심층수 이용 열교환기 개발을 위한 기초연구: 열교환기 재질이 열교환기 성능에 미치는 영향 A Fundamentals Study on Heat Exchanger using Deep Ocean Water: Effects of Material on Heat Transfer Performance원문보기
본 논문은 심층수 이용 열교환기 개발을 위해 열교환기의 구성 재질로서 티타늄, 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리와 알루미늄의 전착코팅 관 등을 이용한 이중관 열교환 실험 장치를 구성하여 열교환 성능을 실험하였다. 기존 심층수 이용 열교환기는 대부분 티타늄 금속으로 이루어져 있다. 티타늄의 재질은 해양 심층수에 적합하나 고가의 금속이다. 티타늄 금속을 대체할 금속으로 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리와 알루미늄 전착코팅 관 등을 고려하여 시험하였다. 또한 EES 프로그램을 사용하여 각 관들의 열전달률을 해석하고 이중관 열교환 실험결과와 비교 분석하였다. 열교환시의 성능에 대한 해석값과 실험값을 비교해 보았을 때 10% 내외의 오차범위 내에서 잘 일치하였다. 또한 티타늄 대비 구리관이 가장 좋은 결과치를 보였고 알루미늄 전착코팅 관은 다소 낮은 열전달 수치를 보여 주었으나, 전착처리된 코팅관의 내부식성이 우수한 것을 고려한다면 티타늄 대체가능성이 충분하다고 사료된다.
본 논문은 심층수 이용 열교환기 개발을 위해 열교환기의 구성 재질로서 티타늄, 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리와 알루미늄의 전착코팅 관 등을 이용한 이중관 열교환 실험 장치를 구성하여 열교환 성능을 실험하였다. 기존 심층수 이용 열교환기는 대부분 티타늄 금속으로 이루어져 있다. 티타늄의 재질은 해양 심층수에 적합하나 고가의 금속이다. 티타늄 금속을 대체할 금속으로 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리와 알루미늄 전착코팅 관 등을 고려하여 시험하였다. 또한 EES 프로그램을 사용하여 각 관들의 열전달률을 해석하고 이중관 열교환 실험결과와 비교 분석하였다. 열교환시의 성능에 대한 해석값과 실험값을 비교해 보았을 때 10% 내외의 오차범위 내에서 잘 일치하였다. 또한 티타늄 대비 구리관이 가장 좋은 결과치를 보였고 알루미늄 전착코팅 관은 다소 낮은 열전달 수치를 보여 주었으나, 전착처리된 코팅관의 내부식성이 우수한 것을 고려한다면 티타늄 대체가능성이 충분하다고 사료된다.
This paper presents the effects of the tube materials on the heat transfer performance of double-tube heat exchangers for the development of heat exchangers using deep sea water. Heat exchangers made of titanium, aluminum. stainless steel, iron, copper, and aluminum with carbon black 0.015mm and 0.1...
This paper presents the effects of the tube materials on the heat transfer performance of double-tube heat exchangers for the development of heat exchangers using deep sea water. Heat exchangers made of titanium, aluminum. stainless steel, iron, copper, and aluminum with carbon black 0.015mm and 0.15mm coating were tested. Also, the heat transfer rate of each heat exchanger was calculated by using EES program. The calculated values were compared with the experimental ones, and the deviations were less than 10%. From the above experiment and analysis, aluminum with carbon black 15 coating can be considered the most promising candidate for the replacement of titanium heat exchanger.
This paper presents the effects of the tube materials on the heat transfer performance of double-tube heat exchangers for the development of heat exchangers using deep sea water. Heat exchangers made of titanium, aluminum. stainless steel, iron, copper, and aluminum with carbon black 0.015mm and 0.15mm coating were tested. Also, the heat transfer rate of each heat exchanger was calculated by using EES program. The calculated values were compared with the experimental ones, and the deviations were less than 10%. From the above experiment and analysis, aluminum with carbon black 15 coating can be considered the most promising candidate for the replacement of titanium heat exchanger.
