2.1 축열식 판형 열교환기

Fig. 1은 축열식 판형 열교환기(이하 열교환기)의 외형도와 철골 구조물, 내부 유로의 단면도를 나타낸다. 설계, 제작된 축열식 판형 열교환기는 폐열수(저열원)에서 냉매로 열이 전달된 후, 남은 열에너지는 열교환기 내 PCM에 저장되는 구조로서 저열원의 공급이 불안정하거나 중단될 때 냉매가 PCM으로부터 열을 공급받을 수 있도록 구성하였다. 또한 PCM의 상변화 시 압력변동에 따른 전열판의 수축 및 팽창을 방지하기 위하여 PCM층에 Fig. 1(b)와 같은 철골 구조물을 삽입하였다. Fig. 1(c)는 열교환기의 유로에 수직방향 단면도로서 PCM은 총 3개의 직립형 캡슐에 충전되며 각 캡슐 사이 두 곳에 폐열수 유로가 PCM 캡슐과 직접 접촉하고 폐열수 유로 사이에 냉매 유로가 배치되어 있다. Table 1은 기초설계에 사용된 열매체 물성 및 작동조건을 나타낸다. 기초설계에서는 냉매를 R245fa로 하였으며 계산 결과 열교환기의 폐열수 측과 냉매 측 사이의 열전달률은 3kW로 나타났다.

2.2 실험장치 및 방법

본 실험은 PCM이 축방열 특성에 미치는 영향을 파악하고자 부하측 열매체로서 냉매 R245fa 대신 브라인(brine, ethylene glycol 50% 수용액, $\rho _{b}$ = 1,056 kg/m³)을 부하 측 열매체로 사용하였다. Fig. 2는 실험장치를 나타낸 개략도로서 열교환기, 폐열수 순환회로 및 브라인 순환회로로 구성되어 있다. 열교환기는 입형으로 배치하였고 폐열수 순환회로 외측부는 두께 100 mm의 고무 발포 보온재(nitrile-butadiene rubber)로 단열처리를 하였다. 각 열매체의 온도와 유량을 축열식 열교환기에 안정적으로 공급하기 위해 폐열수는 9 kW 히터에 의한 가열장치 및 항온수조, 브라인은 냉동기(SJ-7.5AH; 7.5 RT, 공랭식)를 사용하였다. 열교환기 내 PCM의 이론 충전량(설계값)은 16.2 kg (잠열량 3,221 kJ)으로서 본 실험에서는 체적팽창을 고려하여 약 15 kg(설계값의 93%)을 충전하였다. 열교환기 내 충전된 PCM의 상변화는 가시적으로 확인이 어렵기 때문에 Fig. 2와 같이 열교환기 내 3개의 PCM층 중에서 가운데층(Fig. 1(b)의 #2, 높이 : 0.99 m, 길이 : 0.29 m)에 삽입시킨 9개 센서의 온도 측정값을 바탕으로 판단하였다. 온도센서는 수직방향으로 3위치(하부로부터의 높이 1 : 0.3 m, 2 : 0.5 m, 3 : 0.7 m) 수평 방향으로 3위치(센서가 삽입되는 방향으로부터 1 : 0.1 m, 2 : 0.15 m, 3 : 0.2 m)로서 총 9개 지점에서 온도를 측정하였다. 또한 축열 및 방열실험 동안 K형 열전대를 사용하여 열교환기 내 PCM층 및 각 열매체의 입출구에서의 온도를 측정하였다. 온도는 K형 열전대(sheath형, 0~1,250℃, 오차율±0.01℃)로, 폐열수 및 브라인 유량은 터빈유량계(FTT-S-S 25A, 측정범위 0.1~60 LPM)를 이용하여 측정하였다. 측정된 온도 및 유량 데이터는 Lab View®프로그램을 통해 수집하여 PC에 저장하였다.

