1. 서론

발전소에서 냉각수로 활용되어 배출되는 온배수는 다각적인 활용방안이 추진되고 있지만 대한민국에서는 양식업과 농업에 극히 일부를 활용할 뿐 대부분은 바다에 방류되고 있다. 온배수로 이용 가능한 난방에너지는 연간 465,182 Tcal로 예측되고 있고, 발전소 온배수 열을 이용한 산업의 성장 가능성이 확인되었으며 보다 효율적이고 안정적인 이용을 위한 관련 기술 개발이 필요하다. 발전소 온배수 이용 기술은 크게 취수, 이송, 에너지 공급으로 나뉘며 해수-물 열교환기 시스템 설계 중 가장 중요한 것은 파울링 특성을 고려하여 안정적으로 대용량의 열회수가 가능하게 설계하는 것이다.

Chae 등⁽¹⁾은 물을 이용한 열교환기에서 주 오염원인 탄산칼슘을 인위적으로 이중관열교환기 내부로 순환시켜 오염생성에 따른 열교환기 성능변화를 고찰하였다. 총괄열전달계수는 오염농도가 증가할수록 감소하였고, 탄산칼슘을 이용한 오염의 경우 고온에서 제거가 어려운 결정성 오염으로 변하고, 농도가 짙을수록 결정성 오염이 증가하여 세정능력이 감소되는 것으로 나타났다. Sung 등⁽²⁾은 하천수의 경우 초기에는 시수와 비교하여 파울링 저항계수에 차이가 없으나 어느 시간이 경과하면 시수보다 급격하게 파울링이 증가되는 것을 밝혔다. 이는 하천수의 경우 일단 파울링이 형성되기 시작하면 시수보다 훨씬 더 많이 발생하는 것을 의미한다. 하천수의 경우 속도가 1.5 m/s일 때의 파울링 저항계수가 0.5 m/s일 때보다 약 1/3 정도 낮게 나타났고, 유속이 빠를수록 파울링의 생성이 더디게 일어나는 것을 알 수 있으며 약 26%의 열전달 손실을 피할 수 있음을 확인했다. Genic 등⁽³⁾은 난방 조건에서 판형 열교환기의 파울링 저항계수와 유량간의 관계를 고찰했다. 실험 방법은 가속 조건이 없는 물을 이용하여 초기 데이터와 1년 후 같은 열교환기로 측정한 데이터 변화를 비교하였다. 가속 조건이 없는 연구는 실제 조건과 흡사하지만 측정 시간이 길다는 단점이 있다. 따라서 실험 측정 시간을 단축시키고 파울링 생성에 큰 영향을 미치는 탄산칼슘 용액을 이용한 가속조건 파울링 연구가 활발히 진행되었다. Kang 등⁽⁴⁾은 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하는 냉난방시스템을 아열대 작물재배온실에 설치하고 10월에서 다음해 2월까지 약 5개월 동안 난방을 실시하여 난방에너지 비용 절감 효과 등을 분석하였다. Pääkkönen 등⁽⁵⁾은 파울링에 온도 영향이 크다는 특성을 밝혔고 이에 따라 난방 및 급탕 조건의 판형 열교환기에서 파울링 형성의 정보가 필요하다고 말하고 있다. Yang 등⁽⁶⁾은 구리 및 스테인리스 막대를 대상으로 해수 파울링 시험을 진행하고, 표면온도 및 속도의 영향을 고찰하였다. Ryou 등⁽⁷⁾은 화력발전소에서 온배수의 형태로 배출되는 폐열을 히트펌프의 열원으로 이용하여 온실의 난방에 활용할 수 있는 히트펌프 시스템을 설계 제작하였으며, 난방 성능을 분석하여 PE 파이프 열교환기의 설계 기준을 제시하고자 하였다.

