2.1 축열식 판형 열교환기

Fig. 1은 축열식 판형 열교환기(이하 열교환기)의 외형과 내부 유로의 단면을 나타낸 것이다. 새롭게 고안된 열교환기는 고온수(폐열수)에서 저온수(브라인)로 열이 전달된 후, 남은 열에너지는 열교환기 내 PCM에 저장되는 구조로서 고온수(폐열수)의 공급이 불안정하거나 중단될 때 저온수(브라인)가 PCM으로부터 열을 공급 받을 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 수직방향 단면도로서 내부 열매체의 유로 구성을 확인할 수 있다. 열교환기는 전열판를 경계로 3가지 열매체를 사용할 수 있는 유로를 형성하고 있으며 고온수-저온수-고온수-PCM 순서가 반복되는 구조를 갖는다. 따라서 축열재로서 PCM은 내부지지대가 설치된 장방형 수직판형 캡슐에 충전되며, 판형 캡슐 양 측면에는 고온수 유로가 배치되어 있다. Table 1은 열교환기 기초설계에 사용된 열매체의 설계조건과 제작된 시제품 열교환기의 사양을 나타낸 것이다. 열교환기의 용량은 고온수(폐열수)와 저온수(브라인) 사이의 열전달률이 3 kW가 되도록 설계하였다.

2.2 실험장치 및 방법

Fig. 2는 실험장치를 나타낸 개략도로서 시제품 축열식 열교환기와 고온수 순환회로 및 저온수 순환회로로 구성되어 있다. 열교환기는 입형으로 배치하였고 고온수와 저온수 순환회로 외측부는 두께 100 mm의 고무 발포 보온재(nitrile-butadiene rubber)로 단열처리를 하였다. 열교환기에 열매체를 안정적으로 공급하기 위해서 고온수는 9 kW 전기히터를 이용하여 생성하였으며 저온수는 냉동기(SJ-7.5AH; 7.5RT, 공랭식)에 의해 냉각된 브라인을 이용하였다. 축열식 열교환기 내 PCM 층에는 68.8℃의 상변화 온도를 갖는 유기계 잠열 소재를 충전 하였다. 축열재인 PCM의 최대 충전량(설계값)은 16.2 kg이지만 PCM의 상변화 시 발생하는 체적 변화를 고려하여 약 15 kg(최대치의 93%)을 충전하였다. 열매체의 열교환 과정에서 열교환기 내 충전된 PCM의 물리적 변화를 가시적으로 확인이 어렵기 때문에 Fig. 2와 같이 열교환기 내 3개의 PCM층 중에서 가운데에 위치하고 있는 PCM층(Fig. 1(b)의 #2, 높이 : 0.99 m, 길이 : 0.29 m)에 온도센서를 설치하였다. PCM 내부 온도를 기준으로 PCM의 상(phase) 변화를 판단하였다. PCM 내부의 온도 센서는 수직방향으로 3위치(하부로부터의 높이 1 : 0.3 m, 2 : 0.5 m, 3 : 0.7 m) 수평방향으로 3위치(센서가 삽입되는 방향으로부터 1 : 0.1 m, 2 : 0.15 m, 3 : 0.2 m)로서 총 9개 지점에서 설치하였다. 또한 실험과정동안 열교환기에 공급되는 열매체의 온도와 유량을 측정하기 위해 K형 열전대(sheath형, 0~1,250℃,오차율±0.01℃)와 터빈유량계(FTT-S-S 25 A, 측정범위 0.1~60 LPM)을 사용하였다. 측정된 온도 및 유량 데이터는 Lab View®프로그램을 통해 수집하여 PC에 저장하였다.

