1단하전-유전 하이브리드필터 개발

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

박석주, 박영옥, 신인균, 정하욱

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터, 고산기업 주식회사

Development of a Hybrid Filter Combining a Dielectric Filter with a 1-stage ESP

Seok Joo Park, Young Ok, ParkIn Kyun Shin, Ha Uk Jung

Korea Institute of Energy Research, Kohsan Co., LTD.

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 폴리우레탄으로 만들어진 유전필터(dielectric filter)와 전기집진기를 조합한 미세먼지 입자를 제거할 수 있는 하이브리드필터(hybrid filter)를 개발하고자 한다.

실험 장치 및 방법

그림 1과 그림 2는 하이브리드필터의 성능 실험을 위한 장치 사진과 계통도이다. 시험 룸은 아크릴로 만들어졌다. 스모크발생기로부터 유출된 스모크입자들은 시험 룸 내부에 확산 분포된다. 시험 룸 내부의 스모크입자 농도가 어느 수준에 도달하면 스모크발생기의 작동을 정지시킨다. 에어컨을 작동시키면 부유 입자들은 에어컨 하부 유입구로 유입되면서 방전와이어를 지나고 타공판에 도달한다. 방전와이어와 타공판 사이에 고전압을 인가하면 코로나 방전이 발생되어 입자들이 하전되고, 일부 입자들은 전기장에 의한 쿨롱힘에 의하여 타공판 상에 부착되기도 한다. 타공판을 통과한 입자들은 전기장에 의하여 분극된 유전필터에 유정영동(dielectrophoresis)현상에 의하여 부착 포집되고 그렇지 못한 입자들은 필터를 빠져나가게 된다.

밀폐된 시험 룸 내부의 스모크입자의 농도를 실시간으로 측정하기 위하여 채집프로브(sampling probe)로 일정량의 시험 룸 내부 공기를 채집하여 입자측정기로 측정하였다.

그림 1. 하이브리드필터 적용 에어컨 시험룸 사진.

그림 2. 하이브리드필터 적용 에어컨 시험룸 개통도.

실험 결과 및 고찰

그림 3은 에어컨에 적용한 필터 종류별 시험 룸 내부의 스모크입자 농도 변화를 보여준다. 먼저 시험필터로 기존 에어컨에 일반적으로 사용되는 망사형 pre-filter가 설치된 상태에서 시험 룸 내부의 스모크입자 농도가 1000 /cc일 때부터 실시간으로 측정한 결과로써, 시간이 경과함에 따라 시험 룸 내부 스모크입자 농도가 감소하고, 작동 유속모드가 높을수록 그 감소률은 높게 나타났다. 이는 부유되어 있던 스모크입자들이 pre-filter에 의하여 제거되기보다는 에어컨 내부를 지나면서 내부 벽이나 구조물들로의 확산부착에 의한 것으로 사료된다. 기존의 상용화되어 시판되고 있는 전기집진기 형상의 필터를 에어컨에 설치하여 실험한 결과, 시험 룸 내부의 스모크입자 농도는 빠른 속도로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 전기집진기 필터에서 입자들이 하전 집진되어 제거되기 때문이다. 그리고 개발된 하이브리드필터를 에어컨에 설치한 경우도 시험 룸 내부 스모크입자 농도가 빠르게 감소하는 것이 확인되었다. 기존 전기집진기 필터에 비하여 에어컨 내부에서 차지하는 체적이 적음에도 불구하고 입자제거효율이 높게 나타나는 이유는 1단하전 전기집진방식과 유전필터를 이용한 유전영동 집진방식이 조합됨에 따라 집진성능이 증가하기 때문이다.

필터 종류별 입자제거효율을 비교하기 위하여 시험 룸 내부의 입자농도를 일정하게 유지시킨 후 스모크발생기를 정지시키고 에어컨을 가동하여 10분이 경과된 후 초기 시험 룸 내부 입자농도에 대한 제거된 입자의 농도를 측정 분석하였다. 그림 4에 나타난 바와 같이 시험 룸 내부의 총입자량과 1 um의 입자농도를 비교한 결과, 기존 전기집진필터와 하이브리드필터에 5 kV의 방전전압이 인가된 경우가 비슷한 입자제거성능을 보였다. 방전전압이 5.5 kV로 증가될 경우, 입자제거효율은 더욱 향상되어 시험 룸 내부의 입자농도가 초기 입자농도의 1 % 수준으로 감소하는 것을 알 수 있었다.

그림 3. 에어컨 적용 필터 종류별 시험 룸 내부 스모크입자 농도 변화 비교

하이브리드필터의 최적설계를 위하여 타공판의 타공직경과 타공률을 변수로 하여 실험을 수행한 결과 그림 5에 나타난 바와 같다. 타공직경이 2.5 mm 이하인 경우는 타공률이 22.47 %이고, 4 mm 이상인 경우는 40.3 %이다. 타공률이 낮을 경우 하이브리드필터에 의하여 야기될 수 있는 압손부하로 인하여 에어컨 작동에 문제가 발생될 수 있으므로 타공률이 높게 설계되어야 한다. 그 결과, 그림 5에서 볼 수 있듯이, 타공직경이 4 mm와 10 mm가 적절한 것으로 사료된다.

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).

그림 4. 적용 필터 종류별 입자제거효율 비교

그림 5. 하이브리드필터의 타공판 타공직경에 따른 입자제거효율 비교