기호설명

1. 서 론

산업 공정에서 폐열을 회수하여 에너지를 재활용^(1,2)하려 할 때, 열원은 종종 오염된 공기이며, 표면 온도가 노점온도 이하일 경우 열회수 과정에서 응축수가 발생할 수 있다. 이 조건은 오염물질의 응결/축적, 미생물 성장, 그리고 부식을 유발하므로 Fouling에 취약하게 만든다. 기존의 핀-튜브(Fin-tube) 열교환기는 오염되고 습한 공기로 인한 Fouling에 취약하며, 이를 방지하기 위해 핀 구조를 단순화하면 열교환 성능이 저하되는 한계가 있다. 반면, 필로우 플레이트(Pillow-plate) 열교환기는 오염 저항성이 높고 유지보수가 용이하며, 확장된 표면이 아닌 단일 플레이트를 통해 두 유체가 열을 교환하므로 우수한 열전달 성능을 제공한다. 또한, 구조가 단순하여 세척이 용이하고 응축수 배출이 원활하다.

필로우 플레이트 열교환기는 다양한 분야의 조건에서 연구들이 수행되었으나 고온다습한 환경에서의 성능 평가에 대한 연구는 거의 없다. Goedecke and Scholl⁽³⁾은 열사이펀 Reboiler용 필로우 플레이트 열교환기를 연구하였고 물과 글리세롤 등으로 실험하여 제안한 열수력학적 모델이 잘 일치함을 보였다. Mitrovic and Peterson⁽⁴⁾은 식품과 제지산업을 위한 열전달 장치로 필로우 플레이트 열교환기가 개발되었으나 아직도 내/외부 유동 및 열전달에 관한 연구가 부족하다고 주장하였다. 그들은 이소프로판올, 물, 말로테르름 오일 등을 작동 유체로 하여 실험하였고 플레이트 외측에서 이소프로판올 증기가 응축될 때의 열전달계수 및 압력강하 상관식을 제안하였다. Tran et al.⁽⁵⁾은 증류 장비에 대한 조건에서 물, 클로로벤젠으로 열전달, 압력강하, 기하학적 변수의 상관관계를 조사하였다. Arsenyeva et al.⁽⁶⁾은 건공기와 물을 사용하여 필로우 플레이트 열교환기의 열전달계수와 마찰계수에 대한 상관식을 제안하였다. Selvens et al.⁽⁷⁾은 냉열 에너지 저장 장치 조건에서 상변화물질(Ice/water)과 이산화탄소를 사용하는 필로우 플레이트 열교환기를 실험적으로 조사하였다. 그들은 에너지 저장 및 방출 속도를 조사하고 냉매 증발 온도가 에너지 저장 속도에 가장 중요한 파라미터라고 평가하였다. 상기와 같이 필로우 플레이트 열교환기에 관한 여러 연구가 수행되었으나 각 연구의 적용 설비와 조건이 상이하며 사용된 작동 유체도 매우 다양하다. 또한 공기를 사용한 연구가 일부 있으나 건공기로 실험한 연구이며 상변화가 발생하는 습공기에 대한 연구는 찾지 못하였다.

본 연구에서는 공기 중 수분의 응축이 발생하는 조건에서 필로우 플레이트 열교환기의 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 구축하였다. 다양한 운전 조건에서 열전달 성능이 평가되었고 잠열과 현열의 관계가 조사되었다. 이를 통해 습공기 환경에서 필로우 플레이트 열교환기의 열전달 메커니즘을 이해하고, 설계기준 정립에 기여하는 것을 목적으로 한다.

2. 실험장치 및 방법

고온다습한 조건에서 일관성 있는 성능평가 결과를 취득하기 위해서는 습도의 제어와 상당한 잠열을 가지고 있는 응축수의 거동에 대해 면밀히 고려해야 한다. 증기 가습방법을 채택하여 위생적이고 균일한 가습이 되도록 하였고 이 방법은 에너지 소비가 크므로 Fig. 1처럼 폐루프를 구성하여 공기가 순환하도록 하였다. 공기는 열교환기 시험부를 통과하면서 온도와 절대습도가 낮아지고 히터와 가습기를 지나며 가열 및 가습 되어 다시 열교환기 시험부로 들어간다. 그리고 고온다습한 공기는 열교환기뿐 아니라 비교적 높은 온도의 표면에서도 응축될 수 있다. 예기치 않은 곳에서 응축이 발생하면 시험의 일관성이 떨어지고 장비의 고장이나 부식을 발생시킨다. 그러므로 시험 준비 단계에서 95℃의 건공기로 공기 라인을 건조시킨 후 본 실험을 진행하였다. 열교환기에서 발생한 응축수는 출구 측의 하단에 모여 드레인 라인으로 배출된다. 시험 시 정상 상태에 도달하면 Fig. 2의 우측과 같이 배출되는 응축수의 양을 약 20분간 측정하여 잠열 열전달률을 계측하였다. 냉수는 항온수조를 통해 일정한 온도와 유량으로 열교환기로 유입되도록 제어하였다.

