2.1 실험 장치

Fig. 2는 본 연구에 사용한 실험장치 구성도를 나타낸다. 상변화물질은 36～38℃의 상변화 온도를 가지는 PCM37(N-Tetradecanol) 5.5 kg을 사용하였다. 상변화물질을 담는 용기는 가로 500 mm, 세로 70 mm, 높이 250 mm인 가시화가 가능한 아크릴 수조로 제작하였고, 외부는 단열재로 단열처리 하였다. 상변화물질 내부에 설치된 관에 작동유체인 증류수가 흐르면서 상변화물질과 열을 교환하도록 하였다. 증류수는 항온조에서 실험조건의 일정한 온도로 상변화물질 내의 관으로 유입되도록 하였다. 항온조의 온도는 외부에 연결된 쿨링 유닛과 내부의 전기 히터를 이용하여 제어하였다. 작동유체의 유량은 인버터가 장착된 펌프를 이용하여 조절하였다. 질량 유량은 작동유체의 체적유량과 온도에 따른 증류수의 밀도로부터 계산하였다. 작동유체가 흐르는 관의 입출구의 온도는 PT100 저항 온도계로 측정하였다. 상변화물질의 상변화 상태를 측정하기 위하여 아크릴 수조 내부에 T-type 열전대를 부착하여 온도를 측정하였다.

Fig. 2 System diagram of the experimental setup.

상변화물질을 이용한 열저장 시스템에 적용된 열교환기는 일반적으로 많이 쓰이는 tube-in-tank 형태의 열교환기와 열전달 성능 향상을 위해 적용된 finned-tube-in-tank 형태의 열교환기를 사용하였다. 열교환기의 핀은 Fig. 1과 같은 형태의 직사각형 핀을 적용하였다. tube-in- tank 열교환기는 외경 6.6 mm, 총길이 5,640 mm의 알루미늄관으로 구성하였다. Finned-tube-in-tank 열교환기는 Tube-in-tank 열교환기에 가로 60 mm, 세로 28 mm, 두께 0.16 mm의 알루미늄 핀을 10, 15, 30 mm의 핀피치로 제작하였다. 실험조건은 Table 1과 같다. 작동유체의 온도는 축열시 57℃, 방열시 17℃로 하였다. 작동 유체의 유량은 0.006 kg/s～0.04 kg/s로 변화시키면서 실험하였다.

2.2 실험결과 처리 방법

본 연구에서는 열교환기의 열전달 성능을 비교하기 위하여 유용도로 결과를 수치화 하였다. 열교환기의 유용도는 식(1)과 같이 열교환기의 최대 가능한 열전달률에 대한 실제 열전달률의 비로 정의된다. 이 때 최대 가능한 열전달률은 식(2)와 같다. 축열과정과 같이 작동유체가 고온일 경우 실제 열전달률은 식(3)과 같고 C_min은 작동유체의 열용량률이므로 C_min=C_h이다. 그러므로 축열과정에서의 유용도는 식(4)와 같다.

방열과정과 같이 작동유체가 저온일 경우 실제 열전달률은 식(5)와 같고 C_min은 작동유체의 열용량률이므로 C_min=C_c이다. 그러므로 방열과정에서의 유용도는 식(6)과 같다. 이 때의 작동유체의 입출구 온도 및 상변화물질의 온도는 상변화 구간에서의 평균값을 사용하였다.

응축기나 증발기에서처럼 식(7)과 같이 정의되는 C_r이 0인 경우 유용도와 NTU와의 관계는 식(8)과 같다. NTU의 정의는 식(9)와 같다. 식(9)에서와 같이 NTU는 전열면적에 비례하며 질량유량에 반비례함을 알 수 있다. 이 것은 단위 면적당 질량유량에 반비례하는 것이므로 유용도를 식(10)과 같이 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 핀피치가 다른 각각의 열교환기를 질량유량을 달리하여 실험하고 이를 통하여 유용도 식을 구하였다. 총합 열전달계수와 정압비열이 일정하다고 가정하면 유용도는 식(10)과 같이 질량유속의 함수로 표현할 수 있다.(6)

3.1 핀 적용에 따른 축열 성능 특성

Finned-tube-in-tank 열교환기에서 핀피치와 유량 변화에 따른 축열 성능을 고찰하였다. Fig. 3은 작동유체의 온도 57℃, 핀피치 15 mm, 질량유량 0.02 kg/s 조건에서 10분 간격으로 촬영된 상변화물질과 핀-관 열교환기를 나타냈다. 시간이 지남에 따라 상변화물질이 녹기 시작하여 핀의 형태가 뚜렷하게 나타났다. Fig. 4는 그에 따른 시간 변화에 대한 작동유체와 상변화물질 내부의 온도 변화를 나타냈다. 상변화물질 내부에 설치된 열전대(TC1, TC2, TC3, TC4)의 온도가 시간에 따라 상승하였다. 실험 시작 후 약 25분까지 온도가 상승하며 고체 상태의 현열변화를 나타냈다. 이후 약 35분간 온도 변화가 정체하며 상변화 구간이 나타났으며, 62분부터 열전대의 온도가 다시 상승하며 액체 상태에서의 현열변화 구간이 나타났다.

Fig. 3 Photographs of the PCM　storage during the melting process.

Fig. 4 Melting process at the mass flow rate of 0.02 kg/s, fin-pitch of 15 mm, and an average effectiveness of 0.189.