실험은 열교환기를 중심으로 고온수에 의한 축열과정, PCM에 축열이 완료된 상태에서 저온수에 의한 방열 과정, 고온수 및 저온수에 의한 축열․방열 동시과정으로 분류하여 진행하였다. 축열 온도 및 방열 온도는 고온 열펌프시스템에서 사용예정인 산업용 폐열의 평균 온도와 냉매 사이클의 증발 온도를 기준으로 70~90℃와 40℃로 설정하였다.⁽¹⁾ 축열 과정은 먼저 저온수를 열교환기로 공급하여 열교환기 내 PCM 온도 측정점이 25℃로 되었을 때 저온수(브라인)의 공급을 중단하고 70~90℃(5℃ 간격)로 설정된 고온수를 열교환기에 공급하여 초기 고체상태인 PCM(25℃)이 전부 융해될 때까지 실험을 진행하였다. 다음으로 방열과정의 경우, 비정상운전 상태를 가정하여 PCM이 전부 융해된 상태에서 고온수의 공급을 중단하고, PCM의 온도가 40±1℃가 될 때까지 40℃의 저온수를 열교환기에 공급하여 PCM이 전부 고상이 될 때까지 진행하였다. 끝으로 축열․방열 동시과정의 경우, 축열 실험으로부터 PCM의 온도가 70~90℃에 도달된 상태를 초기상태로 하여 고온수와 저온수를 동시에 순환시켜 실험을 진행하였다. 본 연구에서 진행한 실험의 열매체 초기 조건과 공급 온도 및 유량 조건을 Table 2에 나타냈다.

또한 열교환기 내에서 고온수 및 저온수의 열전달률은 열매체의 입․출구에서 측정된 순시 온도 및 열교환기 입구에서 측정된 순시 유량을 바탕으로 각각 식(1) 및 식(2)로서 산출하였다. 각 과정 동안의 평균 열전달률은 식(3)과 같이 순시 열전달률의 적분 값을 과정 전체 시간으로 나누어 계산하였다. 각 과정에서 충전된 PCM의 축열량과 방열량은 식(4)에 의해 간접적으로 산출하였다.

3.1 고온수 공급 온도에 따른 축열 특성

Fig. 3은 85±0.5℃의 온도를 갖는 고온수를 10LPM 유량으로 열교환기에 공급하였을 때(축열과정) 고온수 입·출구 온도와 PCM 내부 온도 변화를 나타낸 것이다. Fig. 3(a)에서 확인할 수 있듯이 실험시작 후 약 10분 동안 열교환기의 고온수 출구 측의 온도가 급격히 상승하였지만 75℃ 이상에서는 온도 상승률은 현저히 줄어들었다. 또한, 고온수 입․출구 온도차 변화에 비례하여 평균 열전달률은 초기 10분 동안에 17 kW로 높게 나타났다가 그 이후 급격하게 감소하였다. Fig. 3(b)는 축열 실험 동안 시간에 따른 PCM 내부의 온도변화를 보여준다. PCM의 상변화 개시 및 종료는 온도 곡선에서 변곡점이 발생하는 시점을 기준으로 판단하였다. 즉 온도 변화 곡선에서 가장 먼저 나타나는 변곡점을 상변화 개시점으로 가장 나중에 나타나는 변곡점을 상변화 종료점으로 간주하였다.⁽⁹⁾ 실험 시작 10분 경과 후 고온수 입구 측에 가까운 Top 1~3지점 온도에서 첫 번째 변곡점이 나타나며 이어서 Mid1~3지점에서 변곡점이 나타났다. 고온수 출구 측에 가까운 Bot3, Bot2, Bot1 위치 에서 미세한 차이가 있었지만 가장 늦게 변곡점이 나타났다. 이에 열교환기 하부에 위치한 Bot1번의 두 번째 변곡점이 가장 마지막으로 나타나 이 시점을 상변화 종료시점으로 판단하였고, PCM이 완전히 융해할 때까지 소요된 시간은 약 30.5분으로 측정되었다.

Fig. 4는 축열 과정에서 고온수 공급 온도에 따른 평균 열전달률과 축열 완료 시간을 나타내며, 고온수 공급온도가 70℃일 때 2.26 kW, 75℃일 때 3.18 kW, 80℃일 때 4.8 kW, 85℃일 때 6.87 kW, 그리고 90℃일 때 8.65 kW로 나타났다. Table 3은 고온수의 열전달률에 대한 측정불확도를 나타낸 것이다. 즉 고온수 공급 온도가 상승함에 따라 평균 열전달률은 증가하는 경향을 보였고 축열이 완료되는 시간은 점점 감소하였다.

