2.1 이중 원통다관형 열교환기

저자들은 원통다관형(shell and tube type) 배치를 기본 구조로 하고 여기에 축열 기능을 부여한 이중원통 다관형 열교환기(double shell and tube type heat exchanger, 이하 열교환기)를 설계한 바 있다.^(5,6) 이 열교환기는 고온 열매체로부터 저온 열매체로 전달하고 남은 열을 축열 매체에 저장시켰다가 고온 열매체에서 저온 열매체로 공급하는 열에너지가 부족할 때 축열 매체로부터 저온 열매체로 열을 전달할 수 있도록 구성하였다. Fig. 1은 열교환기의 축방향 위치에 따른 단면도를 나타낸 것이다. Fig. 1(d)의 단면도를 기준으로 각 열매체는 밀폐된 외부 원통부(outer shell side)에 상변화물질(PCM)을 충전시킨 상태에서 내부 관부(inner tube side, IT)에 R245fa (냉매), 내부 원통부(inner shell side, IS)에 70℃의 중온 폐열수(폐열수), 외부 관부(outer tube side, OT)에 약 90℃의 고온 폐열수(고온수)를 순환시키는 것으로 하였다. Table 1은 본 실험에 적용하기 위한 열교환기 내부의 4종류 열매체 관련 물성 및 기준 설계값으로서 내부 원통부(IS)와 내부 관부(IT) 사이의 열전달률은 3 kW로 나타났다. 이로부터 본 열교환기의 기준 용량은 3 kW로 하였다.

2.2 실험장치 및 방법

본 연구에서는 설계·제작된 열교환기의 축열 및 방열 기초실험으로서 내부 원통부(IS)와 외부 관부(OT)에 폐열수를 70℃ 이상의 동일온도로 공급하는 한편, 냉매 R245fa를 대신하여 에틸렌글리콜 50 mass% 수용액 (brine, 이하 브라인)을 저온 열매체로 사용하였다. Fig. 2는 실험장치를 나타낸 것으로서, 각 열원을 일정한 온도로 공급하기 위한 폐열수 가열장치인 항온수조, 브라인 냉각장치인 냉동기(SJ-7.5AH; 7.5RT, 공랭식), 그리고 축열식 열교환기 및 각각의 배관계통으로 구성된다. 열교환기 내 PCM은 최대로 충전 시 54 kg(잠열량 10,677 kJ⁽⁷⁾) 으로 본 실험에서는 체적팽창을 고려하여 약 97%(52.2 kg)를 충전하였다. 실험은 축열과정, 축열-방열 동시 과정, 방열과정의 세 과정으로 나눌 수 있다. 축열과정은 브라인은 정지시킨 상태에서 항온수조와 열교환기 사이에서 폐열수의 공급온도를 달리하여 열교환기 내 고상의 PCM이 전부 융해될 때까지 폐열수를 순환시켰다. 방열과정은 폐열 공급이 중단되는 비정상 운전을 가정하여 폐열수 공급을 차단한 채 열교환기 내 액상의 PCM이 전부 응고될 때까지 브라인만을 순환시켰다. 또한 축열-방열 동시과정은 축열과정이 종료된 시점에서 폐열수를 그대로 순환시킨 채로 브라인을 순환시켜 축열 및 방열이 동시에 이루어지도록 하였다. 각 실험 조건을 Table 2에 나타내었다. 각 실험조건에 대한 각 열매체의 열교환기 내 열전달률은 각 열매체 별 열교환기 측 입구 및 출구에서의 순시 온도값과, 열교환기 입구 측에서 측정된 순시 유량을 식(1)~식(4)에 적용하여 산출하였다. 또한 각 과정동안의 평균 열전달률은 식(5)에 의해 순시 열전달률을 합산한 값을 과정 전체시간 으로 나누어 산출하였다. 열교환기는 지지대에 의해 입형으로 배치하였고 두께 50 mm의 합성 고무 단열재(nitrile- butadiene rubber)로 열손실을 줄이도록 하였다. 각 과정에서 열교환기 내 PCM에 의한 축열량 또는 방열량은 식(6)에 의해 산출하였다. 한편 PCM은 열교환기 내 밀폐공간에 위치하여 PCM의 상변화를 확인하기가 매우 어려웠다. 이에 PCM 영역 내 중심축에서 동일 반지름에 위치하고 각 지점이 90° 간격을 이루는 PCM층(높이 : 0.89 m)의 수직방향 4지점(하부로부터의 높이 1 : 0.5 m, 2 : 0.75 m, 3 : 1 m, 4 : 1.25 m)의 온도를 측정하였다. 온도는 K형 열전대(sheath형, 0~1,250℃에서 오차율 ±1.1℃)를, 유량은 터빈식 유량계(FTT-S-S 25A, Coriolis type, 측정범위 0.1~10 CMH)를 이용하여 Lab View® 프로그램에 의해 데이터로 PC에 저장하였다.

