박지호
(Ji Ho Park)
1
강율호
(Yul Ho Kang)
2
신동현
(Dong Hyun Shin)
1
성효경
(Hyo Kyung Sung)
3
안영철
(Young Chull Ahn)
4†
-
부산대학교 건축공학과 석사과정
(Master Course, Department of Architectural Engineering, Pusan National University,
Busan, 46241, Korea)
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부산대학교 생산기술연구소 연구교수
(Research Professor, Research Institute of Industrial Technology, Pusan National University,
Busan, 46241, Korea)
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부산대학교 건축공학과 학부과정
(Undergraduate Student, Department of Architectural Engineering, Pusan National University,
Busan, 46241, Korea)
-
부산대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan,
46241, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
세정 성능, 핀튜브형 열교환기, 파울링, 열교환 성능, 압력강하
Key words
Cleaning performance, Finned-tube heat exchanger, Fouling, Heat transfer performance, Pressure drop
기호설명
$C_{o}$ ：
분진농도 [g/m3]
$k$ ：
파울링 특성상수
$P$ ：
압력강하 [Pa]
$Q$ ：
냉방능력 [kcal/hr]
$R$ ：
열저항 [m2K/W]
$t$ ：
파울링 시간 [min]
$V$ ：
열교환기 통과 유속 [m/sec]
하첨자
$ft$ ：
시간에 따른 파울링 특성
$f_{\infty}$ ：
포화 시 파울링특성
1. 서 론
도시화 및 교통량 증가 등으로 인해 심화된 기후변화와 대기오염의 영향으로 공조설비는 현대 사회에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 특히 전기에너지원으로
구동되어 재생에너지의 적용이 용이하고, 컴팩트한 시스템으로서 설치와 운전조작이 용이한 EHP(Electric Heat Pump) 시스템의 수요와 중요성이
증가하고 있다. 열교환기는 EHP 시스템의 핵심요소로서 초기 전열성능을 유지하기 위해서는 지속적인 유지관리가 요구된다. 실내기의 경우, 먼지나 곰팡이
등 오염물질이 필터와 열교환기에 축적되면 냄새나 육안으로 쉽게 알아차릴 수 있으므로 사용자의 민감도에 따라 주기적인 청소가 가능하다. 그러나 실외기의
경우 사용자 개인의 관능으로 오염을 판단하는 데에는 한계가 있으므로 유지관리의 중요성이 간과되는 경우가 많다. 또한, 외부의 극단적인 환경에서 장기간
노출되는 경우 열교환기 공기측 표면의 파울링으로 인해 열교환 면적의 급격한 감소와 열저항 증가에 따른 전열 성능의 저하가 발생하게 된다.(1) 공기측 파울링은 열교환기 표면에 바람직하지 않은 고체퇴적물이 적층 됨에 따라 발생하게 되며(2), 그에 따라 열교환기 전․후단에서의 압력강하가 증가하며 열교환을 위한 전력 소비량 또한 증가하게 된다.
따라서, 실외기의 열교환기에 퇴적물 적층으로 인한 압력강하가 급격하게 증가하기 전 적시에 주기적으로 열교환기를 세정하여 파울링을 효과적으로 관리할
필요가 있다. 그러나, 세정 이후 열교환기 표면 잔류입자와 추가적으로 부착되는 입자의 응집현상이 기류의 흐름을 더 크게 방해하는 요소로 작용할 수
있으며, 열교환기의 핀 유형에 따라서 그 특성에 차이가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 세정 및 건조 과정이 동반된 파울링 가속 실험을 반복적으로 수행하여 핀튜브형 열교환기의 핀 간격과 형상에 따른 압력강하 특성과 세정
성능 특성을 분석하였다.
