분석되었다. 본 연구는 실험 데이터와 이론적 모델 간의 상관관계를 규명하기 위해 통계적 회귀 분석을 활용하였으며, 특히 누셀트($Nu$) 수와 셔우드($Sh$) 수 사이의 관계를 조사하였다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 다음과 같은 구체적인 기술적 발견과 기여를 도출하였다:

1. 불균형한 전달 속도: 실험 데이터는 열 및 질량 전달 속도가 동일하지 않음($N_{Le} \neq 1$)을 확인하였다. 본 연구는 열 및 질량 전달 계수가 모두 전면 공기 속도 및 패드 모듈의 비표면적에 비례하고, 패드 모듈의 두께에는 반비례한다는 것을 입증하였다.
2. 새로운 무차원 수 ($N_{Sb}$): 루이스 인자가 1에서 벗어나는 현상을 설명하기 위해, 저자는 누셀트 수와 셔우드 수의 비($N_{Sb} = Nu/Sh$)로 정의되는 새로운 열 유체 역학 무차원 수인 샤반 수(Shaaban's number, $N_{Sb}$)를 도입하였다. 이 수는 대류 열 및 질량 전달을 각각의 전도(확산) 대응물과 연관시킨다.
3. 경험적 상관관계: 본 연구는 열($h_{ch}$) 및 질량($k_{cdm}$) 전달 계수를 공기 전면 속도($V_{ma}$)의 함수로서 $Coefficient \propto V_{ma}^{0.8}$의 관계를 따르는 정확한 수학적 표현식으로 도출하였다.
4. 설계 방정식: 냉각 효율($\varepsilon$)과 전달 단위 수(NTU) 사이의 보편적인 관계가 확립되었다. 본 논문은 NTU에 따른 효율을 예측하기 위해 로그 방정식과 6차 다항식 방정식을 모두 제공하며, 이는 기존 방법보다 더 신뢰할 수 있는 DEC 유닛 크기 결정 근거를 제공한다.
5. 파라미터 민감도:
   • 패드 두께: 두께가 증가하면 효율이 향상되지만, 0.4 m를 초과하면 그 이득이 비실용적이 된다.
   • 공기 속도: 낮은 전면 공기 속도는 더 높은 냉각 효율과 더 큰 온도 강하를 가져온다.
   • 온도: 높은 입구 건구 및 습구 온도는 일반적으로 더 높은 전달 계수를 유발하지만, 전체 효율에 미치는 영향은 속도에 따라 달라진다.

의의 및 주장
본 논문은 직접 증발 냉각기의 설계를 위한 "신뢰할 수 있는 공학적 방법론"을 제공한다고 주장한다. 루이스 인자가 1이라는 가설에서 벗어남으로써, 제안된 상관관계와 샤반 수($N_{Sb}$)의 도입은 공기-물 계면에서 발생하는 물리적 과정을 더욱 정확하게 나타낸다.

저자는 도출된 방정식들을 활용하면 체적 공기 유량과 매체의 비표면적을 모두 고려하여 DEC 유닛을 정밀하게 설계할 수 있다고 단언한다. 본 연구는 구현된 상관관계가 실험적으로 검증되었으며, 증발 냉각 공정 공학을 위한 견고한 토대를 제공한다고 결론짓는다. 또한, 1075 Rt 용량의 "그린 DEC 농장"과 같은 대규모 응용 분야에 이러한 최적화된 설계를 적용함으로써 에너지 소비를 크게 줄이고 CO2 배출량을 감소시킬 수 있다고 강조한다(석탄 발전소로부터 연간 22,800 메트릭 톤, 천연가스 발전소로부터 9,500 메트릭 톤 추정). 이 작업은 지구 온난화 완화에 기여함을 강조한다. 본 연구는 개발된 상관관계가 실험적으로 검증되었으며 증발 냉각의 공정 공학을 위한 탄탄한 기초를 제공함을 강조한다.