기호설명

Greek

하첨자

1. 연구배경 및 목적

버퍼탱크(Buffer tank)는 냉난방 및 에너지 저장 시스템에서 부하 변동을 흡수하고, 안정적인 공급을 보장하는 핵심 장치이다. 특히, 냉동기 고장, 정전, 유지보수 등 비상 상황에서 일정 시간 동안 냉온수를 공급하여 시스템을 보호하는 역할을 수행한다. 데이터센터와 같은 민감한 시설에서는 백업 전원이 가동되기까지 약 5 min간 냉각수 공급을 유지해야 하므로, 버퍼탱크의 역할은 더욱 중요하다. 실무적으로도 Soomro et al.⁽¹⁾와 Thermal Control Business(TCBU)⁽²⁾은 버퍼탱크의 3대 기능과 데이터센터 비상 대응 사례를 제시하며, 실제 적용에서 비상 시간 확보가 가장 중요한 설계 목적임을 강조하고 있다. 버퍼탱크의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중 하나는 열성층화(Thermal stratification)이다. 고온수와 저온수가 명확히 층상으로 분리되면 혼합 손실이 줄어들고, 결과적으로 축열 및 방출 효율이 크게 향상된다. 그러나 실제 현장에서는 대유량 버퍼탱크를 설치해야 될 경우 설치공간의 제약으로 인해 수직형 버퍼탱크보다는 수평형 버퍼탱크가 많이 적용된다. 이는 수직형은 자연 부력에 의해 안정적인 성층이 형성되지만, 건물 기계실 층고(보통 5~6 m) 제약으로 대용량 적용이 어려운 조건이 많다. 반대로 수평형은 공간 활용성이 뛰어나 동일 체적을 낮은 높이에서 구현할 수 있으나, 자연 대류에 의한 성층화 효과가 상대적으로 떨어지고 혼합이 쉽게 발생한다. 이러한 문제를 개선하기 위해 많은 선행연구들이 진행되어 왔다. Bahnfleth et al.⁽³⁾은 슬롯 파이프 디퓨저(Slotted pipe diffuser)를 적용한 냉수 저장조에서 입출구 구조가 성층화 형성에 결정적임을 보고하였으며, Musser and Bahnfleth⁽⁴⁾은 네 개의 실규모 원통형 축열조를 현장 계측하여 실제 운전 조건에서도 성층화가 장기간 유지될 수 있음을 입증하였다. 또한 Song and Bahnfleth⁽⁵⁾은 단일 파이프 디퓨저의 성능을 파라메트릭 연구로 분석하며, 유입 유속, 탱크 형상비(Aspect ratio), 유입수 온도 차가 성층화 유지 시간에 직접적으로 작용하는 주요 변수임을 밝혔다. 최근 Cao et al.⁽⁶⁾은 디퓨저 균일 분배 성능을 새로운 지표로 제안하며, 성층화 유지와 엑서지 효율 향상 간의 밀접한 연계를 실험적으로 규명하였다. 한편 Karim et al.⁽⁷⁾은 냉․난방용 축열조의 성층화 특성을 해석하면서 유입 속도, 형상비, 입구와 탱크 온도 차가 성층 형성과 유지에 결정적임을 제시하였다. 특히 저 유속이면서 수직형 버퍼탱크에서 요구 운전시간 동안 안정적인 성층 형성이 가능하다는 점을 강조하였다. 또한 Xing et al.(8)은 다양한 입구 구조의 영향을 분석하며, 입구 위치와 노즐 배열 최적화가 수평 탱크에서 성층화 개선의 핵심임을 발표하였다.

