기호설명

1. 서 론

산업 공정에서 발생하는 폐열을 회수하여 히트펌프 시스템의 열원으로 활용하는 기술은 에너지 절감과 탄소 배출 저감을 동시에 달성할 수 있는 효과적인 방안으로 주목받고 있다. 특히 히트펌프 시스템은 저온 열원부에서 확보되는 열원의 온도 수준과 열량에 따라 시스템 성능이 크게 좌우되며, 이에 따라 산업 공정에서 배출되는 폐열을 안정적으로 회수하여 공급하는 기술이 핵심 요소로 작용한다^{(1, 2)}. Fig. 1은 본 연구에서 고려한 제지 공정 폐열 회수 기반 히트펌프 시스템의 개략도를 나타낸 것이다. 제지 공정 건조실에서 배출되는 고온․고습 공기는 배열 회수 열교환기를 통해 냉각수와 열교환을 수행한 후 외기로 배출되며, 이 과정에서 회수된 열은 히트펌프의 저온 열원부인 증발기로 공급된다. 즉, 배열 회수 열교환기는 히트펌프 시스템과 산업 공정 폐열을 연결하는 핵심 장치로서 전체 시스템 성능을 좌우하는 중요한 역할을 수행한다.

제지 공정 건조실에서 배출되는 공기는 약 60-80℃의 온도 범위와 상대습도 50% 이상의 고온․고습 상태로 존재하며, 다량의 수증기를 포함하고 있다⁽³⁾. 이러한 고온․고습 공기는 냉각 과정에서 공기의 온도 저하에 따른 현열뿐만 아니라 수증기 응축에 따른 잠열 회수가 가능하다는 점에서 매우 높은 열회수 잠재력을 가진다^{(4, 5)}. 특히 응축이 동반되는 조건에서는 전체 열전달 과정에서 잠열이 차지하는 비중이 매우 크며, 이는 히트펌프 시스템의 저온 열원으로 활용하기에 유리한 특성이다. 그러나 제지 공정 건조실에서 배출되는 공기는 펄프 미분, 섬유 분진 등 다양한 오염 물질을 포함하고 있어 열교환기 적용 시 심각한 파울링(Fouling) 문제가 발생한다. 쉘 앤 튜브(Shell-and-Tube)형 열교환기는 높은 전열면적을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 고습 공기 조건에서는 응축수 체류와 오염 물질 축적으로 인해 압력 강하 증가, 성능 저하, 유지보수 어려움 등의 문제^{(6, 7)}가 발생하여 장기간 안정적인 운전이 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 본 연구에서는 필로우 플레이트(Pillow-Plate) 열교환기를 배열 회수 열교환기로 적용하였다. 필로우 플레이트 열교환기는 비교적 단순한 표면 구조와 넓은 유로 간격을 통해 응축수 배출이 용이하고, 파울링에 대한 내성이 높은 구조적 장점⁽⁸⁾을 가진다. 또한 플레이트 간 간격과 배열 방식을 조절함으로써 공기측 유동 특성을 제어할 수 있어, 고온․고습 및 오염 물질이 존재하는 환경에서의 적용 가능성이 높다.