제작된 시험용 필로우 플레이트 열교환기는 Fig. 3에 나타내었다. 실제 운전 환경과 유사하게 유동 간섭과 냉수 분배를 고려하기 위해 덕트 내에 10개의 플레이트가 배치되었고 두 개의 헤더를 설치하여 냉수가 각각의 플레이트에 유입 및 배출되도록 하였다. 덕트에 습공기가 흐르므로 필로우 플레이트 외측에는 뜨거운 습공기가 흐른다. 그리고 배관으로 냉수가 공급되며 헤더를 통과한 후 필로우 플레이트 내측을 흐른다. 필로우 플레이트는 하이드로포밍으로 성형되기 때문에 곡면구조를 가지게 된다. 이 곡면을 어떻게 고려하느냐에 따라 저자마다 면적과 부피가 다소 다를 수 있다. 본 문에서는 Piper et al.⁽⁸⁾에서 정의한 방법에 따라 수력직경, 단면적, 부피, 열전달면적 등을 고려하였다. 이 열교환기의 더 자세한 사양은 Table 1에 정리되어 있다.

열전달 특성을 파악하기 위해 다양한 운전 조건에서 열전달 성능을 평가할 필요가 있다. 기준조건을 선정하고 각 운전 파라미터를 변경해 가며 성능을 평가하였다. 공기의 온도와 습도 조건으로는 제지공장에서 발생하는 폐열 조건을 참고하였다. 공기의 풍량은 다른 연구^(6,9)의 필로우 플레이트 외측 레이놀즈 수 범위를 참고하여 결정되었다. 폐열을 회수하여 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하는 시스템을 고려하여 물측 운전 조건을 결정하였다. 시험 조건에 대한 상세한 정보는 Table 2에 정리하였다.

Fig. 1 Schematic of the experimental apparatus for high temperature and high humidity conditions.

Fig. 2 Photographs of the constructed experimental apparatus.

Fig. 3 Photographs of the tested pillow-plate heat exchanger with flow path description (a: Photograph taken during the fabrication process, b: Close-up photograph of the heat exchanger, c: Photograph before installation into the test section, d: Description of the flow configuration⁽⁸⁾).

필로우 플레이트 열교환기의 열전달률은 플레이트 내측과 외측의 열전달률을 모두 계측한 후 식(1)과 같이 산술평균으로 구하였다. 냉수측의 열전달률은 식(2)와 같이 유량계의 값과 입출구의 온도차로 도출되며 공기측의 열전달률은 식(3)과 같이 수분이 응축되는 잠열과 습공기의 현열의 합으로 도출된다. 취득된 데이터의 신뢰성을 확인하기 위해 기준조건에서 수행된 실험 결과로부터 실험오차를 평가하였다. 온도, 습도, 유량, 열전달률 등에 대한 실험오차는 Table 3에 정리되어 있다. 냉수측과 공기측의 히트발란스는 평균적으로 4.3%의 오차로 잘 일치하였다.

추가적으로 유동 구조 및 상변화 거동을 직관적으로 관찰하고 열전달 메커니즘을 더 상세히 이해하기 위해 가시화 실험을 수행하였다. 정상 상태에 도달하고 데이터를 취득한 후에 내시경 카메라를 열교환기 출구 측에 삽입하여 응축수의 거동을 관찰하였다. 이 내시경 카메라는 방수기능이 있고 영상 촬영 시 1,280 × 720 pixel의 해상도, 2~15 cm의 초점거리를 가지고 있다.

3. 결과 및 토론

기준조건에서 응축수 거동의 모습은 Fig. 4에 나타나 있다. 전형적인 액적응축 현상이 나타났으며 액적이 커져 떨어질 때 표면과 분리되어 흐르는 액적은 관찰되지 않았고 모두 표면을 따라 액적이 흘러내렸다. 표면이 친수성 특성을 띠어, 액적이 흘러내린 직후 일시적인 수막 흔적이 관찰되었다. 그리고 모든 실험 조건에서, 습공기의 국부적인 과포화로 인한 안개 형성이나 액적의 공기흐름 동반 유동 현상은 발생하지 않았다.

