A Numerical Study for the Maximizing Water Vapor Flux and Thermal Efficiency in Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) Process

직접 접촉식 막증류 공정에서 담수 투과량 및 열효율 극대화를 위한 수치적 연구

A one-dimensional numerical model based on the energy and mass equations have been developed to predict the trans membrane water vapor flux and thermal efficiency under various operating conditions in Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) process. The model validation have been carried out by experimental data from literature and showed good agreement. The effect of operating parameters such as brine inlet temperature and velocity, and distillate inlet temperature and velocity to increase water vapor flux and thermal efficiency were predicted by the steady-state model. The results showed that the inlet temperature and velocity in brine side are dominant factors to control the water vapor flux and thermal efficiency because the effect of inlet temperature and velocity in brine side showed the higher water vapor flux and thermal efficiency than that of inlet temperature and velocity in distillate side. The water vapor flux was increased 3.4 times in the range of 21.22 $kg/m^2h$ to 71.26 $kg/m^2h$ and the thermal efficiency was increased 37.5% in that of 0.556 to 0.765 with increasing brine inlet temperature from $60^{\circ}C$ to $95^{\circ}C$. Meanwhile, the water vapor flux was increased 30% in that of 27.91 $kg/m^2h$ to 36.33 $kg/m^2h$ and thermal efficiency increased 7.5% in that of 0.6 to 0.646 as the brine inlet velocity was increased from 60 m/h to 300 m/h.

본 연구에서는 직접 접촉식 막증류 공정에서 운전인자에 따른 담수 투과량과 열효율을 예측하기 위해 열 및 물질전달 방정식을 이용하여 1차원 해석모델을 개발하였다. 이 해석모델의 타당성을 검증하기 위해 해석모델 결과와 기존 연구자들에 의해 수행된 실험 결과를 비교하였고 만족할 만한 결과를 얻었다. 이를 통해 DCMD 모듈에서 염수와 증류수의 입구온도 및 입구속도가 담수 투과량 및 열효율에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 염수의 입구온도와 입구속도가 증류수의 입구온도와 입구속도보다 담수 투과량과 열효율 증가에 미치는 영향이 크기 때문에 지배적인 운전특성이라는 것을 알 수 있었다. 염수의 입구온도가 $60^{\circ}C$에서 $95^{\circ}C$로 증가할 때 담수 투과량이 21.22 $kg/m^2h$에서 71.26 $kg/m^2h$로 3.4배 증가하였고 열효율은 0.556에서 0.765로 37.5% 증가하였다. 한편, 염수의 입구속도가 60에서 300 m/h로 증가함에 따라 담수 투과량이 27.91 $kg/m^2h$에서 36.33 $kg/m^2h$로 30% 증가하였고 열효율은 0.6에서 0.646로 7.5% 증가함을 알 수 있었다.