이상의 선행연구들은 버퍼탱크의 요구 운전시간 동안 성층화 유지가 가능하도록 입출구 매니폴드 및 노즐 설계를 주요변수로 하여 충전 유량, 온도 차, 형상비에 따라 변화되는 층상현상을 분석하였다. 본 연구에서는 대용량 수평형 버퍼탱크에서 열성층화를 향상시키는 방안을 제시하기 위해, 고온수를 버퍼탱크로 공급하는 하나의 원통형 대형 노즐을 갖는 경우와 20개로 분산된 노즐을 갖는 두 조건을 가정하여 노즐에서 토출된 고온수가 버퍼탱크 내의 저온수와 혼합되는 현상을 분석하였다. 두 조건의 노즐은 모두 수평 버퍼탱크의 상부에 설치하였으며 20개로 분산된 고온수 분배 노즐은 루프형 매니폴드를 중심으로 십자(十字)형 배관을 연결하고 그 상부에 수직형 노즐을 설치하였다. 고온수를 분배시키는 노즐의 개수에 관계없이 버퍼 탱크하부에 균등한 저온수 유입을 위해 루프형 매니폴드의 하부에 20개의 집수 노즐을 설치하였다. 하나의 원통형 노즐과 20개의 분배 노즐에 의해 형성되는 층상유지 효과를 분석함으로써 수평형 버퍼탱크가 수직형에 비해 갖는 성층화 한계를 보완하고, 비상 운전시간 동안 성층화 유지가 가능한지를 규명하는 것을 본 연구의 주요 목적으로 하였다.

2. 연구방법

Fig. 1과 같은 형상은 갖는 본 연구대상인 수평형 버퍼탱크는 직경(높이) 3.5 m, 원통부 길이 6.3 m, 양쪽에 높이 0.875 m의 타원형 헤드를 갖고 있다. 전체 길이는 약 8.05 m이며 내부 체적은 약 72.6 m³이다. 이와 같이 대용량을 취급하는 버퍼탱크는 저장 체적이 커질수록 층상유동(Thermal stratification) 형성을 통한 효율적인 에너지 저장과 공급이 중요하다. 일반적으로 수직형 버퍼탱크는 고온수(Tsu = 29℃)와 저온수(TInit = 21℃)가 중력에 의해 안정적 열성층화 효과가 뛰어나지만, 수평형 버퍼탱크는 유체의 자연 대류에 의한 성층화 유지 능력이 상대적으로 떨어지기 때문에, 별도의 층상유지 전략이 필요하다. 본 연구 대상인 수평 버퍼탱크는 층상유동 현상을 분석하기 위해 Fig. 1(a)와 (c)에 묘사한 두 가지 고온수 공급 노즐 형상을 설치하였다. 즉, 하나는 Fig. 1(a)의 투시도와 같이 루프형 매니폴드에 균일한 유량배분을 위해 십자형 배관을 연결하고 그 상부에 짧은 수직관을 설치하여 그 상부에 20개의 분배 노즐로 고온수를 토출시는 방식(Case 2)이며 다른 하나는 Fig. 1(c)에 묘사된 것과 같이 Fig. 1(a)의 상부에 설치된 루프형 배관을 대체하여 고온수 유입관의 높이가 Fig. 1(a)와 동일한 단일 배관을 탱크 중심까지 설치하고 이와 연결된 단일 원통에 녹색으로 표현된 수평토출 환형 노즐(Case 1)을 설치한 조건이다. 탱크 하부에 설치되는 집수 매니폴드는 버퍼탱크 상부에서 고온수를 공급하는 노즐의 종류에 관계없이 Fig. 1(a)의 하부에 설치된 십자형 매니폴드 하부에 20개의 집수 노즐을 설치하였다. 특히 Case 2의 수평 루프형 매니폴드는 탱크 중심 상부에서 설치된 하나의 원통의 환형 노즐이 원주방향으로 360° 고온수를 분사하는 방식(Case 1)에 비해, 대류 혼합을 줄이고 층상유동을 보다 효과적으로 유지하기 위한 목적으로 고안되었다. 이러한 목적을 달성하기 위해 고온수 유입구는 노즐 설치조건에 관계없이 탱크 상부 2.65 m 높이에 위치시켰으며 상부의 분배 매니폴드와 하부의 집수 매니폴드 또한 동일한 관경(0.3 m)으로 구성하였다. 하부 노즐은 직경 0.2 m이며 바닥으로부터 0.4 m 높이에 배치되었다. 또한 상부 고온수 분배 노즐은 십자형 분배 매니폴드보다 0.4 m 높은 2.95 m 지점에 설치하였다. 원통형 단일 노즐의 수직면 중심 높이도 2.95 m로 가정하였다. Case 2의 고온수 분배 노즐 높이는 Case 1과 달리 상부로 토출되고 탱크 벽과 노즐사이의 짧은 이격거리로 인해 토출된 고온수가 원통면에서 얇은 경계층이 형성하는 부착(Coandă effect)현상을 고려하여 선정하였다. 원통형 노즐인 Case 1 조건의 토출유속은 Table 1과 같이 0.431 m/s이며 분산형 노즐을 설치한 Case 2의 경우 토출 유속이 0.256 m/s로 가정하였다. 원통형 노즐의 경우, 중앙 상부에서 분출되는 제트가 원통형 탱크의 반대편 끝단까지 도달하여 상부 전역에 온수를 균일하게 분포시키기 위해 상대적으로 높은 토출속도가 요구되었다. 이에 비해 매니폴드형 디퓨저는 다수의 분산 노즐을 통해 동일 유량이 분배되므로 낮은 속도에서도 안정적인 층상유동을 유지할 수 있었다.