실험은 열교환기 중심으로 폐열수에 의한 축열, 브라인에 의한 방열, 그리고 폐열수 및 브라인에 의한 축열․ 방열 동시과정으로 분류하여 진행하였다. 축열 온도 및 방열온도는 고온 열펌프시스템에서 사용되는 폐열수 온도 및 증발기 온도를 기준으로 하여 각각 80℃와 60℃로 설정하였다.^[6] 축열 과정은 먼저 브라인을 열교환기로 공급하여 열교환기 내 PCM 온도 측정점이 25℃로 되었을 때 브라인의 공급을 중단하고 80℃로 설정된 폐열수를 열교환기에 공급하여 초기 고상의 PCM(25℃)이 80℃로 전부 융해될 때까지 실험을 진행하였다. 다음으로 방열 과정의 경우, 비정상운전 상태를 가정하여 PCM이 전부 융해된 상태에서 폐열수의 공급을 중단하고, PCM의 온도가 61±1℃가 될 때까지 온도 60℃의 브라인을 열교환기에 공급하여 PCM이 전부 고상이 되도록 하였다. 끝으로 축열․방열 동시과정의 경우, 축열 실험으로부터 PCM의 온도가 80℃에 도달된 상태를 초기상태로 하여 폐열수와 브라인을 동시에 순환시켜 실험을 진행하였다. Table 2에 열매체 초기조건, 공급온도 및 유량 조건을 나타내었다. 열교환기 내에서 폐열수 및 브라인의 열전달률은 각 열매체 별로 열교환기의 입․출구에서 측정된 순시 온도 및 열교환기 입구에서 측정된 순시 유량을 바탕으로 각각 식 (1) 및 식 (2)로서 산출하였다. 또한 각 과정 동안의 평균 열전달률은 식 (3)과 같이 순시 열전달률의 적분값을 과정 전체 시간으로 나누어 계산하였다. 각 과정에서 충전된 PCM의 축열량과 방열량은 식 (4)에 의해 간접적으로 산출하였다.

3.1 폐열수 유량에 따른 열교환기의 축열 특성

Fig. 3은 축열과정 동안 폐열수 공급유량 10 LPM, 온도 80±0.1(이하 80)℃일 때 폐열수에 의한 열교환기 입․출구 온도와 순시 열전달률을 나타낸다. 실험시작 후 약 10분 동안 열교환기의 폐열수 출구 측의 온도가 급격히 상승하여 70℃ 이상에서 온도 상승률은 현저히 줄어들었다. 또한, 폐열수 입출구 온도차 변화에 비례 하여 평균 열전달률은 초기 10분 동안에 15 kW 로 높게 나타났다가 그 이후 급격하게 감소하였다. Fig. 3(b)는 축열 실험 동안 시간에 따른 PCM 내부의 온도변화 그래프이다. PCM의 상변화 개시 및 종료 시점을 정확 하게 파악하기는 어려우나, PCM층 내 분포되어 있는 온도 측정점으로부터 개략적으로 파악할 수 있다. 즉 측정되는 온도 순시 값 가운데 가장 먼저 나타나는 온도 곡선의 변곡점을 기준으로 상변화 개시점을, 또한 가장 나중에 나타나는 변곡점을 상변화 종료점으로 간주한다.^[5] 실험 시작 10분 경과 후 폐열수입구 측에 제일 가까운 Top3지점 온도에서 첫 번째 변곡점이 나타나며 이어서 Top2, Top1 순서로 변곡점이 나타났다. 또한 폐열수 출구 측에 가까운 Bot3, Bot2, Bot1위치에서 미세한 차이가 있었지만 가장 늦게 상변화 변곡점이 나타났다. 이에 열교환기 하부에 위치한 Bot2번의 두 번째 변곡점이 가장 마지막으로 나타나 이 시점을 상변화 종료시점으로 판단하였고, PCM이 완전히 융해할 때까지 소요된 시간은 약 42분이 소요되었다. Fig. 4는 축열 과정에서 폐열수 유량에 따른 평균 열전달률과 축열 시간을 나타낸 그래프로서 5 LPM일 때 3.9 kW, 10 LPM일 때 4.8 kW, 15 LPM일 때 5.2 kW, 그리고 20 LPM일 때 5.3 kW로 나타났다. 즉 폐열수 공급 유량이 증가함에 따라 평균 열전달률은 점차로 완만하게 증가하는 경향을 보여 그에 따라 축열 종료시간도 완만하게 감소 하였다.

