폐열 활용을 위한 히트파이프 열교환기 성능 시험 리그 개발 및 열 성능 시험

2.1 히트파이프 및 열교환기 제작

본 연구에 사용한 히트파이프는 열전도가 우수한 구리를 모재로 하여 제작하였고⁽⁸⁾, 총 96개의 히트파이프를 배치하여 열교환기를 구성하였다. 열교환기의 크기는 540 (W) × 540 (L) × 465 (H) mm³이며, 고온부(증발부, 고온 공기)와 저온부(응축부, 저온 액체)는 격벽으로 서로 분리되어 있으며 열전달 효과를 높이기 위하여 각각 배플을 설치하였다 ⁽⁵⁾. 본 실험에서는 그림 1에 나타낸 것과 같이 두 가지 형태의 열교환기를 사용하였다. 그림 1(a)는 시험 리그에 장착된 열교환기 사진이며, (b)는 구리 튜브 히트파이프 열교환기로 추후 개발품에 대한 실험 결과를 비교할 비교군이다. 구리로 제작한 히트파이프의 외경은 28.6 mm, 내경은 26.0 mm이다. 그림 1(c)는 구리-구리 핀 튜브 히트파이프 열교환기로 외경과 내경은 (b)와 동일하며, 사용한 핀 두께는 0.45 mm, 핀 높이는 4.5 mm, FPI(Fin per inch)는 9이다. 해당 열교환기는 유동이 흐르는 유로의 거리를 조정하여 NTU=2.5와 NTU=3.0의 두 가지 형태로 구성하였다.

Fig. 1

Heat pipe heat exchanger used in the experiment (a) HPHX installed in test rig, (b) Copper type HPHX without fins, (c) Copper-Copper fin type HPHX, (d) Magnified picture of (b), and (e) Magnified picture of (c)

2.2 열교환기 성능 리그 설계 및 제작

본 연구의 핵심은 고온 환경을 모사하고, 다양한 운전 조건을 정밀하게 제어하고 계측할 수 있는 시험 리그를 구축하는 데에 있다. 시험 리그는 크게 고온 유체 공급부, 시험부, 데이터 측정 및 제어부로 구성된다.

고온 유체 공급부에는 그림 2에 나타낸 것과 같이 최대 유속 30 m/s를 재현할 수 있는 블로어가 있고, 최대 온도 400℃를 만들 수 있는 300 kW급 덕트히터를 구축하였고 PID(Proportional-Integral-Differential) 제어를 통해 온도를 정밀하게 조정하였다. 열교환기에 인가되는 유량을 정밀하게 측정하기 위해 벤투리 튜브를 덕트히터 후단에 설치하였다. 유량 측정의 정확성은 열교환기의 성능 계산에 직접적인 영향을 미치기 때문에 유량 측정에 따른 압력손실이 가장 적은 기구를 선정하였다. 유량은 차압을 측정하여 고온 공기의 밀도와 온도로 계산하였으며, 본 시험 리그를 구성하는 구조물의 전반적인 크기에 비해 측정하는 차압은 수십 Pa 수준으로 아주 작은 값이기 때문에 매우 정밀한 측정이 필요하였다. 이는 차압계의 설치 방법에 따라 오차가 날 수 있는 정도의 값으로 개별 계측기의 교정뿐만 아니라 시스템 레벨의 교정이 필요하였다. 따라서 두 개의 서로 다른 차압계(ROSEMOUNT, ST810, YOKOGAWA, YEW-MT210)를 설치하고 두 차압의 차이가 0.3 Pa 이내에 들어오는 조건을 정상상태로 판단하여 측정을 시작하였다.

