에어컨용 유전집진필터의 집진 성능

박석주, 임정환, 김상도, 최호경, 박현설, 박영옥

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터

Filtration Performance of a Dielectric Electrostatic Precipitating Filter

for Air Conditioners

Seok Joo Park, Jeong Hwan Lim, Sang Do Kim,

Ho Kyung Choi, Hyun Seol Park, and Young Ok Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서론

실내공간에 존재하는 먼지입자를 제거하는데 적용되는 대표적인 방법들로는 섬유상 필터를 이용한 먼지입자 여과 기술과 전기집진기를 이용한 여과 기술이 있다. 섬유상 필터를 이용한 여과 기술은 입자의 관성충돌(inertial impaction), 차단(interception) 및 확산(diffusion) 메카니즘을 이용한 기술로써, 입자포집 효율이 아주 우수한 반면 압력손실이 큰 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 개발된 필터로써 정전부착(electrostatic deposition) 메카니즘을 이용한 정전여과필터(electret filter)라고 것이 있는데, 이것은 섬유 자체에 정전 하전을 주입시킨 특수한 필터이다. 무하전입자는 쌍극효과에 의한 유전력으로 필터섬유표면에 부착이 되고, 하전입자는 쿨롱인력에 의하여 필터에 포집된다. 정전여과필터는 다른 여과필터에 비하여 낮은 압력손실로 높은 포집효율을 얻는 것이 가능하지만, 고온 다습한 조건에서는 포집성능이 저감되는 단점이 있다. 일반적으로 여과필터는 재사용이 불가능하기 때문에 주기적으로 교체를 해주어야 한다.

전기집진 원리는 공기 중에 분리된 양극 사이에 고전압을 인가하므로써 발생되는 코로나방전으로부터 생성된 이온들에 의하여 먼지입자들이 하전된 후, 전기장이 인가되어 있는 하단의 집진판 표면에 하전입자들이 쿨롱인력에 의하여 부착되어 제거되는 방식이다. 전기집진 기술은 압력손실이 낮은 장점은 있으나, 미세입자(2.5□ 이하)의 집진효율이 낮은 단점을 가지고 있다. 현재 주거 환경의 오염이 심각해짐에 따라 일반 가정에서 사용되고 있는 에어컨에도 공기정화 기능이 부여되고 있는 추세이다. 기존의 개발된 여과필터는 압력손실이 크고 주기적 교환의 요구조건 때문에 가정용 에어컨에 적용하는데 기술적 경제적 한계가 있으며, 전기집진 기술 또한 호흡기질환을 가져오는 미세먼지 입자의 제거효율이 낮고 처리 유량에 증가에 따른 집진성능의 과도한 저하 때문에 가정용 에어컨에 사용하기가 부적합하다.

본 연구에서 가정용 에어컨에 직접 설치가 가능한 필터로써, 압력손실이 아주 낮은 폴리우레탄 섬유로 만들어진 유전필터(dielectric filter)와 전기집진기를 조합한 2.5□ 이하의 미세먼지 입자를 제거할 수 있는 카트리지형 유전집진필터(dielectric electrostatic precipitating filter)를 개발하고자 한다.

실험 장치 및 방법

그림 1은 유전집진필터의 성능 실험을 위한 장치 계통도이다. 실험장치의 몸체는 아크릴로 만들어졌다. 입자발생기로부터 유출된 입자들과 공기는 입자확산기를 통하여 건조된 후 실험 장치 내로 유입된다. 유입된 입자들이 장치 내부에서 넓은 영역으로 확산되게 하기 위하여 입구 바로 다음에 확산기(diffuser)를 만들었다. 장치 내부로 넓게 확산되어 중력방향에 반대방향으로 부유 방식으로 상승 이동하는 입자들은 방전와이어를 지나고 메쉬 스크린에 도달한다. 방전와이어와 메쉬 스크린 사이에 고전압을 인가하면 코로나 방전이 발생되어 입자들이 하전되고, 일부 입자들은 전기장에 의한 쿨롱힘에 의하여 메쉬 스크린 상에 부착되기도 한다. 메쉬 스크린을 통과한 입자들은 전기장에 의하여 분극된 유전필터에 부착 포집되고 그렇지 못한 입자들은 실험장치를 빠져나가게 된다.