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문제 정의
본 연구는 심층수를 이용한 열교환기를 기존 열교환기에 비해 효율을 증대시키며 비용을 줄이기 위한 목적으로 기초연구를 수행하고 있으며, 이중관 열교환기를 이용하여 다양한 재질의 열전달률을 비교하였다.
본 연구에서는 심층수 이용 열교환 시스템에 사용하기 위한 금속재질의 특성에 따른 기초연구를 수행하였다. 기존의 해양 심층수 이용 열교환기에서 많이 쓰이는 티타늄 열교환기의 대체금속을 알아보기 위하여 이중관 열교환기 실험 및 EES해석을 통해 열전달률을 비교해 보았다.
또한 건물의 냉난방, 급탕 열원 외에도 지역냉난방, 공장 열원 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이에 해양에너지를 이용할 수 있는 냉난방 시스템의 연구가 해양 심층수 이용 시스템의 기초자료로써 중요한 것이다.
제안 방법
Fig. 2와 같이 입출구의 온도를 측정하였으며 1차 실험은 내관 고온수의 입구온도를 30℃, 외관 저온수의 입구온도를 7℃로 유지했을 때, 각각 내관의 유량을 1, 2, 3, 4 lpm으로 니들 밸브를 통하여 조절하면서 외관의 유량은 10 lpm으로 유지하였고, 2차 실험은 내관 고온수의 유량을 2 lpm로 유지하고 외관 저온수의 유량을 니들밸브를 사용하여 각각 6, 8, 10, 12 lpm으로 변화시키면서 고온수 및 저온수의 입·출구 온도차와 열전달률 확인하였다.
Kim 등[2]의 부식특성 실험을 바탕으로 티타늄(Ti), 스테인리스강(SUS304), 알루미늄(Al), 구리(Cu)관을 선정하였고 부식을 고려하여 알루미늄 관을 카본블랙으로 전착 코팅하여 고온에서 장기부식에 따른 실험을 수행하였다.
Table 1은 이중관 실험의 실험관으로써 선정된 관의 재질이다. 관 재질로서는 지금 해양 심층수 이용 열교환기에 많이 쓰이고 있는 티타늄을 중점으로 SUS304, Al과 Carbon black 코팅 처리된 Al 등으로 정한 뒤, 이를 이중관 열교환기로 실험하여 열전달률을 구하였다.
본 연구에서는 심층수 이용 열교환 시스템에 사용하기 위한 금속재질의 특성에 따른 기초연구를 수행하였다. 기존의 해양 심층수 이용 열교환기에서 많이 쓰이는 티타늄 열교환기의 대체금속을 알아보기 위하여 이중관 열교환기 실험 및 EES해석을 통해 열전달률을 비교해 보았다.
최종적으로 구해진 열전달률을 비교하여 이중관 열교환기를 설계하였다.[6]
해석은 설계 시 수행하였던 식(1)∼식(7)까지의 계산 과정, 즉 ε-NTU 방법을 사용하였다. 해석수행 알고리즘은 내관의 고온수를 기준으로 하여 열전달률 및 물의 출구온도를 계산하였다. 성능 예측 프로그램에서 내관 및 외관의 유동의 열전달 계수는 Dittus-Boelter 상관식 (8)을 사용하였다.
데이터처리
다양한 유량 및 온도 조건에 대한 해석방법으로 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 사용하여 도출하였다.
이론/모형
해석수행 알고리즘은 내관의 고온수를 기준으로 하여 열전달률 및 물의 출구온도를 계산하였다. 성능 예측 프로그램에서 내관 및 외관의 유동의 열전달 계수는 Dittus-Boelter 상관식 (8)을 사용하였다.
해석은 설계 시 수행하였던 식(1)∼식(7)까지의 계산 과정, 즉 ε-NTU 방법을 사용하였다.
성능/효과
(1) 실험과 EES 해석으로부터, 실험값 대비 해석값의 평균편차가 약 5% 미만으로 이중관 열교환기 해석에 있어 본 연구에서 개발된 EES 해석 프로그램의 신뢰성을 충분히 확보하였다.
