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[Study] 2. 공기조화설비 배경지식 (for HVAC &공기청정기)Mechanical Design 2020. 8. 23. 19:32반응형
2020.08.23 Mechanical Design Story
-2- Significance of Indoor Particulate Matters and Review of Analysis Principle of Fine Dust
(Especially, for the next post - Air purifier)
대학생 시절에 나는 기계공학을 전공하며 배운 기초역학을, 내가 어느 수준까지 응용할 수 있을지 줄곧 궁금해 했었다.
때마침 생체모방 (Biomimicry)과 중국발 미세먼지로 인해 악화된 대기상태에 관심이 생겼고 필터의 구조를 변형함으로써 공기 상태를 개선해보려 했다.
프로젝트와 공기정청기에 관해 이야기를 나누기 전, 공기청정 기술에 관한 배경지식을 이야기해보려 한다.
지난 포스팅 주제였던 Spatial Tessellation은 미세먼지와 안개의 화학반응으로 생성되는 에어로졸을 제거하기 위해 다공성 구조물의 넓은 표면적에 결로현상을 적용한 포집기를 제작할 때 사용한 이론이었다.
이 작품으로 전국학생설계 경진대회에도 참가했었다.
1. 공기조화설비에서의 공기청정 기술
일반적으로 공기조화(공조)의 목적은 인간의 생활환경을 쾌적하게 하고 작업능률을 향상시키기 위함과 실내에 있어서 생산 또는 격납되는 물품에 지장이 없도록 하기 위하여 인공적으로 실내공기의 온도, 습도, 기류, 청정도 등을 적정 범위 내에서 유지하는 것이다.
(출처 : 임태빈 (삼성건설㈜ ROCA T/F),공기조화설비에서의 공기청정 기술,空氣淸淨技術 = Air cleaning technology,1994년, pp.29 - 41)
2. 실내 공기오염의 현황
대기 중의 미세먼지(Particular Matter) < (10㎛ in aerodynamic diameter)나 초미세먼지(PM<2.5㎛)는 최근 우리나라 국민들의 초미의 관심사 중의 하나다.
사람들이 하루 중 90% 이상 시간을 보내는 실내의 경우에, 공기오염 물질의 발생원으로는 인체 및 사람의 활동, 건축자재, 유지관리작업, 살충제류 등이 있으며 이들로부터 발생되는 오염물질은 다음과 같다.
종류 설명 종류 설명 이산화탄소(CO2) 일반적으로 실내공기의 환기상태를
평가하는 지표석면
(아스베스토스)고아물섬유로서 단열제로 사용되는 석면에서 석면 섬유형태의 미세한 가루로 방출 일산화탄소(CO) 연료가 불완전 연소됨으로써 발생
(가정의 취사, 난방 등)라돈 - 토양, 시멘트 등의 건축자재, 우물, 동굴 등에서 방출
- 낭핵종으로 붕괴되어 인체에 흡입되어 암 발생율을 높임이산화질소(NO2) 취사, 난방용 기구사용, 흡연, 실내 건축자재 및 외부유입 오염물질 등으로 발생 포름알데히드 -건축자재와 섬유옷감에서 발생
-단기간 노출되었을 때 기침, 설사, 구토 피부질환 등 유발아황산가스(SO3) LPG나 도시가스의 연소에 의해 발생 미생물 알레르기성 질환, 호흡기질환 유발 부유분진 기관지, 폐 등에 흡착하여 염증성, 알레르기성 변화 진폐증 유발 냄새(악취) 인체 또는 각종기기 사용과 같은 인위적 활동에 기인 또한, 대기 중의 PM_10이나 PM_2.5는 여러 가지 오염원에 의해 생성되는데 일차 먼지와 이차 먼지로 크게 구분된다.
이차 먼지는 대기 중에 있는 ‘가스’상의 오염물이 광화학반응을 거쳐 ‘먼지’로 변화되는 과정을 거쳐 생성된 먼지를 말한다. (대기 중 미세먼지는 고체일수도, 액체일수도, 여러 상태가 혼합된 glassy상태일 수도 있다.)
공기조화를 위한 공기청정을 계획하기 위해서 오염물질의 종류와 현상, 공기청정의 장소와 요구도, 공기청정의 유지관리를 충분히 검토해야한다.
실내환경 기준
건물에서의 오염물질은 외부로부터 침입하는 것과 내부에서 발생하는 것으로 구분할 수 있으며 오염 물질로는 주로 부유미립자, 유해가스, 부유미생물의 3종류로 대별할 수 있다.