열전달률 평가 실험은 기준조건에서 운전 파라미터를 변경해 가며 수행되었다. Fig. 5와 Fig. 6은 각각 공기측과 물측의 운전 조건 변경에 따른 열전달률의 변화를 보여주고 있다. 기준조건에서 열전달률은 약 4,580 W로 측정되었으며 운전 조건에 따라 대략적으로 1,792 W에서 6,108 W까지 변하였다. 여러 운전 파라미터들은 스케일, 단위, 차원이 다르기 때문에 각각의 영향도가 서로 동등하게 비교되기 어렵다. 각 파라미터들의 변화율($r$)은 기준 조건의 값으로 무차원 화하여 정의되었다. 그리고 열전달률에 온도차가 직접적으로 영향을 주고 상대습도는 이미 무차원이므로 식(4)와 같이 각 파라미터의 변화율을 정의하였다.

공기측 운전 조건에서 상대습도에 의한 열전달률 변화율이 온도나 풍량에 의한 것보다 크게 나타났다. 예를 들어 공기측 풍량이 400 m³/h에서 200 m³/h과 600 m³/h으로 -50%, 50% 증감할 때, 열전달률은 -26.4%, +24.9% 증감한다. 그러면 풍량 변화율 1%당 열전달률 변화율($r_{Q_{hx}}/r_{V_{air}}$)은 0.513으로 도출된다. 마찬가지로 온도와 습도 변화에 의한 열전달률 변화율은 각각 2.52, 4.01으로 평가되었다. 물측 운전 조건에서는 냉수 온도에 의한 열전달률 변화율이 냉수 유량에 의한 것보다 다소 크게 나타났다. 냉수 유량 변화율 1%당 열전달률 변화율($r_{Q_{hx}}/r_{V_{cw}}$)은 0.350이었고, 냉수 온도 변화율 1%당 열전달률 변화율($r_{Q_{hx}}/r_{V_{cw}}$)은 1.15로 평가되었다. 또한 위의 결과에서 물측의 온도, 유량이 공기측의 온도, 유량보다 영향이 적음을 알 수 있다. 공기측 수분의 응축에 의한 잠열 전달이 주요 열전달 메커니즘이기 때문에 공기측 수분 함유량을 변화시키는 공기측 온도와 풍량이 물측의 파라미터들보다 열전달률에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 추가로 다른 운전 조건과 열전달률은 정비례 관계가 나타났으나 물측 온도의 경우, 온도가 증가하면 두 유체의 온도차가 감소함에 따라 열전달률이 감소하는 반비례 관계가 나타났다.

Fig. 5와 Fig. 6의 각 그래프의 하단에는 각 실험 조건에서의 열전달률에서 잠열이 차지하는 비율을 나타내었다. 여기서 잠열은 식(3) 우측의 첫 번째 항을 의미한다. 현재 실험 조건 범위에서 유량과 습도를 변경하여도 잠열의 비율이 약 94%에서 유의미하게 변화되지 않았다. 그러나 공기측이나 물측 입구 온도를 변경하였을 때 잠열의 비율이 다소 증감하는 것으로 나타났다. 특히 공기측 입구 온도가 70℃이면 기준조건보다 현열이 차지하는 비중이 약 28% 감소하였다.

Fig. 4 Observed condensate behavior at the outlet side of the heat exchanger.

Fig. 5 Heat transfer variation with air-side operating conditions.

Fig. 6 Heat transfer variation with cooling water-side operating conditions.

4. 결 론

본 연구에서는 습도를 고려하고 응축수가 발생하는 조건에서 필로우 플레이트 열교환기의 성능을 평가할 수 있는 실험장치를 구축하였다. 다수의 필로우 플레이트와 덕트 및 메뉴폴드를 가지고 열교환기 시제품을 제작하고 평가하였다. 공기측 운전 조건에서 상대습도에 의한 열전달률 변화율이 입구온도나 풍량에 의한 것보다 크게 나타났다. 물측 운전 조건에서는 공기측에 비해 변화율이 작으나 냉수 온도에 의한 열전달률 변화율이 냉수 유량에 의한 것보다 크게 나타났다. 공기측 수분의 응축에 의한 잠열 전달이 주요 열전달 매커니즘이기 때문에 공기측 수분 함유량을 변화시키는 공기측 온도와 풍량이 물측의 파라미터들보다 열전달률에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 유량과 습도를 변경하여도 총열량에서 잠열이 차지하는 비율은 약 94%에서 유의미하게 변화되지 않았다. 그러나 공기측이나 물측 입구 온도를 변경하였을 때 잠열의 비율이 다소 증감하는 것으로 나타났다.