(3) 티타늄을 대체할 수 있는 금속으로는 부식 및 환경을 고려하였을 때, SUS304와 알루미늄 그리고 알루미늄 Carbon black 코팅이 열전달 성능 및 열전도도면에 있어서 그 대체 가능성을 확인할 수 있었다.
5, 6은 유량에 따른 이중관 열교환기 실험값과 EES 해석값을 비교한 결과이다. 6개 관에 대한 열전달량은 금속의 열전도도에 따라 Cu, Al, Al_Carbon Black_15, Ti, SUS304, Al_Carbon Black_150 순으로 높았다.
EES 해석값에서는 티타늄 대비 SUS304, 알루미늄, 구리, 알루미늄 Carbon black 15μm, 150μm은 각각 -0.5%, 2.7%, 2.9%, -0.1%, -10.9%으로 실험값과 동일하게 구리에서 가장 높은 열전달률을 보이며 알루미늄 Carbon black 150μm에서 가장 낮은 열전달률을 보여주고 있다.
%의 편차를 가졌다. Fig. 5, 6의 결과로부터 본 연구에서 개발된 EES 프로그램은 실험값을 해석하거나 예측하는데 충분한 신뢰성을 가지는 것으로 보인다.
내관의 유량이 많을수록 입출구의 온도차는 줄어들며 열전달률은 증가한다. 고온측과 저온측의 실험으로 측정한 고온수와 저온수의 출구온도를 EES로 계산한 출구온도와 비교한 그래프로 각각의 출구온도 값이 유사하게 거동함을 알 수 있다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 내관의 유량이 증가함에 따라 내관의 입출구 온도차는 줄어드는 반면 외관의 입출구 온도차는 다소 늘어났다.
2와 같이 입출구의 온도를 측정하였으며 1차 실험은 내관 고온수의 입구온도를 30℃, 외관 저온수의 입구온도를 7℃로 유지했을 때, 각각 내관의 유량을 1, 2, 3, 4 lpm으로 니들 밸브를 통하여 조절하면서 외관의 유량은 10 lpm으로 유지하였고, 2차 실험은 내관 고온수의 유량을 2 lpm로 유지하고 외관 저온수의 유량을 니들밸브를 사용하여 각각 6, 8, 10, 12 lpm으로 변화시키면서 고온수 및 저온수의 입·출구 온도차와 열전달률 확인하였다. 실험 시 온도센서와 유량센서의 보정과 반복 측정 및 단열로 불확실성을 최대한 줄였다.
6은 2차 실험으로 내관의 고온수 유량을 2 lpm으로 유지하며 외관의 저온수 유량을 6, 8, 10, 12 lpm으로 변화시키면서 실험과 해석을 하였다.실험값과 EES 해석값을 비교하면 Al_Carbon Black_15의 외관의 유량 12 lpm에서 약 0.3%의 편차를 보이며, Ti의 외관 8 lpm에서 약 8%의 편차를 보였다. 실험값과 해석값은 평균적으로 약 4.
5는 1차 실험으로 외관의 유량을 10 lpm으로 유지하며 내관의 유량을 1, 2, 3, 4 lpm으로 변화시키면서 실험과 해석을 하였다. 실험값과 EES 해석값을 비교하면 Cu의 경우에 내관 1 lpm에서 약 0.2%의 편차를 보였고 Al_Carbon Black_150의 경우에 약 12%의 편차를 보였다. 낮은 lpm에서는 열전달률이 적기 때문에 상대적으로 오차가 크게 나타난 것으로 보인다.
3%의 편차를 보이며, Ti의 외관 8 lpm에서 약 8%의 편차를 보였다. 실험값과 해석값은 평균적으로 약 4.%의 편차를 가졌다. Fig.
낮은 lpm에서는 열전달률이 적기 때문에 상대적으로 오차가 크게 나타난 것으로 보인다. 실험값과 해석값은 평균적으로 약 4.5%의 편차를 가졌다.