Fig. 1 Section view of buffer tank for analysis.

3. 결과 및 고찰

본 연구는 데이터센터에 설치된 냉동기가 정전 등 다양한 이유로 정지되었을 때, 냉동기가 재기동하여 저온수를 공급할 수 있는 시간(300 s) 동안 서버로 저온수를 공급할 수 있도록 설치된 수평형 버퍼탱크에 고온수가 유입과정에서 층상구조화 된 후 혼합유동이 발생하는 정도를 분석하여 분배 노즐의 최적 설치높이를 제시하기 위해 수행되었다. Fig. 2, Fig. 3은 고온수 토출방식이 차이나는 Case 1, Case 2에서 Fr수가 각각 1.94, 1.15이고 디퓨저의 설치높이가 h = 2.95 m이고, 버퍼탱크로 29℃의 고온수가 600 s 동안 유입되는 과정에서 형성된 버퍼탱크 단면의 온도분포를 나타내고 있다. 노즐로 유입되는 고온수는 분배 매니폴트로 1.8513 m/s의 평균속도로 유입된 후, 노즐에서 토출되는 평균유속이 평균 0.431 m/s(Fig. 2), 0.256 m/s(Fig. 3)로 버퍼탱크 상부로 분배되어 토출되고 있다.

Fig. 2(a)-(d)는 중앙 상부 원통의 수직면에 토출노즐을 설치한 Case 1 조건으로 시간경과에 따른 탱크 단면 온도분포를 나타내고 있다. 고온수가 유입되는 초기인 time = 60 s는 상부에서 수평 제트가 형성되어 상부벽면을 따라 부착(Coanda effect)되며 얇은 고온층이 국부적으로 형성된다. 시간이 180 s까지 증가되면 제트의 관성 및 연행(Entrainment)으로 상․하층 경계가 아래로 굴절되고, 내부 재순환에 의한 혼합현상으로 온도구배가 둔화된다. 시간이 300 s에 도달하면 고온층과 저온층의 경계가 불명확해지며 수직 방향 혼합이 탱크 전역으로 확산되고 이러한 현상이 꾸준히 유지되어 600 s까지 시간이 경과되면 상․하부 온도차가 크게 감소하여 상․하층 경계(Thermocline)가 소멸되어 성층 구조가 사실상 붕괴하고 혼합 지배적 거동으로 전환됨을 확인할 수 있다. Fig. 3(a)-(d)은 십자형 배관으로 연결된 루프형 매니폴드의 상부에 20개의 노즐이 설치된 Case 2인 경우, 시간경과에 따른 탱크 단면 온도분포를 나타내고 있다. 고온수 유입이 60 s 경과되면 20개 분배노즐에서 상부 천장으로 저속으로 토출되므로 인해 Case 1보다 탱크 상부면에서 균일 고온층이 빠르게 형성되며, 하부 저온층과 명확히 분리된다. 경과시간이 180 s에 도달하면 상․하층 경계(Thermocline)가 뚜렷하고 거의 수평으로 유지되며, 하향 혼합과 재순환이 제한된다. 고온수가 유입되는 시간이 300 s 경과하여도 Case 1과 달리 고온층의 두께가 점진적으로 증가하지만 경계의 선명도는 유지되어 층상유동이 안정적으로 지속된다. 600 s를 경과하면 Case 1과는 달리 상부가 고온으로 포화되더라도 하부 저온층이 여전히 보전되어 하부에서 상하층 경계가 뚜렷이 유지된다. 결과적으로 Case 2와 같이 토출노즐을 버터탱크 상부에 20개로 분산하면 토출노즐의 제트 관성이 저감 되고 연행(Entrainment)을 억제하여 장기간 층상구조를 유지함을 확인할 수 있다.