2. 선행연구 분석
Epstein(3)은 열교환기 표면에 입자가 침착됨에 따라 열저항이 변화하는 거동에 대해 그 형태를 직선, 감속곡선, 점근곡선, 톱니형 곡선으로 구분하였다. Ahn
et al.(4)은 공조용 열교환기에서 발생하는 파울링의 경우 점근곡선의 형태와 가까우며, 파울링의 진행에 따라 전단력의 증가로 탈리와 부착이 평형을 이루어 일정
값에서 열저항이 수렴하는 특성을 확인하였다. Kern and Seaton(5)은 점근곡선 형태의 열저항을 Table 1의 식(1)과 같이 설명하였으며, 열저항이 전열 표면의 입자 부착 두께에 비례하고 압력손실에도 비례하기 때문에, 열저항의 변화를 통해 압력손실의 변화도 예측할
수 있다고 제안하였다. 또한, Ahn and Lee(6)는 식(1)을 보완하여 파울링 초기 지연 구간을 포함해 압력손실 변화를 예측할 수 있는 모델을 식(2)와 같이 제시하였고, 열교환기의 압력손실 증가에 대한 냉방 능력 저하를 식(3)과 같은 관계로 나타내었다. Bell and Groll(7)은 Ashrae Standard Dust와 Arizona Test Dust를 이용하여 마이크로채널 열교환기와 핀튜브형 열교환기를 대상으로 파울링 가속
실험을 수행한 결과, 마이크로채널 열교환기에서 압력강하 및 열전달 성능저하가 더 크게 나타남을 확인하였다. Lankinen et al.(8)은 Ashrare Standard Dust로 파울링이 형성된 경우, 전체 열전달 계수는 최대 18% 감소하고 공기측 압력강하는 약 200% 증가함을
확인하였다. 이러한 연구들은 주로 파울링이 공조용 열교환기 시스템의 효율에 미치는 영향에만 초점을 맞추고 있다. 최근에는 열교환기에 발생하는 스케일에
의한 파울링을 저감 하기 위한 세정 방법에 대한 연구도 일부 수행되었으나(9,10), 판형 열교환기와 같이 냉각수를 사용하는 수냉식 열교환기를 대상으로 이루어진 연구가 대부분이며, 실제 공조용 에어컨에 널리 사용되는 핀튜브형 열교환기를
대상으로 공기측 미립자 파울링에 대한 세정 효과를 분석한 연구는 부족하다.
이러한 배경에서 Pak et al.(11)은 2열 22 FPI의 Plane 핀튜브형 열교환기에 분진 300 g을 3시간 분사하여 파울링을 가속하고 10분간 세정할 때, 파울링에 의해 압력강하가
초기 대비 23% 증가하고, 세정 후 압력강하가 초기 대비 1% 높은 수준으로 회복되는 것을 확인하였다. 그러나 실제 현장에서는 열교환기가 여러 차례의
파울링과 세정 사이클을 거치게 되며, 그에 따라 압력강하 및 세정 효율에 누적적인 영향이 발생할 수 있다.
본 연구에서는 파울링 가속, 세정, 그리고 송풍 건조 과정을 세 번 반복하여 핀튜브형 열교환기의 압력강하 변화를 단계적으로 분석하였다. 이를 통해
세정 조건에서 반복적인 파울링 가속이 열교환기의 성능저하에 미치는 영향을 규명하고, 반복 세정에 따른 회복력(Resilience)을 분석하는 것을
목적으로 하였다.
Table 1 Equations from previous studies
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References
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Formula
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Kern and Seaton(5)
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$R_{ft}= R_{f\infty}(1-e^{-kt})$
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(1)
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Ahn and Lee(6)
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$\Delta P_{ft}=(64-376.84e^{-4V})\times(1-1.25e^{-9.38\times 10^{-4}\times C_{o}^{t}})$
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(2)
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$\Delta Q= -0.35\Delta P_{ft}$
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(3)
|
3. 연구방법
3.1 실험 장치
낮은 농도의 대기 분진에 장기간 노출되어 형성되는 열교환기의 공기측 파울링을 단기간에 모사하기 위해 파울링 가속장치를 설계하였다. 파울링 가속장치는
열교환기를 제외한 부분에서의 분진 침착을 최소화하기 위해 Fig. 1과 같이 수직 덕트형으로 구축하였다. 수직 덕트 중앙부에 열교환기를 유격 없이 고정하였으며, 열교환기의 전단과 후단으로부터 동일한 거리의 덕트 벽면에
각각 네 개의 탭 홀을 균등하게 타공하고 Beck 930 차압센서를 연결하여 열교환기 전․후단 압력강하를 계측하였다. 계측값은 DAQ970A 데이터로거를
통해 1초 간격으로 기록하였다. 파울링 가속 이후 세정 과정을 수행하기 위해 열교환기 전면에 물이 분사되도록 40 mm 거리에 네 개의 노즐을 설치하였다.
실험에 사용된 핀튜브형 열교환기는 Fig. 2와 같이 핀 형상에 따라 Corrugated fin 열교환기와 Louvered fin 열교환기 두 가지를 사용하였다.
Ahn et al.(12)은 실공간에서 사용된 공조용 열교환기의 파울링 입자의 입경 분포를 분석하였으며, 실 용도에 따라서 6.6 ~ 20.9 ㎛의 크기로 분포함을 확인하였다.