3.2 폐열수 유량에 따른 열교환기의 방열 특성

Fig. 5는 PCM의 온도가 초기 약 80℃일 때 브라인 순환에 의한 PCM의 방열특성을 나타낸 것이다. 폐열수 공급을 차단한 채 브라인을 60±2(이하 60)℃, 5 LPM으로 열교환기에 공급하여 방열하였을 때의 각 열매체의 온도 및 순시 열전달률을 나타낸 것이다. 축열 시의 PCM의 융해과정 때와 같이 PCM의 응고 완료시점을 온도 그래프에서 두 번째 변곡점이 가장 늦게 나타났을 때로 간주하였다. 방열 실험 개시로부터 첫 번째 변곡점이 나타나기까지 약 10분이 소요되었으며 이 시점까지의 평균 열전달률은 3.3 kW로 나타났다. 하지만, 10분 경과 후부터 두 번째 변곡점 출현 시점까지의 평균 열전달률은 0.65 kW로 급격하게 감소하였다. Fig. 6은 Table 2의 브라인 공급 유량에 따른 평균 열전달률로서, 폐열수와 마찬가지로 유량이 증가함에 따라 점차로 완만하게 증가하였다. 방열과정 개시로부터 3 kW 이상의 평균 열전달률이 유지되는 시간은 5 LPM과 10 LPM에서 각각 약 5분 및 7분으로 증가하였으며 2 LPM 조건에서는 3 kW 이하로 나타났다. 방열 시 열전달률은 축열 때보다 작게 나타나는데, 이는 열교환기 내부에서 PCM에 축열된 열이 브라인으로 전달되는 경로 상에서 폐열수 유로(정지 상태)의 개입으로 인한 열저항의 증가가 원인으로 보인다.

3.3 폐열수 유량에 따른 열교환기의 동시 축열 및 방열 특성

Fig. 7은 PCM을 80℃로 축열 완료한 시점에서 폐열수와 브라인을 동시에 공급하여 동시 축열 및 방열 실험을 진행하였을 때, 두 가지 열매체의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 즉 열교환기 내에 폐열수는 80℃, 15 LPM, 브라인을 60℃, 5 LPM으로 공급하였을 때의 실험결과이다. 실험을 시작하고 약 30분까지는 PCM의 온도와 순시 열전달률이 감소하다가 이후부터는 증가하는 경향을 보였다. 동시에 브라인 출구 측 온도는 약 78℃ 정도로 일정하게 유지하고 있다. 이로부터 실험개시부터 30분 경과할 때까지 브라인의 승온에 PCM 및 폐열수의 현열이 기여한 것으로 볼 수 있다. 즉 브라인의 승온에는 폐열수의 현열이 일차적으로 기여하지만 상대적으로 높은 온도에 있는 PCM의 현열이 폐열수 하류 측에 열을 공급하여 부분적으로 브라인의 온도 상승에 기여하다가 이 이후에는 폐열수 공급으로 PCM이 다시 80℃까지 온도가 회복되는 것으로 추정된다. PCM은 실험을 진행하는 동안 상변화점(68.8℃) 이상으로 액상으로 유지되며 PCM층 내 측정점에서 온도분포는 수평방향보다는 수직방향으로 크게 나타났다. 이 과정에서 열 매체간의 평균 열전달률을 평가해본 결과, 폐열수는 브라인과 PCM에 평균 6.68 kW를 전달하였고, 브라인은 폐열수로부터 평균 5.67 kW의 열량(약 85%)을 취득하여 열교환기 표면에서의 열손실을 무시한다면 PCM은 브라인으로부터 평균 1.01 kW의 열량(약 15%)을 취득한 것이 된다. Fig. 8에 동시 축열 및 방열 운전시 폐열수 유량에 따른 각 열 매체간의 평균 열전달률과 축방열비(= 축열 평균 열전달률/방열 평균열전달률)를 나타내었다. 그 결과, 폐열수의 유량이 증가함에 따라 모든 열 매체의 평균 열전달률 값은 증가하는 경향을 보이지만 증가율은 점차 둔화하는 것으로 나타났으며 축/방열비는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이상의 결과는 축열식 2중원통다관형 열교환기를 이용한 동일 온도(폐열수 80℃, 브라인 60℃) 및 유량(폐열수 10 LPM, 브라인 5 LPM)조건에서 확인된 축방열비(= 축열 평균 열전달률/방열 평균 열전달률)^[7]에 비하여 11.6% 큰 것으로 나타났다.