현재까지의 연구를 살펴볼 때 해수 온배수를 직접 이용하여 장시간동안 운전한 가스킷 방식의 판형 열교환기에 대한 실험 결과가 부족하였다. 또한 파울링 메커니즘 및 관련 모델에 대한 연구는 매우 적고 이를 고려한 열교환기 설계와 설계에 필요한 변수의 범위를 찾아보기 어려운 현실이다. 이에 본 연구는 발전소 온배수로부터 직접 파울링을 생성한 열교환기와 깨끗한 열교환기를 이용해 실험적으로 파울링의 유․무와 유량 및 온도조건의 변화에 따라 해수 측의 총괄열전달계수, 열전달계수 및 압력강하를 산출하고 본 조건이 성능에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하고자 한다.

2. 실험방법 및 실험장치

제주 화력발전소의 발전 온배수를 활용하여 실험한 판형 열교환기는 3개월 동안 20-30 lpm의 유량범위에서, 15-25℃의 온도범위로 하루 18시간 동안 운전되었다. 발전 온배수온도가 20℃-30℃ 사이이고, 열수요처에 설치된 히트펌프의 성능평가 온도를 고려하여 해수 측은 10℃-30℃, 담수 측은 5℃-25℃로 설정하였다. 해수 측과 담수 측의 입구 온도차를 5℃로 두어 Table 1과 같은 조건으로 실험을 진행하였다. 현장에 설치해 파울링을 직접적으로 생성한 판형 열교환기 한 대와 현장에 설치된 것과 같은 사양의 깨끗한 판형 열교환기 한 대를 사용하여, 해수 측은 물을 이용하여 담수 측은 브라인을 활용하여 열교환기의 성능평가를 진행하였다. Fig. 1은 발전 온배수용 해수-물 열교환기의 성능실험을 위한 실험 개략도를 나타낸다. 실험용 열교환기와 차압계, 물과 브라인의 유량을 측정할 수 있는 질량유량계 2개를 설치하였다. 열교환기 입․출구 부분에는 물과 브라인의 온도를 측정할 수 있는 T타입의 삽입형 열전대를 설치하였고, 모두 실험 전에 ±0.1℃내로 균일하게 보정하였다. 해수 측 부분에는 100 kPa에서 오차율 0.05%인 차압계를 설치하였다. 해수 측과 담수 측의 온도 및 유량은 서로 다른 칠러를 사용하여 조절하였다. Fig. 2는 실험에 사용한 판형 열교환기의 사양을 나타낸다.

3. 실험결과

Fig. 4와 Table 2는 온도와 유량에 따른 총괄열전달계수 U값의 변화를 나타낸다. 파울링의 유․무에 따른 U값은 파울링이 없는 경우에 평균 15% 높게 나타났다. 해수 측이 20℃, 담수 측이 15℃에서 파울링의 유․무에 따른 U값은 파울링이 있을 때보다 없을 때 평균 22.7% 높게 나타났다. 해수 측이 30℃, 담수 측이 25℃에서 유량에 따른 U값의 증가율은 파울링의 유․무에 따른 U값은 파울링이 없을 때 26% 높게 나타났다. 유량의 증가에 따른 U값의 증가는 대류현상의 향상에 따른 것으로 판단된다. 같은 유량조건에서 해수 측과 담수 측의 온도가 올라감에 따라 5-12% U값이 향상되었다. 이는 작동유체의 온도 증가에 따른 점성의 감소로 인한 대류항의 증가로 열전달이 향상되었을 것으로 판단된다. 실제 물의 경우 본 실험조건에서 온도증가에 따라 점성은 20.6%-23.5%의 감소를 나타낸다. 그리고 파울링이 있을 때보다 없을 때 U값은 평균 21% 이상 높은 값을 나타냈다.