본 연구에서도 유사한 입경 분포를 갖는 ISO 12103-1 A2 Fine Test Dust를 파울링 입자로 사용하였다.
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus.
Fig. 2 Plate shape of finned tube heat exchangers.
3.2 실험 조건
열교환기 전․후단 압력강하 측정 시 유속은 실제 열교환기가 운영되는 환경에서의 대류 열전달 특성과 압력강하를 반영하기 위하여 1.5 m/s으로 설정하였으며,
파울링 가속 시 분진농도는 기존 파울링 가속 연구에서 채택된 분진 농도를 참고하여 1.39 g/m3으로 설정하였다. 열교환기는 200×200×20 mm 크기의 시험편을 2중으로 겹쳐서 사용하였다. 파울링 가속은 60분 실시하였으며, 이후 분진 투입을
중단하여 0.9 l/min의 유량으로 10 분간 세정하였다. 세정 후 열교환기의 잔류 수분이 충분히 증발하도록 파울링 가속 조건과 동일한 유속으로
30분간 송풍 건조하였다. 이러한 파울링 가속-세정-송풍 건조의 과정을 열교환기 운전 중 반복적으로 세정 및 건조가 이루어지는 실제 유지관리 환경을
반영하기 위해 연속 3 회 반복 실시하여 열교환기 전․후단에서의 압력강하를 측정하였다. 차압계를 이용하여 계측한 압력강하는 데이터 로거를 통해 1초
간격으로 기록하였으며, 열교환기의 복잡한 구조로 인해 불규칙적으로 발생하는 미세한 노이즈를 보완하기 위해 압력강하 값을 1분 간격으로 부분 평균하였다.
이후 동일 유속, 분진농도 조건에서 열교환기의 초기 대비 압력강하 증가율을 핀 간격과 핀 형상에 따라 비교 분석하였다. 구체적인 분석 조건은 Table 2에 나타내었다.
Table 2 Criteria for comparative analysis
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Case No.
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Parameter
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Comparison target samples
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Corrugated fin
16 FPI
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Corrugated fin
17 FPI
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Louvered fin
17 FPI
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Case 1
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Fin pitch
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○
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○
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-
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|
Case 2
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Fin shape
|
-
|
○
|
○
|
4. 실험결과
4.1 열교환기 핀 간격에 따른 압력강하
수직형 장치에서는 파울링 가속이 진행될 때, 덕트 벽면에 부착된 분진이 중력에 의해 탈리되어 열교환기 표면에 하강하고, 특정 구역에 집중적인 파울링이
발생할 수 있다. 그에 따라 압력강하가 순간적으로 급격히 증가하는 현상이 나타나는데, 이러한 현상은 핀 간격과 형상에 관계없이 발생하므로, 전반적인
압력강하 증가율의 변화 양상은 불규칙한 형태를 보인다. 또한, 세정 시 물이 중력 방향으로 흐르기 때문에 핀 형상에 따른 물 구배 차이에 의해 세정
성능 차이가 발생할 수 있다. 사이클의 반복은 파울링 입자의 완전 제거나 특정 압력강하 도달 시점이 아닌 30분 송풍 건조 이후에 수행되므로 직전
사이클의 세정 과정 이후 형성되는 표면 잔류입자의 영향이 후속 사이클에 영향을 미칠 수 있다. Fig. 3은 동일한 Corrugated fin 형상의 열교환기에서 핀 간격이 16 FPI와 17 FPI일 때의 파울링 가속 및 세정 반복 실험 결과를 나타내고
있다.
첫 번째 사이클에서는 파울링 가속 초기에 Corrugated fin 16 FPI와 17 FPI 열교환기 모두 유사한 압력강하 증가 양상을 보였다.
이후 50분경과 시점에 압력강하가 급격하게 증가하였으며, 파울링 가속 종료 시점에서 압력강하는 16 FPI에서 초기 대비 2.69배, 17 FPI에서
4.42배 증가하였다. 세정 및 송풍 건조 후, 두 열교환기의 압력강하가 각각 1.21배로 유사하게 회복되었다.
두 번째 사이클에서도 두 열교환기의 압력강하가 유사한 경향을 보이다가 파울링 가속 50분 시점에 마찬가지로 압력강하가 급격히 증가하였다. 파울링 가속
종료 시 16 FPI의 압력강하는 초기 대비 3.79배, 17 FPI는 7.83배로 증가하였다. 세정 및 송풍 건조 이후 각각 1.43배, 1.42배의
유사한 수준으로 회복되었으나, 반복된 세정 과정에 따른 표면 잔류입자의 누적에 의해 첫 번째 사이클보다 압력강하 회복률이 다소 저하되었다.