Fig. 2

Heat pipe heat exchanger thermal performance test rig

시험부에 위치한 히트파이프 열교환기는 열 손실을 최소화하기 위하여 유리섬유 단열재로 감싸고 거치하였으며, 다양한 종류의 열교환기 시험 시 교체가 용이하도록 열교환기의 양 끝단은 플랜지 형태로 제작하였다. 열교환기의 입구와 출구는 직경 300 mm의 튜브 형태를 가지며 외벽에서 중심부로 각각 75 mm 지점에 상하좌우 4개의 K-type 열전대(OMEGA, TJ36-CAXL-116G-6-CC-SMPW-M)를 각각 설치하고 열교환기 입구부의 상하좌우 온도 차이가 1℃ 이내로 수렴할 때를 시험 시작점으로 설정하였다. 냉각수는 탈이온수를 사용하였고 냉동기(Daehocooler, DH30A) 및 700 L급 물탱크를 활용하여 열교환기를 통과한 고온의 냉각수를 일정한 온도로 공급할 수 있게 조정하였다. 유량계(TOSHIBA, LF620)와 차압계(ROSEMOUNT, ST810)를 설치하고 시험 조건의 최대값을 기준으로 계측기의 스팬(span)을 조정하여 측정 정밀도를 확보하였다. 냉각수의 입구와 출구 온도는 K-type 열전대를 사용하여 측정하였고 입구 온도는 20℃, 출구 온도는 유동의 불안정을 배제하기 위해 80℃ 이내로 조정하여 실험 조건을 설정하였다.

Fig. 3

Hot gas temperature difference at the heat exchanger inlet region

벤투리 튜브 및 시험부에서 측정하는 차압 및 유량의 정밀도를 높이기 위해 계측기와 데이터수집장치(DAQ, VTI, EX1032A)는 신호선을 이용하여 연결하였고 각각의 계측장치와 실험 장비를 접지하였다. 데이터 측정 불확실성은 1.5%, 실험 환경에 의한 불확실성은 6.5%이다.

시험 리그 제작 후 시험 장치의 건전성을 확인하기 위하여 시운전을 시행하였다. 본 연구에서 가장 중요한 점은 열교환기 입구의 온도 및 유속 분포를 균일하게 만드는 것이다.

초기 시운전 결과, 열교환기 입구에서 상하부 온도 편차가 크게 형성되어 입구부의 온도 균일도가 확보되지 않는 문제가 발생하였다. 이러한 불균일한 열원 공급은 열교환기의 실제 성능을 정확하게 평가하기 어렵게 한다. 이를 해결하기 위하여 덕트히터와 벤투리 튜브 사이에 있는 리듀서(reducer) 내부에 균일한 유량 제어를 위한 배플을 설치하고 벤투리 튜브 입구에 허니컴(honey comb) 형태의 다공성 판재인 스트레이트너(straightener)를 추가로 설치하는 보완 작업을 진행하였다. 해당 배플과 스트레이트너는 다양한 형상 조건에 대한 수치해석을 통해 설계하였고, 실물 제작이 가능한 범위에서 최종 설계 도면을 확정하였다. 또한, 장치 간의 연결부를 정밀하게 정렬함으로써 해당 영역에서 발생할 수 있는 유동의 교란을 최소화하였다. 장치 보완 후 시운전을 통해 열교환기 입구부의 온도 분포를 재측정하였고, 그 결과 열교환기 입구에서의 상하부 온도 차가 1℃ 이내로 수렴하는 것을 확인하였다. 이는 초기 온도 편차에서 대폭 개선된 결과이며 본 연구에서 구축한 시험 리그가 정량적이고 재현성 있는 열성능 시험을 수행할 수 있는 충분한 환경을 갖추었음을 의미한다.

3.1 열용량 평가 방법

열교환기의 열 성능 평가를 위하여 실험 장치에 전원을 인가하고 냉각수 펌프와 유동 조절 장치를 제어하여 표준 시험조건에 수렴시킨다. 본 연구에서 설정한 표준 시험 조건은 고온부 질량유량 0.165 kg/s, 저온부 질량유량 0.145 kg/s, 열교환기 입구 온도 200℃, 냉각수 입구 온도 20℃로 설정하며 각 조건의 오차범위는 3%로 제한한다. 열용량은 고온부와 저온부의 열용량을 모두 계산하여 상호 비교하였다. 여기에서는 고온부의 열용량을 기준으로 설명하고자 하며 식(1)과 같이 정의할 수 있다.