한편, 제지 공정에서는 대량의 고온․고습 공기가 지속적으로 배출되며, 열교환기 유로 단면적에 따라 공기측 유속이 증가할 수 있다. 고풍량 조건에서 공기와 열교환기의 접촉 시간 단축은 응축을 제한할 수 있지만, 일반적으로 열 및 물질 전달 계수의 향상이 더 큰 영향을 미친다. 특히 필로우 플레이트 열교환기는 특유의 기하학 형상으로 인해 일반적인 평판이나 관군 유동에 비해 낮은 레이놀즈 수 영역에서도 강력한 난류를 형성하며, 이는 고속 유동 조건에서 열 및 물질 전달 효율을 극대화하는 요소로 작용한다. 고온․고습 공기의 경우 절대습도가 높고 이슬점 온도가 상대적으로 높기 때문에, 열교환기 표면 온도가 충분히 낮게 유지될 경우 고속 유동 조건에서도 응축이 지속적으로 발생할 가능성이 있다. 이와 같은 조건에서는 열전달 특성이 단순한 체류시간 개념보다는 공기측 열․물질 전달 계수에 의해 지배될 수 있다. Afsahnoudeh et al.⁽⁹⁾은 CFD 수치해석을 통해 필로우 플레이트 외측 채널에 2차 표면 구조를 적용하였을 때 열수력 성능 향상 효과를 분석하였다. 2차 구조물이 경계층 근방의 유체 혼합을 촉진하여 열전달계수를 향상시키는 것을 확인하였으며, 기존 열교환기 대비 경쟁력 있는 대안임을 수치적으로 제시하였다. Yao et al.⁽¹⁰⁾은 필로우 플레이트에서 초임계 CO2의 유동 및 열전달 특성을 수치해석하고, 레이놀즈 수 4,132~6,650 범위에서 Nusselt 수 및 마찰계수 상관식을 제안하였다. 기존의 응축 열전달 연구는 주로 저풍량 조건 또는 단상 열전달 환경을 중심으로 수행되어 왔으며⁽¹¹⁾, 고풍량 조건에서 응축 지배 구조가 유지되는지에 대한 정량적 검증은 충분히 이루어지지 않았다. 특히 공기측 레이놀즈 수 증가에 따른 체류시간 감소 효과와 열․물질 전달 계수 증가 효과 간의 경쟁 관계를 실험적으로 분석한 연구는 제한적인 실정이다.

따라서 고온․고습 공정 폐열 회수 시스템의 설계 및 운전 전략을 위해서는 고풍량 조건에서 응축이 실제로 지속되는지, 그리고 전체 열전달에서 잠열이 차지하는 비율이 체류시간 감소에도 불구하고 유지되는지를 정량적으로 규명할 필요가 있다.

본 연구에서는 실제 제지 공정에서 측정된 고온․고습 폐열 조건을 기반으로 필로우 플레이트 열교환기의 응축 열전달 특성을 실험적으로 분석하였다. 특히 공기측 레이놀즈 수 증가에 따른 응축수량, 잠열 전달량 및 잠열 기여율 변화를 정량적으로 평가함으로써, 고풍량 조건에서도 응축 잠열 지배 구조가 유지되는지를 검증하고자 한다.

Fig. 1 Schematic diagram of the waste heat recovery-based heat pump system in a paper drying process.

2. 실험 장치 및 방법

고온․고습 공기 조건에서 필로우 플레이트 열교환기의 열전달 성능을 평가하기 위해서는 공기 입구측 온도 및 습도의 안정적인 제어와 함께, 응축수 발생에 따른 열전달 거동을 고려한 실험 장치 구성이 필수적이다. 본 연구에서는 실제 제지 공정에서 배출되는 고온․고습 폐열 조건을 모사하기 위하여 증기 가습 방식을 적용하였다. 증기 가습 방식은 공기 중 수분을 균일하게 공급할 수 있으며 위생적인 운전이 가능하다는 장점이 있으나, 에너지 소비가 크다는 특성이 있다. 이에 따라 공기가 순환하는 폐루프(Closed-loop) 구조의 실험 장치를 구성하였으며, 전체 실험 장치 개요는 Fig. 2(a)에 나타내었다. 실험 장치는 송풍기, 히터, 가습기, 열교환기 시험부로 구성되며, 공기는 송풍기에 의해 순환하면서 열교환기 시험부를 통과한 후 히터와 가습기를 거쳐 다시 가열 및 가습되어 열교환기로 재유입된다. 열교환기 시험부를 통과하는 동안 공기의 온도와 절대습도는 감소하며, 이후 가열 및 가습 과정을 통해 설정된 입구 조건으로 회복된다. 열교환기 및 배관의 외부 표면은 주변으로의 열 손실을 최소화하기 위하여 단열재로 덮여 있다. 실제 실험 장치의 모습은 Fig. 2(b)와 같다.

Fig. 2 (a) Schematic diagram and (b) Photograph of the experimental setup for condensation heat transfer under high-temperature and high-humidity conditions.