세 번째 사이클에서는 파울링 가속 20분경과 시점부터 17 FPI 열교환기의 압력강하가 점진적으로 증가하였으며, 50분경과 시점에 급격히 증가하였다.
파울링 가속 종료 시 각각 16 FPI에서는 초기 대비 5.06배, 17 FPI에서는 8.60배까지 압력강하가 증가하였다. 세정 및 송풍 건조 후
압력강하는 16 FPI는 1.58배, 17 FPI는 2.58배 수준으로 압력강하가 회복되었다.
Fig. 3 Pressure drop increase rate based on the fin pitch of the heat exchanger.
4.2 열교환기 핀 형상에 따른 압력강하
Fig. 4는 17 FPI 핀 간격을 가진 Louvered fin과 Corrugated fin 열교환기의 파울링 가속 및 세정 반복 실험 결과를 비교한 것이다.
첫 번째 사이클에서 파울링 가속 초기에 Louvered fin 열교환기는 Corrugated fin 열교환기 대비 상대적으로 압력강하 증가율이 높은
수준으로 유지되다가, 50분 이후 두 열교환기의 압력강하가 급격하게 증가하였다. 파울링 가속 종료 시점에서 Louvered fin 열교환기의 압력강하는
초기 대비 2.99배 증가했으며, 이는 Corrugated fin 열교환기의 압력강하 증가율(4.42배)보다 낮은 수준이다. 그러나 세정 및 송풍
건조 후 Louvered fin 열교환기의 압력강하 증가율은 초기 대비 1.55배로, Corrugated fin 열교환기(1.21배)와 비교했을 때
압력강하의 회복 정도가 다소 미미했다.
두 번째 사이클에서도 파울링 가속 초기에는 Louvered fin 열교환기의 압력강하 증가율이 더 높게 유지되었으나, 파울링 가속 종료 시점에서 Louvered
fin 열교환기의 압력강하는 초기 대비 3.99배로 Corrugated fin 열교환기 증가율(7.83배)보다 낮게 나타났다. 세정 및 송풍 건조
후에는 Louvered fin 열교환기의 압력강하가 초기 대비 1.78배로, Corrugated fin 열교환기(1.42배)에 비해 낮은 압력강하
회복률을 보였으며, 잔류입자의 영향으로 첫 번째 사이클 대비 회복률이 다소 저하되었다.
세 번째 사이클에서 파울링 가속 종료 시 Louvered fin 열교환기의 압력강하는 초기 대비 5.30배까지 증가하였으며, 앞선 사이클과 마찬가지로
Corrugated fin 열교환기(8.60배)보다 적은 증가 폭을 보였다. 세정 및 송풍 건조 후 압력강하는 초기 대비 2.83배로, Corrugated
fin 열교환기(2.58배)에 비해 높은 수준에서 수렴하였다.
Fig. 4 Pressure drop increase rate based on the fin shape of the heat exchanger.
4.3 고 찰
Fig. 5 (a)와 Fig. 5 (b)는 각각 실험 과정에서 관찰된 Corrugated fin 열교환기와 Louvered fin 열교환기의 형상별 분진 부착 양상을 나타낸 것이다. 1단계는
침착(Deposition) 단계로, 공기 중의 분진 입자가 열교환기 표면에 도달하여 초기 부착이 이루어진다. 이 단계에서는 공기흐름을 따라 분진이
열교환기를 통과하면서 소량의 입자가 핀 표면에 부착된다. 2단계는 축적(Accumulation) 단계로, 시간이 지남에 따라 더 많은 입자가 부착되면서
표면에 쌓이는 입자의 양이 증가하여 핀 사이의 공간이 서서히 줄어들고, 열교환기 전․후단에서의 압력강하가 점차 증가하게 된다. 3단계는 Bulk fouling
단계로, 임계점 이후에 대부분의 입자가 열교환기에 부착되기 시작한다. 이 단계에서 압력강하가 빠르게 증가하게 된다. 4.1과 4.2절의 결과에 의하면
실험에 사용된 핀튜브형 열교환기는 핀의 간격과 형상에 관계없이 매 사이클에서 공통적으로 파울링 가속 50분 시점에 급격한 압력강하의 증가를 확인할
수 있었다. 이를 통해 분진이 농도 1.39 g/m3 조건에서 250 g 투입될 때 Bulk fouling이 발생하는 것으로 판단된다.