그림 . 유전집진필터 성능 실험장치

메쉬 스크린은 1 inch 내의 눈의 수를 기준으로 하여 12, 24, 35, 50, 100 메쉬(M/S)의 메쉬 스크린을 사용하였다. M/S 수가 클수록 스크린 눈의 크기가 작은 것을 의미한다. 메쉬 스크린 주위는 날카로운 와이어 끝단으로 되어 있기 때문에 방전극에 고전압이 인가될 경우 스파크를 발생시키는 요인이 되기 때문에 절연테이프를 붙여서 끝단을 처리하였다. 1 inch내의 공극의 숫자에 따라 구분되는 20, 25, 40, 45, 60 PPI (pore number per inch)의 유전필터를 실험에 사용하였다. PPI 수가 작을수록 공극의 크기가 큰 엉성한 필터를 의미한다.

실험 결과 및 고찰

그림 2는 같은 프레임 공간에 등간격으로 다른 방전와이어 수가 설치되어 방전와이어 수와 간격이 다른 경우의 총 와이어 단위길이당 코로나전류 크기의 변화를 보여준다. 인가전압이 6 kV일 때 코로나 방전이 일어나기 시작하였다. 등 간격내 방전와이어 수가 작을수록 또는 와이어간 간격이 클수록 단위 총와이어 길이당 방전전류의 크기가 높은 것을 알 수 있다. 그림 3은 와이어 간격이 15 mm이고 M/S 수를 일정한 상태에서 공극 수밀도(PPI)가 다른유전필터를 설치하였을 때의 방전특성을 비교한 것이다. 25 PPI의 유전필터의 경우가 전반적으로 방전 성능이 좋은 것으로 평가되었으며, 20, 60 PPI의 유전필터가 좋지 못한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 일정한 PPI의 유전필터를 설치해 둔 상태에서 M/S 수를 변화시켰을 때의 방전 특성을 실험한 결과, 전반적으로 24 M/S인 경우 방전특성이 가장 낮았으며, 35, 50 M/S인 경우 양호한 것으로 판명되었다. 그림 4는 유량이 증가함에 따라 집진효율이 감소하는 것을 보여준다. 이는 유량이 증가하여 방전 영역에서의 입자의 체류시간이 감소하여 입자의 하전량이 감소하고, 필터 표면에의 입자부착이 가능한 체류시간이 줄어들기 때문이다. 그림 5은 방전전압이 증가함에 따라 입자들의 하전량이 증가하여 집진효율이 증가하는 것을 보여준다. 인가전압이 7 kV인 경우는 코로나 전류가 0이기 때문에 집진효율이 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 그러나 1 □ 이하의 입자들의 집진효율이 20 % 이상이 되는 것은 입자들이 자체적으로 보유하고 있는 정전량 때문에 전기장 만 형성되면 쿨롱힘에 의하여 입자들이 부착 제거되기 때문이다.

그림 2. 방전극 간격과 수에 따른 방전

특성 변화

그림 . 공극 수밀도(PPI)에 따른 방전

특성 변화

그림 4. 유량에 따른 집진효율 특성

변화

그림 5. 인가전압에 따른 집진효율

특성 변화

그림 6. 방전극 수에 따른 집진효율

특성 변화

그림 7. M/S 수에 따른 집진효율

특성 변화

그림 8. 공극 수밀도(PPI)에 따른 집진

효율 특성 변화

그림 6은 방전와이어 수에 따른 집진특성을 보여준다. 방전와이어가 작을수록 그림 29에서 설명되었던 바와 같이 방전특성이 좋아지기 때문에 방전와이어 수가 4개 일 때 즉 방전극 간격이 가장 넓을 때 집진효율이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 그러나 방전와이어 수가 5, 6 개인 경우는 집진효율에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 그림 7은 M/S 수에 따른 집진효율의 변화를 보여주는데, M/S 수의 변화에 따른 일정한 규칙성이 없는 집진효율의 결과를 나타내고 있다. 24 M/S일 때 집진효율이 가장 높고, 50 M/S일 때 가장 낮다. 그림 8은 유전필터의 공극 수밀도가 증가할수록 즉, 공극의 크기가 작을수록 집진효율이 증가하는 것을 보여준다. 공극 크기가 작을수록 필터가 조밀하기 때문에 입자의 부착면적이 증가하여 집진효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

참고문헌

1.	Nelson, G. O., Bergman, W., Miller, H. H., Taylor, R. D., Richards, C. P. and Biermann, A. H. : Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 39, 472 (1978).

2.	안강호, 배귀남 : 공기조화. 냉동공학 논문집, 6, 417 (1994)

3.	Lee, K. W. and Liu, B. Y. H. : Aerosol Sci. Technol., 1, 35 (1982).