열교환기 시험부에서 발생한 응축수는 출구 측 하단으로 자연스럽게 유도되도록 설계되었으며, 드레인 라인을 통해 외부로 배출된다. 정상 상태에 도달한 이후에는 일정 시간 동안 배출되는 응축수의 질량을 측정하여 단위 시간당 응축수량을 산정하였다. 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 각 실험 조건에서 20분간 응축수량을 측정하고 평균값을 도출하였으며, 이를 기반으로 공기측 응축 잠열에 의한 열전달률을 계산하였다. 응축수 질량은 정상 상태 도달 이후 20분 동안 전자저울(오차범위 ±1 g)을 이용하여 측정하였으며, 이는 시간에 따른 변동을 평균화하고 충분한 누적 질량을 확보하여 상대 불확실도를 최소화하기 위한 것이다. 또한 측정 시간 증가에 따른 반복성 저하를 고려하여 20분을 측정 시간으로 선정하였다. 냉각수는 항온 수조를 이용하여 일정한 온도와 유량으로 제어되었으며, 배관을 통해 열교환기 내부로 공급되었다. 냉각수는 헤더를 통해 각 필로우 플레이트 내부 채널로 분배된 후 다시 집수되어 항온 수조로 회수된다. 공기의 입․출구 온도와 냉각수의 입․출구 온도는 RTD(PT100) 센서를 이용하여 측정(오차범위 ±0.05℃)하였으며, 냉각수 유량은 체적 유량계(오차범위 ±0.2%)를 통해 제어 및 계측하였다.

Fig. 3 Experimental setup for condensate collection and mass measurement.

시험에 사용된 필로우 플레이트 열교환기는 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a), (b)와 같이 덕트 내부에는 총 3장의 필로우 플레이트가 배열되어 있으며, Fig. 4(c)와 같이 각 플레이트에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 헤더가 설치되어 있다. Fig. 4(d)와 같이 고온․고습 공기는 플레이트 외부 채널을 따라 흐르며 열교환을 수행하고, 냉각수는 플레이트 내부 채널을 따라 흐르면서 공기측과 열교환을 수행한다. 시험에 사용된 필로우 플레이트의 주요 형상 및 사양은 Table 1에 정리하였다. 공기의 온도 및 습도 조건은 실제 제지 공정에서 발생하는 폐열 조건을 참고하여 설정하였으며, 열전달 특성을 분석하기 위해 다양한 운전 조건에서 실험을 수행하였다. 또한 폐열 회수 시스템의 운전 특성을 고려하여 냉각수 조건을 설정하였으며, 전체 실험 운전 조건은 Table 2에 정리하였다.

Fig. 4 Experimental pillow-plate heat exchanger and flow configuration: (a) Air-side inlet duct connected to the test section, (b) Close-up view of the air-side inlet of the heat exchanger, (c) Pillow-plate heat exchanger surface, and (d) Schematic diagram of the air-water flow configuration.

모든 실험은 각 운전 조건에서 정상 상태에 도달한 이후 수행되었다. 정상 상태는 공기 및 냉각수의 입․출구 온도와 응축수 배출량이 시간에 따라 일정하게 유지되는 시점으로 정의하였다. 정상 상태 이후 일정 시간 동안 데이터를 취득하여 평균값을 도출하였으며, 이를 바탕으로 열전달률 및 응축수량을 산정하였다. 공기측 열전달률은 현열과 응축 잠열의 합으로 계산하였으며, 냉각수측 열전달률과의 열수지 비교를 통해 계측 데이터의 신뢰성을 검증하였다.

필로우 플레이트 열교환기의 열전달률은 공기측과 냉각수측에서 각각 산정된 열전달률을 식 (1)을 사용하여 평가하였다. 냉각수측 열전달률은 냉각수 유량과 입․출구 온도 차이를 이용하여 식 (2)와 같이 계산하였으며, 공기측 열전달률은 습공기 온도 변화에 따른 현열 전달과 수증기 응축에 따른 잠열 전달을 함께 고려하여 식 (3)과 같이 계산되었다. 최종 열전달률은 양측에서 계산된 값을 종합적으로 비교하여 대표값으로 사용하였으며, 두 계산값 간의 열수지 오차는 평균적으로 약 5% 이내로 나타나 계측 결과의 신뢰성을 확인하였다.

공기측 열전달률은 현열과 응축 잠열의 합으로 구성되며, 응축에 의한 잠열 전달량은 식 (4)와 같이 계산하였다.