여기서 C_P는 정압비열 200℃ 기준 1,026 J/kg⋅K이고, T_h,in은 고온부 입구에서 측정한 4개 온도의 평균값(초당 1회 측정, 600개 데이터), T_h,out은 고온부 출구에서 측정한 온도의 평균값이다. 시험 리그에서 측정한 유량에 밀도를 곱하여 식 (2)와 같이 질량유량을 구할 수 있다.

여기서 C_d는 시험 리그에 설치한 벤투리 튜브의 유량계수(discharging coefficient)로 0.985, A_d는 벤투리 튜브의 작은 직경(179.9 mm)에 대한 면적으로 0.025419 m², ρ는 200℃ 공기 기준 0.745 kg/m³, ΔP는 차압계 측정값, β는 벤투리의 큰 직경(299.5 mm)과 작은 직경(179.9 mm)의 비율로 0.60066778이다. 따라서 열용량은 식(3)을 통해 계산할 수 있다. 해당 계산은 데이터 측정 프로그램(Labview)에서 계산하여 결과를 실시간으로 모니터링 할 수 있게 장치를 구성하였다.

3.2 유효도 평가 방법

열교환기 유효도(ε)는 고온부와 저온부 모두에서 측정하여 상호 비교하도록 설정하였고, 두 값에 대한 에너지 균형(energy balance)을 확인하였다. 결과물로써의 유효도는 고온부와 저온부의 유효도 평균값을 취하였다. 단, 여기에서는 유효도 계산 과정은 고온부를 기준으로 한다. 유효도는 열교환기의 실제 열전달량이 이론적으로 가능한 최대 열전달량에 얼마나 근접하는지를 나타내는 무차원수로 식(4)와 같이 정의할 수 있다.

여기서 C_h는 고온부의 $$ \dot{m}\cdot C_{P,h}$$이고, T_h,in은 고온부 공기의 열교환기 입구 온도, T_h,out은 고온부 공기의 열교환기 출구 온도, T_c,in은 냉각수 입구 온도이며, C_min은 C_h와 C_c 중 작은 값을 사용한다. 본 실험의 경우 C_h는 169 [J/s⋅K], C_c는 609 [J/s⋅K]로 C_min은 C_h가 된다. 따라서 고온부의 열용량은 식(5)로 계산할 수 있다.

3.3 열 신뢰성 평가 방법

히트파이프 열교환기의 장기 운전 안정성을 평가하기 위하여 열충격 신뢰성 시험을 수행하였다. 이 시험은 열교환기가 실제 산업 현장에서 겪을 수 있는 급격한 온도 변화에 얼마나 잘 견디는지를 검증하는 중요한 과정이다. 시험은 두 가지 경우로 나누어 진행하였다. 첫 번째는 열교환기를 구성하는 히트파이프 단품에 대한 시험으로, IEC 60068-2-14 코드 및 MIL-STD-810G-Method 503.5 코드를 기준으로 실험을 수행하고 열저항 값의 변화를 확인하였다. 두 번째는 열교환기 일체를 환경 챔버에 넣고 –15℃∼50℃의 대기 환경에 대한 열충격 사이클을 100회 수행한 뒤 열교환기의 유효도를 비교하였다. 본 실험의 목적은 열교환기 및 구성 요소인 히트파이프의 건전성을 평가함과 동시에 구축한 열교환기 열 성능 시험 리그의 측정 정밀도를 확인하는 과정이다.