핀 간격의 관점에서는 17 FPI 열교환기가 촘촘한 핀의 구조적 특성으로 인해 파울링 입자가 핀 사이에 더 쉽게 축적되어 16 FPI 열교환기에 비해
Bulk fouling 단계에 빠르게 도달하는 것으로 판단된다. 또한, 17 FPI 열교환기의 경우 사이클을 반복할수록 세정 후 압력강하 회복률이
서서히 감소하며, 세 번째 사이클에서 현저하게 나타났다. 이는 반복적인 세정을 실시하더라도 일부 파울링이 완전히 제거되지 않고, 표면 잔류입자들이
추가로 부착되는 입자와 응집되며 형성된 분진 덩어리가 좁은 핀 사이에 집적되어 기류의 흐름을 더 크게 방해하기 때문이다.
핀 형상의 관점에서는 Louvered fin 열교환기가 파울링 가속 초기에 Fig. 5 (b)의 축적 단계에서 Louver가 우선적으로 막혀 Corrugated fin 열교환기보다 높은 수준의 압력강하 증가율을 유지하는 것으로 나타났다. 이후
난류 유동을 유도하는 Louver의 영향이 감소하여 Corrugated fin 열교환기에 비해 분진의 축적이 적게 진행되었다. 그 결과 매 사이클에서
파울링 가속 종료 시 압력강하 증가율은 Corrugated fin 열교환기가 Louvered fin 열교환기보다 높은 수치를 보였다. Louvered
fin 열교환기는 세정 및 송풍 건조 이후에도 Louver 사이의 분진 응집체가 잔류하기 때문에 Corrugated fin 열교환기보다 압력강하가
적게 회복된 것으로 판단된다.
Fig. 5 The fouling formation process in heat exchangers.
5. 결 론
본 연구에서는 핀튜브형 열교환기의 핀 간격과 형상에 따른 파울링 특성 및 반복 세정 성능을 분석하였다. 핀 간격 관점에서는 동일한 Corrugated
fin 형상의 열교환기에서 핀 간격에 따라 16 FPI와 17 FPI를 비교 분석하였으며, 핀 형상의 경우 17 FPI 핀 간격을 가진 Louvered
fin과 Corrugated fin 열교환기를 비교 분석하였다. 주요 실험 결과는 다음과 같다.
(1) 16 FPI와 17 FPI Corrugated fin 열교환기를 비교한 결과, 핀 간격이 좁을수록 파울링 가속 후 압력강하가 더 크게 증가하였다.
첫 번째 사이클에서 16 FPI는 2.69배, 17 FPI는 4.42배로 압력강하가 증가했으며, 세 번째 사이클에서는 각각 5.06배, 8.60배로
증가하였다.
(2) 초기에는 16 FPI와 17 FPI 모두 유사한 회복률을 보였으나, 반복적인 세정 과정에 따라 점차 회복률이 감소하였다. 첫 번째 사이클에서는
두 열교환기 모두 1.21배로 회복되었지만, 세 번째 사이클에서는 각각 1.58배와 2.58배로 회복률이 저하되었다.
(3) Louvered fin 열교환기는 파울링 초기 단계에서 Corrugated fin 열교환기보다 압력강하가 더 빨리 증가했으나, 파울링 가속
종료 시점에서는 Corrugated fin 열교환기가 더 큰 증가율을 보였다.
(4) 세정 후 압력강하 회복률은 Louver 사이의 잔여 분진 응집체로 인해 Louvered fin 열교환기가 Corrugated fin 열교환기에
비해 더 낮게 나타났다. 첫 번째 사이클에서 Louvered fin 열교환기는 세정 후 1.55배로 회복된 반면, Corrugated fin 열교환기는
1.21배로 더 큰 회복을 보였다. 세 번째 사이클에서는 Louvered fin 열교환기가 2.83배로 회복되었으나, Corrugated fin 열교환기는
2.58배로 비교적 낮은 압력강하 증가율을 보였다.
(5) 실험에 사용된 핀튜브형 열교환기의 핀 간격과 형상에 관계없이 파울링 가속과 세정 및 송풍 건조를 동반한 사이클이 반복 수행됨에 따라 표면 잔류입자들이
추가로 부착되는 입자와 응집체를 형성하여 압력강하가 점차 증가하였으며, 세 번째 사이클에서 압력강하 증가 양상이 두드러지게 나타났다.
본 연구의 결과에 따르면 동일한 핀 간격에서도 핀 형상에 따라 세정 후 압력강하 회복 특성에 차이가 발생하므로 잔류입자 제거와 물 빠짐 성능까지 고려한
핀 형상 설계가 필요할 것으로 생각된다.