3.2 PCM 초기 온도에 따른 방열 특성

Fig. 5는 PCM의 초기 온도가 약 85℃일 때 열교환기에 저온수만을 순환시켜 PCM의 방열특성을 분석한 결과 이다. Fig. 5(a)는 고온수 공급을 차단한 상태에서 40±0.1℃의 저온수를 2 LPM의 유량으로 열교환기에 공급하였을 때(방열과정) 고온수와 저온수의 입․출구 온도 및 순시 열전달률을 나타낸 것이다. 실험 시작후 8분이 경과되기 전까지 높은 온도를 유지하던 저온수 출구온도는 실험 시간이 경과할 수로 점점 낮아졌으며 실험경과 60분후에는 저온수의 입․출구 온도차가 미미하였다. 이 때 저온수의 평균 열전달률은 4.47 kW에서 2.15 kW로 감소하였다. Fig. 5(b)는 방열과정동안 PCM층 내부 온도 변화를 나타낸 것이다. PCM의 상변화 개시 및 종료 시점 판정은 축열과정 실험과 동일한 방법으로 진행하였다. 따라서 PCM응고 개시 시점은 온도 변화 곡선에서 첫번째 변곡점이 발생하는 지점, 응고 종료 시점은 두번째 변곡점이 발생하는 지점으로 하였다. 방열 실험 개시로부터 첫 번째 변곡점이 나타나기까지 약 8분이 소요되었으며 두 번째 변곡점은 약 26분후에 나타났다.

Fig. 6은 방열과정 실험에서 PCM 초기 온도에 따른 평균 열전달률과 방열 완료 시간을 분석한 결과이다. Fig. 6(a)에서 보는 것과 같이 평균 열전달률은 PCM 초기 온도가 70 ℃일 때 2.74 kW, 75 ℃일 때 2.77 kW, 80 ℃일 때 2.86 kW, 85 ℃일 때 3.24 kW, 그리고 90 ℃일 때 3.75 kW로 나타났다. Table 4는 저온수의 열전달률에 대한 측정불확도를 나타낸 것이다. PCM 초기 온도가 선형적으로 증가할 때 비해 저온수가 취득하는 평균 열전달률은 2차 함수에 가깝게 증가하였다. Fig. 6(b)는 PCM이 완전히 응고되기까지 소요 시간은 분석한 결과로 방열 완료 시간을 산출한 것이다. 방열 완료 시간은 PCM 초기 온도가 70℃일 때 22분, 75℃일 때 26분, 80℃일 때 26분 30초, 85℃일 때 25분 45초, 그리고 90℃일 때 28분으로 산출되었다. PCM으로부터 저온수가 취득하는 평균 열전달률이 2차 함수 형태로 급격히 증가한 것에 비해 방열 시간은 대체적으로 완만하게 증가하였다.

3.3 고온수 공급 온도에 따른 축열 및 방열 특성

Fig. 7은 PCM 내부 온도가 80℃에 도달한 시점에서 고온수와 저온수를 동시에 열교환기에 공급하여 축열 및 방열 실험을 동시에 진행하였을 때, 고온수와 저온수의 입․출구 온도변화를 나타낸 그래프이다. Fig. 7(a)에서 보는 것과 같이 실험 시작 약 5분경과 이후부터 고온수 및 저온수 입․출구 온도가 유지되었다. 실험을 개시하고 30분 전․후로 순시 열전달률을 비교하였을 때 PCM의 온도가 일정하게 유지되기 전까지는 저온수와 고온수 사이의 열전달률이 비교적 높게 나타났으며 PCM의 온도가 유지되는 시점부터 PCM과 고온수 사이의 열전달률이 증가되어 일정하게 유지되었다. 이때 동시 축열 및 방열과정에서 열 매체간 평균 열전달률을 평가해본 결과, 고온수는 저온수와 PCM에 평균적으로 6.79 kW를 전달하였고, 저온수는 고온수로부터 평균 4.88 kW의 열(약 72%)을 취득하고 PCM은 저온수으로부터 평균 1.91 kW의 열(약 28%)을 취득한 것으로 산출되었다. Fig. 7(b)는 동시 축열 및 방열 과정에서 PCM층 내부 온도 변화를 나타낸 것이다. 실험을 시작하고 약 30분까지는 PCM의 온도가 감소하다가 이후부터는 일정하게 유지하는 경향을 보였다. PCM층 내부의 모든 온도측정점에서 PCM의 온도가 상변화점 이상의 온도점에 수렴하여 유지되기 때문에 지속적으로 운전하였을 경우 PCM은 꾸준하게 액체상태로 유지될 것으로 판단된다.