여기서 $\dot{m}_{cond}$는 단위 시간당 응축수 질량유량, $h_{latent}$는 물의 응축잠열을 의미한다. 또한 전체 열전달률 대비 잠열이 차지하는 비율인 잠열 기여율은 식 (5)와 같이 정의하였다.

본 연구에서는 응축수 측정값을 이용하여 잠열 전달량을 산정하고, 공기측 및 냉각수측 열전달률을 통해 계산된 전체 열전달률과 비교하여 잠열 기여율을 평가하였다.

3. 결과 및 토론

본 연구에서는 실제 제지 공정에서 배출되는 고온․고습 폐열 환경을 모사한 조건에서 필로우 플레이트 열교환기의 열전달 특성을 실험적으로 분석하였다. 공기 입구 온도는 약 58-72℃, 상대습도 60-80% 범위의 고온․고습 조건에서 공기 풍량을 200-600 m³/h로 변화시키며 열전달 특성을 분석하였다. 모든 실험 조건에서 냉각수 입구 온도는 이슬점 이하로 유지되었으며, 이에 따라 열교환기 표면에서 응축이 지속적으로 발생하였다. 실험 과정에서 열교환기 출구 측 드레인 라인을 통해 응축수가 안정적으로 회수되었으며, 이는 고속 유동 조건에서도 응축이 안정적으로 유지되었음을 확인하였다. 기준 조건에서 각 파라미터를 변화시키며 측정한 열전달률의 변화는 Fig. 5에 나타내었다. 모든 실험 조건에서 냉각수 온도는 공기 이슬점 이하로 유지되어 열교환기 표면에서 응축이 지속적으로 발생하였으며, 기준 조건에서 열전달률은 약 3,428 W로 측정되었으며, 운전 조건에 따라 대략 2,555 W에서 4,185 W까지 변화하였다. 공기 조건 변화에 따른 결과를 종합하면 열전달률은 공기 중 수증기 함량과 공기측 유동 특성에 의해 지배되는 경향을 보였다.

Fig. 5(a)는 공기 입구 온도 변화에 따른 열전달률을 나타낸다. 온도 증가에 따라 열전달률은 비선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 공기 온도 상승에 따라 포화수증기압이 비선형적으로 증가하고 이에 따라 응축 가능한 수증기량 및 물질 전달 구동력이 함께 증가하기 때문이다. 따라서 온도 변화에 따른 열전달률은 단순한 비례 관계가 아닌 수증기 분압 특성에 의해 지배되는 비선형 거동을 나타내는 것으로 판단된다. Fig. 5(b)는 공기 풍량 변화에 따른 열전달률을 나타낸다. 풍량 증가에 따라 열전달률은 비교적 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 풍량 증가가 단위 시간당 유입되는 공기 질량 및 수증기량 증가로 직접적으로 연결되며 동시에 공기측 유동 강화에 따른 열 및 물질 전달 계수 증가가 함께 작용하기 때문이다. Fig. 5(c)는 공기 상대습도 변화에 따른 열전달률을 나타낸다. 상대습도 증가에 따라 열전달률이 증가하는 경향을 보였다. 이는 상대습도 증가로 공기 중 수증기 분압이 상승하고 이에 따라 응축 구동력이 증가하여 응축 가능한 수증기량이 증가하기 때문이다. 결과적으로 잠열 전달량이 증가하면서 전체 열전달률이 증가한 것으로 판단된다. 한편, 공기 풍량 증가는 체류시간을 감소시키는 요인임에도 불구하고 열전달률은 저하되지 않았다. 이는 공기측 열․물질 전달 계수 증가 효과가 체류시간 감소 효과를 상쇄하거나 우세하게 작용하였기 때문으로 해석된다.

Fig. 5 Heat transfer rate as a function of air-side operating parameters: (a) Air inlet temperature, (b) Air flow rate, and (c) Relative humidity.

특히 본 연구에 사용된 필로우 플레이트 열교환기는 딤플형 기하학 구조를 가지며, 이는 유동 경로에서 국소적인 교란과 혼합을 유도하여 전열면 인근의 경계층 발달을 억제하는 특성이 있다. 이러한 구조적 특성은 공기측 열․물질 전달을 촉진하는 요인으로 작용하였을 가능성이 있다. 결과적으로, 고풍량 조건에서도 전체 열전달 거동은 응축에 의한 잠열 전달을 중심으로 형성되었으며 잠열 지배 구조가 유지되었다. 이는 고온․고습 공정 폐열 회수 시스템에서 풍량 증가가 응축 성능 저하로 이어지지 않음을 보여준다.