3.1 폐열수 온도에 따른 열교환기의 축열 특성

Table 2의 축열실험 조건에 대한 실험 결과로서 먼저 Fig. 3은 폐열수 공급온도 69.5(이하 70), 74.6(이하 75), 79.2(이하 80) 및 89.1(이하 90)℃가운데 80℃로, 유량 9.8±0.1(이하 10), 1.9±0.2(이하 2) LPM 가운데 IS와 OT에 각각 10 LPM, 즉 총 20 LPM일 때 폐열수의 열교환기 측 입출구온도 및 순시 열전달률을 나타낸다. 폐열수 공급 개시 후 약 40분 동안 각 열매체 사이에서 급격히 온도가 상승한 다음 80℃ 부근에서 안정되었다. 온도 변화에 대응하여 평균 열전달률은 초기 40분 동안에 IS 측이 4.14 kW, OT 측이 2.86 kW로 높았다가, 5시간 경과 후 양쪽 모두 0.5 kW 이하의 낮은 값으로 일정한 상태를 유지하였다. 폐열수 공급과 함께 열교환기 내 PCM은 Fig. 3(b)로부터 초기 22℃에서 급격한 온도상승 후 상변화점(68.8℃)을 거쳐 80℃ 근처에서 평형상태에 도달하였다. PCM은 폐열수 공급에 의해 상부부터 하부로 융해가 진행(PCM1 → PCM4)할 것을 예상하였으나 OT측에 가까운 열전대(PCM3 및 PCM4)에서 융해가 빨리 시작되었다. 초기 고상인 PCM이 다시 완전히 액상으로 상변화 하는 시점을 파악하기란 쉽지 않지만, PCM은 일반적으로 상변화 종료시점 근처에서 온도선의 변곡점이 발생하는데 이 점을 기준으로 하는 것으로 알려져 있다.⁽⁷⁾ 이에 온도 추세선에서 하부 측정점(PCM4) 온도 곡선의 두 번째 변곡점이 가장 늦게 나타난 시점을 대략적인 상변화 종료 시각으로 가정하였다. 그 결과 PCM이 완전 융해되기까지에는 약 4시간 30분이 소요되었다. 또한 축열과정 동안 폐열수의 평균 열전달률은 IS측 1.35 kW, OT 측 1.08 kW로 나타났다. Fig. 4는 Table 2의 폐열수 공급 온도 조건에 대한 축열 평균 열전달률 및 축열 시간을 나타내었다. 그 결과 폐열수 공급 온도의 증가에 따라 평균 열전달률은 표준편차(STEDV)와 상관계수(r²)값으로부터 거의 선형적으로 증가함을 확인하였다. 폐열수 공급 온도가 70℃일 때 IS 측과 OT 측은 각각 0.27과 0.24 kW, 75℃일 때 0.87과 0.69 kW, 85℃일 때 1.98과 1.51 kW, 그리고 90℃일 때 각각 2.3과 1.81 kW의 평균 열전달률을 보였다.