3. 실내에서 이차 유기먼지(Secondary Organic Aerosols)의 생성
대기 중에서는 이차 유기먼지가 생성되는데 이런 이차 먼지는 주로 PM_2.5를 구성한다.
그러면 실내에서도 대기에서처럼 이차 유기먼지가 생성될 수 있을지 생각해보자.
이차 유기먼지가 생성되기 위해서는 Critical Nuclei가 반드시 먼저 생성되어야 한다. 또한 Critical Nuclei가 생성되기 위해서는 3 가지 요인이 먼저 갖추어져야 한다.
전조물질(precursor), 산화제(oxidant), 그리고 에너지(energy)
실내에 존재하는 많은 종류의 휘발성 유기물 (volatile organic compound, VOC)은 이런 화학반응의 전조물질이 된다.
전조물질과 산화제가 만나 에너지를 얻으면 극성이 있는 분자(polar molecule)인 critical nuclei가 형성되는데, 일단 형성되고 나면 critical nuclei를 중심으로 응축(condensation)과 응집(agglomeration)은 거의 자동적으로 일어나며 이러한 과정을 거쳐 실내의 가스상태 오염물은 주로 UFP나 PM2.5로 변환되게 된다.
미세먼지는 다른 가스상 오염물질과 달리 입자의 크기에 따라 중력의 영향을 받는다.
이에 따라 입자들의 거동이 서로 다르게 나타난다.
3-1 Multi-phase Model
(1) 오릴러리안 모델 (The Eulerian Method)
오일러리안 모델은 입자가 유동장 내에서 움직이는 경우 각각의 입자가 움직일 때의 변화를 계산하기 보다는 유동장의 흐름을 분석하는 방법이다.
(오일러 좌표계 – 공간좌표계라고도 불리며 물체보다는 위치를 중시하는 좌표계이다. 물체 하나하나를 따라가는 것이 아닌 특정 위치에서의 물성을 파악하는 것에 초점을 둔다.)
입자의 직경이 0.01 ㎛ 이상인 경우 브라운 확산은 무시할 수 있다.
유체와 입자 상 사이의 상대운동이 중요한 경우 입자방정식의 [입자의 발생률]을 사용하여 보정한다. 농도 방정식이 유체 방정식의 일반 형태와 일치하기 때문에 동일한 수치 해석 방법을 사용하여 동시에 계산이 가능하다.
오일러리안 모델은 해석이 상대적으로 쉽고 해석 시간이 빠르다.
그러나 입자 크기에 대한 분류가 어렵다는 단점이 있다.
(2) 라그란지안 모델 (The Lagrangian Method)
라그란지안 방법은 유동장 내 움직이는 각각의 입자에 대해 유동 해석을 하는 방법이다.
(라그란지안 좌표계 – 물체를 따라가면서 기술하는 좌표계. 초기 위치를 좌표로 사용해서 시간이 지남에 따라 각각의 물체를 따라가면서 맵핑(mapping)함수 f를 이용하여 표기한다.)
출처 https://sdolnote.tistory.com/entry/LagrangianEulerian
전체 유동장을 오일러리안 좌표계 기준으로 지배방정식을 계산한 후 개별 유체 입자에 대해 시간의 함수로 속도를 계산한다.
입자를 따라서 좌표계를 설정하고 입자가 흐르는 방향과 속도를 분석한다. 그 결과 각각의 입자에 대해 위치, 속도, 온도 등을 포함한 상세한 정보를 얻을 수 있다.
또한 입자 좌표계 해석에 따라 표면에 가해지는 힘, 입자 사이의 충돌, 입자 직경 분포, 입자와 유체 간의 열교환, 입자의 난류 영향 등에 대한 해석이 자연스럽게 같이 이루어지게 된다.
라그란지안 모델에서 입자의 운동방정식은 상기 식과 같다.
, 는 각각 입자와 공기의 밀도이며 F항은 입자에 적용되는 다른 힘을 나타내는 것으로 주로 양력을 나타낸다.
오일러리안 방식과 비교하기 위해서 유동장 내에 셀 안의 농도를 계산해야 한다.
셀 안의 농도는 라그란지안 궤적의 정보를 농도 분포로 치환해야 한다.
셀 하나의 입자 농도는 상기 식을 통해 계산할 수 있다.