Fig. 4는 시간이 600 s 동안 변화될 때 노즐의 설치방식에 따라 차이나는 버퍼탱크의 평균온도와 배출구 (Outlet)의 평균온도를 나타내고 있다. Case 1에 나타난 배출구와 버퍼탱크의 평균온도는 Fig. 4(a)와 같이 고온수 유입시간이 경과에 따라 모두 상승하는 유사한 추세를 보이면서 두 온도 간 차이가 상대적으로 좁게 유지되는 특성을 나타내었다. 이는 탱크 내부 전역에서 열이 비교적 균일하게 분포하며, 성층 구조보다는 혼합이 강화되는 경향이 우세함을 의미한다. 반면, Case 2에 나타난 출구와 탱크 평균온도는 Fig. 4(b)와 같이 배출구 온도는 Case 1과 350 s 까지는 낮은 수준에서 완만히 증가하는 반면, 탱크 평균온도는 꾸준히 상승하여 두 온도 간의 차이가 점차 확대되는 양상을 나타내고 있다. 이는 탱크 내부 상부에 축적된 고온수와 하부 영역에 잔류하는 상대적으로 저온의 유체가 뚜렷한 온도구배를 형성하며, 층상구조가 장기간 안정적으로 유지되고 있음을 보여준다. 종합적으로 시간 변화에 따른 층상구조 형성을 평가하면, Case 2가 Case 1에 비해 열적 성층이 뚜렷하고 혼합 억제가 효과적으로 이루어져 버퍼탱크 내에서 보다 안정적인 층상유동 유지에 유리한 조건임을 확인할 수 있다. Fig. 5는 노즐의 설치방식에 따라 차이 나는 혼합지수(MI) 변화를 나타내고 있다. Case 1의 경우 Fig. 5(a)와 같이 배출구와 버퍼탱크의 평균온도 차이가 크지 않았던 Fig. 4(a)의 결과와 일치하게 혼합지수 또한 초기 약 0.6 수준에서 250 s 경과하면 0.43까지 점차 감소한 뒤 다시 상승하는 U자형 경향을 나타냈다. 이는 고온수 유입 초기인 230 s 까지 일시적으로 층상구조가 형성되지만, 탱크 전역에 걸친 저온수와 고온수의 혼합작용으로 열적 균일화가 빠르게 진행되었기 때문이다. 다시 말해, Case 1에서 설치된 토출노즐은 층상구조가 안정적으로 유지되지 못하고 혼합현상이 지배적으로 발생하는 거동으로 전환되는 특징을 가진다.

반면, Case 2의 혼합지수는 Fig. 4(b)에서 확인된 뚜렷한 온도구배 영향으로 초기 약 0.63 수준에서 빠르게 감소하여 250 s 경과하면 0.3대까지 떨어진 후 370 s까지 0.4 이하의 혼합지수를 유지하다가, 일정 시간이 지난 후 완만히 증가하는 양상을 보였다. 이는 고온수와 저온수의 열적 분리가 뚜렷하게 이루어져 장기간 안정적인 층상구조가 유지됨을 의미하며, 시간이 400 s 경과하면 점차 혼합이 심화되는 과정을 반영한다. 종합적으로 판단하면, Fig. 4에서 논의된 바와 같이 배출구와 버퍼탱크의 평균온도 차이가 작았던 Case 1은 혼합지수 또한 오랜 시간 높게 유지하여 혼합현상이 빨리 자리 잡음을 입증하는 것이며 반대로 배출구와 버퍼탱크의 평균온도 차이가 크게 유지된 Case 2는 혼합지수가 낮게 장시간 유지되어 버퍼탱크 층상구조가 안정적으로 오랫동안 형성됨을 Fig. 5(b)에서 입증하였다. 즉, 버퍼탱크의 상하부 온도구배가 뚜렷할수록 혼합 억제가 효과적으로 이뤄져 층상유동의 안정성이 높아짐을 확인하였다.