3.2 폐열수 온도에 따른 열교환기의 방열 특성

Fig. 5는 Fig. 3의 축열과정이 종료된 상태에서 폐열수의 공급을 차단하고 브라인을 39±1(이하 40)℃, 2 LPM 으로 열교환기에 공급시켜 PCM으로부터 방열하였을 때의 열매체 및 PCM의 온도 및 열전달률을 나타낸 것 이다. 방열 초기에 액상인 PCM이 다시 전부 응고되는 시점은 PCM 융해 때와는 반대로 가장 늦게 하강한 곡선의 두 번째 변곡점을 상변화 종료 시점으로 하였다. 이 시점까지 브라인(IT)에 의한 평균 열전달률은 2.27kW로서, 실험 시작 직후 약 30분 동안 3 kW 이상으로 유지했던 것과 달리, 초반 10분 이후 급격히 감소하였다. Table 2의 폐열수 공급 온도에 대한 브라인의 평균 열전달률은 Fig. 6과 같이 나타났으며 폐열수 공급 온도에 비례하여 증가하였다. 또한 방열 초반에 3 kW 이상의 평균 열전달률 유지시간은 공급온도가 75℃에서 90℃로 증가함에 따라 약 5분, 20분, 43분, 1시간으로 증가하였다. 하지만 70℃일 때에는 열전달률이 3 kW 이상으로 나타나지 않았는데, 이는 축열온도가 PCM의 상변화점에 가까운 상태로서 방열 시작 시점에 지배적인 잠열축열량이 상대적으로 작아진 것이 원인으로 추정된다.

3.3 폐열수 온도에 따른 열교환기의 동시 축열 및 방열 특성

Fig. 7은 Fig. 3의 축열 완료 시점에서 폐열수를 계속 공급함과 동시에 방열실험을 실시하였을 때 각 열매체의 온도변화를 나타낸다. 즉 열교환기에 폐열수 공급(축열)을 지속시키는 동시에 브라인을 약 40℃, 2 LPM으로 공급하여 방열하였을 때의 실험 결과이다. 실험 시작 후 약 30분 동안은 과도상태로서 약간의 온도변화를 보이다가 진정되었다. 이는 IS측의 폐열수에서 브라인으로, 다시 브라인에서 PCM으로 열이 전달되는 한편, OT측의 폐열 수는 PCM이 빼앗기는 열을 보충하는 것으로 보인다. 그로 인해 축열 및 방열 동시운전동안 PCM측 내부온도는 모두 상변화점(68.8℃)보다 높게 나타났으며 액상상태를 유지하는 것으로 나타났다. 이 과정동안 평균 열전달률은 각각 IS의 폐열수에서 5.53 kW, OT의 폐열수에서 0.41 kW, 브라인에서 4.78 kW를 보였다. 축열 및 방열 동시운전의 또 다른 결과로서 폐열수와 브라인의 평균 열전달률은 Fig. 8과 같다. 즉 폐열수의 공급 온도가 70℃일 때 각각 4.21(IS)/0.23(OT) kW와 3.09 kW(IT), 75℃일 때 4.63/0.30 kW와 3.73 kW, 85℃일 때 각각 6.15/0.50 kW와 5.08 kW, 90℃일 때 각각 6.88/0.66 kW와 5.57 kW로 나타나 폐열수의 온도가 증가함에 따라 평균 열전달률도 증가하였으며 폐열수 온도가 75℃ 이상에서 열전달률이 급격히 증가함을 보였다. 이로부터 축열과정 및 축열 방열 동시운전 과정 모두에서의 폐열수 계통에서 내측 원통(IS) 쪽이 외측 관(OT) 쪽보다 열전달이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 상변화물질의 충전 위치 및 열매체 유로 선정에 따라 다르게 나타날 수 있다고 판단되며, 고안된 이중 원통 다관형 열교환기의 구조적 특징으로 판단된다.