4.1 열교환기 열 성능 비교

본 연구에서 수행한 열교환기의 열 성능 측정의 주목적은 제작한 시작품의 열 성능을 신뢰도 있는 측정 여부에 있다. 따라서 분명한 성능의 차이가 예상되는 구리 튜브 타입 열교환기와 구리-구리 핀 타입 열교환기에 대한 열 성능을 각각 측정하였다. 표 1은 두 가지 형태의 열교환기의 실험 결과를 나타낸 것이다. 해당 열교환기의 열 성능을 평가하기 위해 표준 시험 조건을 설정하였다. 이는 모든 형태의 열교환기에 일반적으로 적용할 수 있는 시험 조건이 아니라 해당 시험 리그의 건전성을 확인하기 위하여 임의로 설정한 값임을 밝힌다. 또한, 현장에서 발생할 수 있는 다양한 상황에서 열 성능을 검토하기 위하여 탈 설계 조건(off-design condition)에 대한 실험을 수행하였다.

Table 1

Test results of bare copper type HPHX case (NTU=2.5)

Table 2

Test results of Cu-Cu fin type HPHX case (NTU=2.5)

결과적으로 표준 시험 조건에서 구리 튜브 타입 열교환기의 유효도는 55%를 기록하였고, 핀을 부착한 열교환기의 유효도는 81%로 측정되었다. 이는 핀 부착을 통해 열전달 성능이 약 47% 향상되었음을 의미한다. 이러한 성능 향상은 주로 공기와 같은 기체는 열전달계수가 매우 낮으므로 핀이 열교환기 외부의 열전달 면적을 크게 확장하는 역할을 하였고, 고온 유체로부터 히트파이프로의 열 흡수 효율을 향상했기 때문이다.

4.2 NTU 변화에 따른 열교환기 유효도

본 연구진이 제작한 열교환기 열 성능 시험 리그를 사용하여 열교환기 유효도의 NTU 변화에 따른 영향을 추가로 실험하였다. NTU가 증가함에 따라 열교환기의 유효도는 증가할 것이다. 해당 실험은 구리-구리 핀 타입 열교환기를 대상으로 실험을 수행하였으며, NTU를 3.0으로 증가시킨 경우, 열교환기의 유효도는 85%임을 확인하였다. 그림 4는 NTU=3.0인 열교환기 실험에서 얻은 결과를 나타낸 것이다. 이는 핀이 없는 구리 튜브 타입 열교환기의 유효도에 비해 54.5% 성능이 개선된 결과이다. 핀 부착이 단순한 성능 향상을 도모하는 데에 비해, 시스템의 운전 조건에 따라 성능 변화가 이루어지며, 고 유량 조건에서도 높은 유효도를 유지하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 고온 폐열 회수 시스템의 효율을 극대화하는 방법의 하나임을 시사한다.

Fig. 4

The thermal performance test results of Cu-Cu fin type HPHX (NTU=3.0) case

4.3 열 신뢰성 평가 결과

열교환기를 구성하는 핵심 요소인 단일 히트파이프에 대하여 앞서 언급한 코드를 활용하여 열충격 시험을 수행하였다. 시험 전후의 열저항 변화율은 3% 이내로 측정되었고, 해당 결과는 히트파이프 내부의 작동 유체나 히트파이프 모재가 열충격으로 인하여 성능 저하를 발생시키지 않는다는 것을 보인다.

열교환기 시작품에 대한 열충격 사이클 시험은 더욱 가혹한 100 사이클 조건에서 수행하였으며 시험 전후의 유효도 변화율은 최대 1.1%에 불과한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 개발한 열교환기 시작품이 반복되는 열팽창 및 수축 과정에서 구조적 피로와 열적 스트레스에도 본래의 열전달 성능을 안정적으로 유지하는 것을 의미한다. 상기와 같은 신뢰성 평가는 개발한 히트파이프 열교환기가 단순한 실험적 검증을 넘어, 실제 산업 현장의 고온 및 가혹한 환경에서도 장기간 안정적으로 작동할 수 있는 충분한 내구성과 신뢰성을 확보하였음을 보여주는 중요한 근거이며 해당 시험을 수행할 수 있는 시험 리그의 건전성을 나타낸다.