Fig. 6은 노즐의 설치방식에 따라 차이 나는 저온층 보존율(Cold volume fraction)을 나타내고 있다. Case 1의 경우 Fig. 6(a)와 같이 상부 유입 고온수에 의해 난류 혼합과 상향 열부력에 의해 냉수층이 빠르게 교란되며, 그 결과 시간에 따른 감소 기울기(Decay slop)가 크게 나타나며 이로 인해 300 s 경과하면 저온층 보존율이 10% 이하를 유지하고 있다. 즉, 저온층의 초기 잠식이 빠르게 나타나고 있다. Case 2의 경우, Fig. 6(b)와 같이 초기에 저온층 보존율의 감소가 완만하고 이 값이 120 s - 360 s 구간에서도 상대적으로 높은 값을 나타내고 있어 저온층의 지속성이 우수하다. 결과적으로 400s 경과하여도 소량의 저온영역이 존재함을 확인할 수 있다. 종합적으로 평가하면 Case 2가 Case 1보다 Vcold/Vtotal 곡선의 면적이 크고 초기 감소기울기가 적게 나타나고 있다. 이는 Fig. 5의 혼합지수(MI)해석에서 확인된 바와 같이 Case 2가 층상구조의 크기와 지속성 관점에서 더 유리함을 확인한 것이다. 따라서 대유량을 처리하는 수평형 버퍼탱크는 고온수를 토출시킬 수 있는 면적이 넓으므로 십자형 배관이 연결된 루프형 매니폴드를 이용하여 고온수를 고르게 분산시킬 수 있는 노즐을 균등하게 설치하는 것이 층상구조를 장시간 유지시켜 저온층 보존율을 향상시킴을 확인하였다.

Fig. 2 Transient thermal profile in the buffer tank cross-section for Case 1.

Fig. 3 Transient thermal profile in the buffer tank cross-section for Case 2.

Fig. 4 Temporal evolution of average temperatures in the buffer tank and EXIT under various diffuser installation positions.

Fig. 5 Temporal evolution of mixing index in the buffer tank under various diffuser installation positions.

Fig. 6 Temporal evolution of cold volume fraction the buffer tank under various diffuser installation positions.

4. 결 론

본 연구는 데이터센터에 비상시 일정시간 동안 저온수 공급이 가능하도록 설치하는 버퍼탱크의 층상유지 성능을 혼합지수(MI), 저온층 보존율(Vcold/Vtotal), 버퍼탱크와 배출구의 평균온도 변화추이를 이용하여 종합 평가하였으며 다음과 같은 주요 결론을 얻었다.

(1) 십자형 배관을 연결한 매니폴드를 버퍼탱크의 상부에 분산하여 노즐이 배치된 Case 2조건이 단일 상부 노즐을 설치한 Case 1보다 버퍼탱크의 층상구조를 더 크고 오래 유지하고 있다.

(2) Case 2의 혼합지수의 최솟값은 0.3까지 도달하였을 뿐만 아니라 Case 1보다 층상구조 유지시간이 장시간 유지하여 층상구조 형성의 지속성이 우수함을 입증하였다.

(3) 저온층 보존율에서도 Case 2 조건이 초기 감소율이 완만하고 Case 1보다 곡선 하부면적이 더 크게 유지되어 저온층을 더 장시간, 더 많이 보존함을 입증하였으며 고온수가 유입된 시간이 400 s 경과하여도 저온층이 10%를 유지되어 Case 2의 토출노즐 설치방식이 층상구조형성에 크게 기여함을 확인하였다.

(4) Case 1(단일 환형 출구, 360° 원주 고온수 방출)은 하나로 모인 제트가 상부에서 퍼져 버퍼탱크의 측벽 충돌 후 재순환을 만들고, 열계면을 가로지르는 수직 혼입이 커져 저온층 보존율이 빠르게 감소한다. 반면 Case 2(루프형 매니폴드, 20개 노즐 분산 고온수 방출)는 모멘텀이 공간적으로 분산되어 제트가 상부 벽면을 따라 수평 확산하고 열계면을 관통하거나 연행(Entrainment)현상이 억제되어 평탄한 열계면과 높은 저온층 보존율이 유지됨을 확인하였다.