Fig. 8은 동시 축열 및 방열 운전 시 고온수 공급온도에 따른 각 열 매체간의 평균 열전달률과 축방열비(= $\dot Q_{c.m}/\dot Q_{h.m}$)를 나타낸 것이다. 그리고 Table 5는 동시 축방열 과정동안 각 열매체의 열전달률에 대한 측정불확도를 나타낸 것이다. 그 결과, 고온수의 공급 온도가 상승함에 따라 모든 열매체의 평균 열전달률은 선형적으로 증가하였다. 하지만 축방열비는 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 고온수의 공급 온도가 상승하면 전체 열전달률이 증가하지만, 고온수와 저온수 사이의 열전달률($\dot Q_{c.m}$)이 고온수와 PCM 사이의 열전달률($\dot Q_{PCM.m}$) 보다 크게 증가함에 따라 축방열비가 점점 감소하는 데 따른 것으로 보인다. 물론 고온수 공급온도가 상승하면 열손실도 증가하지만 축열식 열교환기의 경우 열교환기 양쪽면의 PCM 층으로 인해 열손실이 미미할 것으로 판단된다.

3.4 고찰

일반적으로 대용량인 산업용 열펌프는 가동 개시 및 종료 과정에 주의가 필요한 시스템이다. 예열 과정 없이 열펌프를 가동할 경우 냉매의 액 압축에 의한 압축기 손상이 발생할 수 있다. 또한 시스템이 정상적으로 가동 중인 상태에서 갑작스런 열원의 공급 중단은 시스템의 심각한 손상을 유래할 수 있다. 따라서 산업 공정상에서 발생하는 폐열을 열펌프시스템의 열원으로 사용하기 위해서는 이러한 돌발 상황에 대처하기 위한 안전장치를 구비해야 한다. 축열식 열교환기는 이와 같은 상황에 대비하기 위해 새롭게 고안된 열교환기이다. 열교환과 열저장 기능이 결합된 새로운 형태의 축열식 판형 열교환기는 기존 판형 열교환기와 형태와 구조는 유사하지만 내부에 축열이 가능한 PCM층을 포함하고 있다. PCM에 저장된 열에너지는 열펌프시스템에서 냉매의 액 압축을 방지할 뿐만 아니라 시스템의 예열과정을 단축할 수 있다. 또한 열펌프시스템이 정상으로 작동되는 과정에서 직면할 돌발 상황(열원 공급 중단)에서도 별도의 열에너지 공급 없이 시스템을 안정적으로 정지시킬 수 있다. 실험을 통해 확인하였듯이 3 kW급으로 제작된 시제품은 열교환기 내부에 충전된 PCM에 저장된 열에너지를 이용하여 고온수가 공급되지 않는 상태에서 저온수에 약 3 kW의 열에너지를 10분 동안 공급할 수 있는 보상능력을 나타내었다. 이를 통해 축열식 열교환기의 설계 목적에 맞는 기능을 확인하였으며 축열식 열교환기의 용량을 증가시켜 열에너지 저장 능력을 향상시킨다면 돌발 상황에 대처하는 능력도 증가할 것으로 판단된다.

또한 시제품으로 제작된 실험실 규모의 축열식 판형 열교환기를 이용한 열전달 실험에서 측정된 각 열매체의 단위면적당 열전달률(최소 qc,m = 1.835 kW/m$^{2}$)과 축방열비(약 70%)를 기준으로 실용량의 축열식 판형 열교환기의 전열면적 산출과 축열량 예측이 가능해졌다.