실험값에서는 티타늄 대비 SUS304, 알루미늄, 구리, 알루미늄 Carbon black 15μm, 150μm은 각각 1.5%, 0.6% 3.4% -6.4%, -11.7%로 구리에서 가장 높은 열전달률을 보이며 알루미늄 Carbon black 150μm이 가장 낮은 값을 보여주고 있다.
후속연구
(2) 부식을 방지하기 위하여 알루미늄에 카본블랙 코팅은 두께가 두꺼워 질수록 부식에는 강하겠지만 열전달률에 있어서는 상당이 많은 열저항이 발생하는 것으로 판단되므로 실제 현장적용을 위한 추가 연구가 필요하다.
따라서 해수 열원 에너지는 우리나라 해안의 인구밀집 도시에서 그 이용가능성이 상당이 크며 해수에너지의 냉난방, 급탕열원으로서 우수한 장점을 가지고 있다. 또한 건물의 냉난방, 급탕 열원 외에도 지역냉난방, 공장 열원 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이에 해양에너지를 이용할 수 있는 냉난방 시스템의 연구가 해양 심층수 이용 시스템의 기초자료로써 중요한 것이다.
하지만 심층수의 열원을 이용한 시스템들은 기존 시스템들에 비해 배관, 장비 등의 초기 투자 비용이 상대적으로 많이 소요됨으로 인해 향후 보급 확대를 위해 기존방법보다 비용절감 및 효율증대를 나타낼 수 있는 기술개발이 필요하다. 특히 열교환기 부분은 부식이 잘되지 않는 재질로써 가격이 고가인 티타늄(Titanium)으로 만들어지기 때문에 다른 재질에 비해 많은 비용이 든다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양 심층수가 무엇인가?
해양 심층수(Fig. 1)란 태양광이 도달하지 못하는 수심 200m 이상의 깊은 곳에 존재하는 바닷물로써, 태양열, 풍력 등의 자연 에너지와 마찬가지로 자원으로서는 저밀도 저농도이며 그 양은 막대하여 다양한 자원적 가치를 보유하고 있다[3,4].
해외의 해양심층수에 대한 개발사례는?
해외의 해양심층수에 대한 개발사례로는 섬으로 이루어져 바다와 접한 일본의 코치현, 오키나와현 등이 있으며, 미국 하와이의 NELHA(자연에너지 연구기구)에서도 실시되고 있다. 또한 우리나라에서도 강원도 삼척, 울릉도 등에서 해양 심층수에 대한 연구가 이루어지고 있다.
우리나라 해양심층수에 대한 개발은 어디서 이루어 지는가?
해외의 해양심층수에 대한 개발사례로는 섬으로 이루어져 바다와 접한 일본의 코치현, 오키나와현 등이 있으며, 미국 하와이의 NELHA(자연에너지 연구기구)에서도 실시되고 있다. 또한 우리나라에서도 강원도 삼척, 울릉도 등에서 해양 심층수에 대한 연구가 이루어지고 있다.
참고문헌 (6)
J. Y. Park, S. H. Jin, S. Kim, H. j. Kim, LCC Evaluation for Cooling System using Deep Ocean Water, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 2, pp.357-362, 2010
K. Y. Kim, K. W. Lee, Y. C. Kwon, J. T. Kwon, C. Huh, Study on metal corrosion characteristics according to the long-term corrosion under high temperature, The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 475-477, November, 2012
M. Y. Jo, Y. S. Suh, L. H. Jang, A Property Analysis on Spatial Distribution of Sea Water Temperature Difference for Site Selection of Ocean Thermal Energy Conversion Plant, Energy Engg., Vol. 8, No4, pp. 567-575, J(1999)
H. J. Kim, D. S. Moon, D. H. Jung, S. J. Yoon, Investigation and Analysis of the Characteristic Stability of Deep Ocean Water (I), Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 7, No. 1. pp.30-34, February 2004
H. J. Kim, G. T. Kim, S. H. Park, W. Y. Oh, H. J. Kim, A Feasibility Study on Thermal Energy Resource in Deep Ocean Water Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 15, No. 1. pp. 9-18, February 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.7846/JKOSMEE.2012.15.1.009
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