Fig. 5는 질량유량과 핀피치 변화에 따른 유용도를 나타낸 것이다. 상변화 구간에서의 상변화물질의 온도와 작동유체의 입출구 온도를 이용하여 유용도를 계산하였다. 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하였다. 핀을 적용함에 따라 유용도가 상승하여, 핀피치 30 mm 조건에서는 핀이 없는 조건의 유용도에 비해 약 15% 상승하였다. 핀피치가 작아질수록 동일 유량조건에서 유용도는 높게 나타났으며, 유량이 작을수록 핀피치에 따른 유용도의 차이는 증가하여, 0.006 kg/s 조건에서 10 mm에서의 유용도는 30 mm의 유용도에 비해 34% 높게 나타났다. 작동유체의 유량이 0.006～0.04 kg/s인 구간에서 핀피치와 작동유체의 유량에 따른 유용도는 식(8)의 형태로 나타낼 수 있고, 그 결과는 Table 2와 같다.

Fig. 5 Effectiveness of the PCM storage tank with the mass flow rate in the melting process.

3.2 핀 적용에 따른 방열 성능 특성

Fig. 6은 작동유체의 온도 17℃, 핀피치 15 mm, 질량유량 0.02 kg/s 조건에서 10분 간격으로 촬영된 상변화물질과 핀-관 열교환기를 나타냈다. 시간이 지남에 따라 상변화물질이 핀과 관의 접촉부에서 얼기 시작하여 핀의 형태로 성장해 가는 것이 뚜렷하게 나타났다. Fig. 7은 그에 따른 시간 변화에 대한 작동유체와 상변화물질 내부의 온도 변화를 나타냈다. 상변화물질 내부에 설치된 열전대(TC1, TC2, TC3, TC4)의 온도가 시간에 따라 감소하였다. 실험 시작 후 약 17분까지 온도가 감소하며 액체 상태의 현열변화를 나타냈다. 이후 약 45분간 온도 변화가 정체하며 상변화 구간이 나타났으며, 62분부터 열전대의 온도가 다시 상승하며 액체 상태에서의 현열변화 구간이 나타났다.

Fig. 6 Photographs of the PCM storage during the freezing process.

Fig. 7 Freezing process at the mass flow rate of 0.02 kg/s, fin-pitch of 15 mm, and an average effectiveness of 0.222.

Fig. 8은 질량유량과 핀피치 변화에 따른 유용도를 나타낸 것이다. 상변화 구간에서의 상변화물질의 온도와 작동유체의 입출구 온도를 이용하여 유용도를 계산하였다. 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하였다. 핀을 적용함에 따라 유용도가 상승하여, 핀피치 30 mm 조건에서는 핀이 없는 조건의 유용도에 비해 약 46% 상승하였다. 핀피치가 작아질수록 동일 유량 조건에서 유용도는 높게 나타났으며, 유량이 작을수록 핀피치에 따른 유용도의 차이는 증가하여, 0.006 kg/s 조건에서 10 mm에서의 유용도는 30 mm의 유용도에 비해 91% 높게 나타났다. 작동유체의 유량이 0.006～ 0.04 kg/s인 구간에서 핀피치와 작동유체의 유량에 따른 유용도는 식(8)의 형태로 나타낼 수 있고, 그 결과는 Table 3과 같다.

Fig. 8 Effectiveness of the PCM storage tank with the mass flow rate in the freezing process.

3.3 전열면적에 따른 열전달 성능 특성

식(8)과 같이 유용도는 작동유체와 상변화 과정 중인 상변화물질 사이의 NTU로 정의할 수 있다. 이 때의 NTU는 Table 2 와 Table 3 에서와 같이 작동유체의 질량유량의 함수이다. 식(10)에서 설명한 바와 같이 유용도는 전열면적당 질량유량의 함수로 나타낼 수 있다. Fig. 9는 축열과정에서의 실험결과를 전열면적당 질량유량의 함수로 나타낸 것이다. 실험결과를 바탕으로 식 (10)과 같은 형태의 상관식을 도출하면 식(11)과 같다. 이 상관식의 표준오차는 5.21%이다.

식(11)에서 $0.00572(A/\stackrel{·}{m})$은 이 열교환기의 NTU 값을 나타낸다. 설계자는 식(11)을 이용하여 ε-NTN 법으로 열교환기를 설계할 수 있다.

Fig. 9 Effectiveness of the PCM storage with the mass flex in the melting process.

Fig. 10 Effectiveness of the PCM storage with the mass flex in the freezing process.

Fig. 10은 방열과정에서의 실험결과를 전열면적당 질량유량의 함수로 나타낸 것이다. 실험결과를 바탕으로 식(10)과 같은 형태의 상관식을 도출하면 식(12)와 같다. 이 상관식의 표준 오차는 2.83%이다. 식(11)과 식(12)의 상관식은 본 연구에서 실험한 핀피치 10 mm에서 30 mm 사이에서 유효한 상관식이다. 핀피치가 10 mm 이하일 경우는 작동유체의 동일한 유량에서 유용도가 더 높음을 예측할 수 있다. 30 mm 이상일 경우는 유용도가 더 낮음을 예측할 수 있다.

식(12)에서 $0.00721(A/\stackrel{·}{m})$은 이 열교환기의 NTU 값을 나타낸다. 설계자는 식(12)을 이용하여 ε-NTN법으로 열교환기를 설계할 수 있다.

Finned-tube-in-tank 형상의 열교환기를 설계할 때 작동유체의 유량이 설정되면 식(11)과 식(12)을 이용하여 열교환기의 전열면적과 핀피치를 설계할 수 있다. 예를 들어 작동유체의 유량을 0.01 kg/s으로 설계하고 방열시 목표 유용도를 0.3수준으로 설계하면 식(11)에 의해 전열면적은 0.624 ㎡이 된다. 본 연구에 사용된 열교환기의 핀피치로 계산하면 약 11.2 mm수준으로 설계값을 예측할 수 있다.