Fig. 5는 온도와 유량에 따른 열전달계수 h_total값의 변화와 열전달계수의 불확실도를 나타낸다. 파울링에 의한 단위면적당 열저항, R_{f,seawater-side}값은 앞서 설명한 바와 같이 9개의 h_total값에서 h_{seawater-side}와 h_water-side가 동일하다는 가정으로 산출했고 평균 1.19×10^-3m²K/W 값을 나타냈다. 해수 측이 10℃, 담수 측이 5℃에서 유량에 따른 h_total값의 증가율은 파울링이 있는 열교환기에서 약 14%이고, 파울링이 없는 열교환기에서는 해수-담수 유량이 20-20 lpm과 20-30 lpm에서는 큰 차이를 보이지 않았지만 20-30 lpm과 30-30 lpm에서는 약 20%의 증가율을 보였다. 파울링의 유·무에 따른 h_total값은 파울링이 있을 때보다 없을 때 평균 16.6% 높게 나타났다. 해수 측이 20℃, 담수 측이 15℃에서 유량에 따른 h_total값은 파울링이 있는 열교환기에서 약 11.5%의 증가율을 보였고, 파울링이 없는 열교환기에서는 해수-담수 유량이 20-20 lpm과 20-30 lpm일 때 h_total값은 거의 동일했지만, 20-30 lpm에서 30-30 lpm으로 변할 때 약 28%로 h값의 증가율이 높게 나왔다. 파울링의 유·무에 따른 h_total값은 파울링이 있을 때보다 없을 때 평균 24%로 높게 나타났다. 해수 측이 30℃, 담수 측이 25℃에서 유량에 따른 h_total값의 증가율은 파울링이 있는 열교환기에서 약 8%이고 파울링이 없는 열교환기에서는 해수-담수 유량이 20-20 lpm보다 20-30 lpm일 때 h_total값은 거의 동일했지만, 20-30 lpm에서 30-30 lpm은 약 26%로 h_total값의 증가율이 높게 나왔다. 파울링의 유·무에 따른 h_total값은 파울링이 있을 때보다 없을 때 평균 30%로 높게 나타났다.

Fig. 6과 Table 2에는 온도와 유량에 따른 압력강하, ∆P값의 변화를 나타낸다. 같은 유량 및 온도조건에서 파울링이 있는 열교환기의 ∆P값은 파울링이 없는 열교환기의 ∆P값보다 평균 4배 이상 높게 나왔다. 이로 인해 파울링의 존재 유·무로 ∆P값을 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 같은 유량조건에서 온도에 따른 ∆P값은 약 2 kPa 미만의 차이를 보였으며 이는 ∆P값이 온도 변화에 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 나타낸다.

4. 결 론

본 연구에서는 해수에서 자연적으로 파울링을 생성한 해수-물 가스킷형 판형 열교환기로 실험을 진행하여 온도와 유량, 그리고 파울링의 유·무에 따라 총괄열전달계수 U와 열전달계수 h, 파울링 열저항, 그리고 압력강하 ∆P를 구하여 비교했다. 같은 온도범위에서 해수 측 유량의 증가에 따라 총괄열전달계수는 증가했는데 그 이유는 유량의 증가에 따른 대류 열전달의 향상 때문인 것으로 판단된다. 동일한 유량에서 온도를 높이면 점성의 감소로 인한 대류항의 증가가 열전달계수의 향상을 가져온 것으로 판단된다. 파울링의 유·무에 따른 총괄열전달계수는 파울링이 있을 때보다 없을 때 평균 21.2% 증가했다. 동일한 온도조건에서 유량이 증가할수록 열전달계수는 증가했는데 해수 측 유량이 같을 때보다 증가했을 때 열전달계수는 더욱 크게 증가했다. 같은 유량조건에서 해수 측과 담수 측의 온도에 따른 압력강하는 큰 차이를 보이지 않았으며 이는 압력강하가 온도 변화에 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 알 수 있었다. 그리고 판형 열교환기 내에 파울링이 있을 때 압력강하는 파울링이 없을 때보다 평균 400% 이상 증가했다.