공기 풍량과 유속 변화에 따른 잠열 특성은 Fig. 6에 나타나 있다. Fig. 6(a)에서 보이듯이 공기 풍량 변화에 따른 응축수량과 잠열 열전달률 변화는 풍량 증가에 따라 단위 시간당 응축수량은 지속적으로 증가하였으며, 이에 비례하여 잠열 열전달률 또한 일관되게 증가하는 경향을 보였다. 특히 응축수량과 잠열 열전달률 사이에는 거의 선형적인 관계가 나타났으며 이는 본 실험 조건에서 잠열 열전달이 응축수 생성량에 직접적으로 비례함을 의미한다. 즉, 풍량 증가로 체류시간이 감소함에도 불구하고 단위 시간당 공급되는 수증기량과 공기측 열․물질 전달 계수 증가 효과가 우세하게 작용하여 응축은 지속적으로 유지되었다.

전체 열전달률 중 잠열이 차지하는 비율은 Fig. 6(b)에 나타나 있다. 공기 유속이 증가함에도 불구하고 잠열 기여율은 78-84% 범위(±3% 범위)로 유지되었다. 이는 고습 조건에서 높은 절대습도와 이슬점으로 인해 응축 가능 수증기량이 충분히 유지되었기 때문으로 판단된다. 결과적으로, 체류시간 감소가 잠열 지배 구조를 붕괴시키지 않았으며 공기측 유동 강화 효과가 이를 보완하여 잠열 중심의 열전달 메커니즘이 안정적으로 유지되었음을 확인하였다. 다만, 본 결과는 상대습도 60~80% 범위의 고습 조건에서 도출된 것으로, 이러한 경향이 모든 운전 조건에 일반적으로 적용되는 것은 아니다. 상대습도가 낮은 조건에서는 체류시간 감소에 따라 응축 제한으로 인해 잠열 기여율이 감소할 가능성이 있다.

Fig. 6 (a) Latent heat transfer and condensate mass flow rate as a function of air-flow rate and (b) Latent heat contribution ratio as a function of air velocity.

4. 결 론

본 연구에서는 실제 제지 공정에서 측정된 고온․고습 폐열 조건인 공기 입구 온도 58-72℃, 상대습도 60-80%을 기반으로 필로우 플레이트 열교환기의 응축 열전달 특성을 실험적으로 분석하였다. 공기 풍량을 200-600 m³/h 범위로 변화시키며 응축수량 및 잠열 기여율 변화를 정량적으로 평가하였다. 일반적으로 고풍량 조건에서는 체류시간 감소로 인해 응축이 제한될 가능성이 있으나, 본 실험 범위에서는 응축수량이 오히려 증가하는 경향을 보였다. 이는 단위 시간당 유입되는 수증기량 증가와 함께 공기측 열․물질 전달 계수 상승 효과가 우세하게 작용하였기 때문으로 판단된다.

응축수량 증가에 따라 잠열 열전달률 또한 증가하였으며, 잠열 열전달률은 응축수량과 거의 선형적인 관계를 나타냈다. 특히 풍량이 약 3배 증가하였음에도 불구하고 전체 열전달률 중 잠열이 차지하는 비율은 약 78-84% 범위로 유지되었다. 이는 고속 유동 조건에서도 응축이 지속적으로 발생하며, 열전달 거동이 여전히 잠열 중심 구조로 유지되고 있음을 의미한다.

결과적으로, 본 연구는 고온․고습 공정 폐열 회수 조건에서 공기 풍량 증가가 응축 잠열 회수 성능을 저하시킨다는 단순 가정이 항상 성립하지 않음을 정량적으로 확인하였다. 본 실험 범위에서는 공기 풍량 증가에 따른 체류시간 감소에도 불구하고 응축수량과 잠열 전달량이 증가하였으며, 이는 공기측 열·물질 전달 강화 효과가 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 이는 산업 현장에서의 고온․고습 폐열 회수 시스템 설계 및 운전 전략 수립에 중요한 정량적 근거를 제공한다.