라그란지안 모델에서는 각 타임스텝에 각각의 격자 궤적을 산출한다.
생성된 궤적도의 총 수는 상기 식을 통해서 계산하며 각 셀의 입자 농도는 타임스텝 별 셀을 지나 가는 궤적의 수를 합산하여 계산하게 된다.
(보다 자세한 과정은 추후 공부를 통해 보강하기로 하겠다.)
4. 공기정화 장치의 종류
1) 분진용 공기정화 장치
분진용 공기정화장치의 성능을 결정하는 것은 필터라고 해도 과언이 아니다. 필터의 성능은 일반적으로 조진용 필터부터 초고성능 필터까지의 대상분진과 포집효율에 따라 분류할 수 있다.
(1) 조진용필터
입경 5.0㎛이상의 분진이 포집대상이며 가정용 룸쿨러, F.C.U(팬코일유닛), P.A.C(패키지에어콘) 등의 기기보호용 필터로서 일반 빌딩용 및 산업공조용 전치필터(Pre-Filter)로서 반드시 필요한 필터이다.
(2) 중성능필터
입경 1.0㎛이상의 분진이 포집대상이다. 기기보호용 및 일반 빌딩용으로서 어느 정도 청정도를 필요하는 경우 또는 초고성능필터의 전체필터로 사용된다.
(3) 고성능필터
입경 0.1 ~ 1.0㎛ 범위의 분진포집을 대상으로 하며 담배 연기등을 제거할 목적으로 사용된다. 실내환경기준이 제정된 후 일반빌딩용의 최종필터 또는 클린룸의 전치필터로서 사용된다.
(4) 초고성능필터
입경 0.3㎛이하의 미세분진이 포집대상이며 VLSI, ULSI생산공장, 시계 및 사진기의 조립공정 등 공업용클린룸 또는 병원 수술실 클린룸 최종필터로 사용되며 일반적으로 HEPA, ULPA필터가 초고성능필터에 해당된다.
(5) 정전식 공기정화장치
입경 1.0㎛이하의 분진이 제거대상이며 특히, 일반섬유필터에서는 제거가 어렵다는 입경 0.2㎛ 범위와 그 이하의 초미립자를 포집할 수 있다.
5. 에어필터의 시험방법과 규격
필터의 시험방법으로는 중량법(질량법), 비색법(변색도법) 및 개수법(계수법) 등 3종류로 대별된다.
ps. 프로젝트를 진행했을 당시, 필터 성능비교를 위한 풍동실험을 진행했으며 이때 사용했던 시험방법은 중량법입니다.
(엄밀히 말하면 실험 schematic만 가져왔습니다.)
특히, 중량법(질량법)은 AFI(Air Filter Institute), ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers, Inc.) 등에서 규격화된 것이 일반적으로 사용되고 있다. 이 시험법은 시험용분진을 사용하여 공시필터의 상류측과 하류측에 있어서 분진중량을 측정하여 분진의 포집률을 결정하는 방법이다.
시료채취기를 사용하여 대기 중 미세먼지 시료를 채취하고, 채취 전과 후에 필터의 무게 차이를 질량 농도로 게산하는 방법을 사용한다. 채취된 시료는 이후에 물리적, 화학적 분석이 가능하다는 장점이 있다.
이번 시간에는 대기질을 악화시키는 미세먼지의 특징과 유동특성을 분석하기 위한 입자방정식 및 필터 측정방식에 관해 알아보았다. 이는 다음 포스팅 주제인 공기청정기와 대학시절 진행했던 FDM 3D 프린팅 다공성 구조물을 이용한 안개 속 미세먼지 포집장치에 관해 말하기 전 배경지식이다.
6. References
1. 임태빈 (삼성건설㈜ ROCA T/F),공기조화설비에서의 공기청정 기술,空氣淸淨技術 = Air cleaning technology,1994년, pp.29 - 41
2. 박주형. 실내 공기 중의 먼지. 공업화학전망, 2018, 21.2: 1-8.
3. KIM, T. Y.; KIM, H. G. Analysis of Particle Matters by Using CFD Method in Indoor Environment. Prospectives of Industrial Chemistry , 2018, 21.2: 9-15.
4. CHOI, S. I.; AN, J.; JO, Y. M. Review of analysis principle of fine dust. Korean Industrial Chemistry News , 2018, 21.2: 16-23.
5. 2016 ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, Air Cleaners for Particulate Contaminants
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