심층수 이용 열교환기 개발을 위한 기초연구: 열교환기 부식이 열교환기 성능에 미치는 영향 A Fundamentals study on Heat Exchanger using Deep Ocean Water: Effects of Corrosion on Heat Transfer Performance원문보기
본 논문은 심층수용 열교환기 재질로 티타늄, 알루미늄, 스테인리스, 구리와 알루미늄을 코팅하여 재질의 특성 및 부식이 미치는 영향을 조사하기 위하여 이중관 열교환 실험장치를 활용하였다. 열교환기 재질은 티타늄, 스테인레스, 구리, 알루미늄, 카본 코팅된 알루미늄 등 6종이 비부식관과 부식관에 대하여 해석과 실험이 수행되었다. 해석은 EES 프로그램을 사용하였다. 부식의 영향을 살펴보기 위하여 부식 제조장치를 제작하고, 3.5%의 염수를 $70^{\circ}C$의 온도로 약 6주간 담가서 가속부식을 실시하였다. 부식된 관으로 이중관 열교환기의 성능실험을 실시하여 비부식관과 비교하였다. 실험결과로부터 티타늄을 대체용으로 알루미늄 코팅관(카본 블랙$150{\mu}m$)의 가능성을 확인하였다.
본 논문은 심층수용 열교환기 재질로 티타늄, 알루미늄, 스테인리스, 구리와 알루미늄을 코팅하여 재질의 특성 및 부식이 미치는 영향을 조사하기 위하여 이중관 열교환 실험장치를 활용하였다. 열교환기 재질은 티타늄, 스테인레스, 구리, 알루미늄, 카본 코팅된 알루미늄 등 6종이 비부식관과 부식관에 대하여 해석과 실험이 수행되었다. 해석은 EES 프로그램을 사용하였다. 부식의 영향을 살펴보기 위하여 부식 제조장치를 제작하고, 3.5%의 염수를 $70^{\circ}C$의 온도로 약 6주간 담가서 가속부식을 실시하였다. 부식된 관으로 이중관 열교환기의 성능실험을 실시하여 비부식관과 비교하였다. 실험결과로부터 티타늄을 대체용으로 알루미늄 코팅관(카본 블랙 $150{\mu}m$)의 가능성을 확인하였다.
This paper presents the effects of the tube materials and corrosion 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 electro-deposi...
This paper presents the effects of the tube materials and corrosion 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 electro-deposition coatings(Carbon black_$15{\mu}m$, Carbon black_$150{\mu}m$) were tested. Also, the heat transfer rate of each heat exchanger was calculated by using EES program. For the acceleration of corrosion by sea water, the temperature of sea water $70^{\circ}C$ and the concentration of salt 3.5% were considered. And the specimens were immersed in sea water during 6 weeks. From the above experiment and analysis, aluminum with electro-deposition coating(Carbon black_$150{\mu}m$) can be considered the most promising candidate for the replacement of titanium heat exchanger.
This paper presents the effects of the tube materials and corrosion 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 electro-deposition coatings(Carbon black_$15{\mu}m$, Carbon black_$150{\mu}m$) were tested. Also, the heat transfer rate of each heat exchanger was calculated by using EES program. For the acceleration of corrosion by sea water, the temperature of sea water $70^{\circ}C$ and the concentration of salt 3.5% were considered. And the specimens were immersed in sea water during 6 weeks. From the above experiment and analysis, aluminum with electro-deposition coating(Carbon black_$150{\mu}m$) can be considered the most promising candidate for the replacement of titanium heat exchanger.
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문제 정의
부식환경에 노출된 금속표면 전체가 전기화학적 또는 화학적 반응에 의해 균일하게 침식되는 전면 부식, 두 개의 금속 혹은 같은 금속이라 할지라도 부식 환경조건이 국부적으로 다름에 의해 두 지점 간에 전위차이가 있을 때 전자의 이동에 따른 산화환원반응을 하는 갈바닉 부식, 부동태피막을 형성할 수 있을 정도의 높은 산화도를 가진 용액 내에서 부동태 피막을 파괴시킬 수 있는 염소 이온과 같은 원소가 존재할 때 발생하여 구멍 내부는 양극, 외부 전체는 음극이 되어 부식이 급속히 진행되는 틈새 부식 등,[2] 이러한 주요 부식은 열교환기의 효율 감소 및 수명 감소, 그리고 과열사고와 환경오염을 유발하는 주된 원인이라 할 수 있다. 따라서 우리는 부식에 따른 문제점을 해결하기 위해, 특히 열교환기의 효율 및 수명 감소를 막기 위하여 비부식관과 부식관의 실험을 통한 실험 값 비교, 부식을 막을 수 있는 방법을 실험을 통해 모색(전착도장, 블랙카본 코팅 등), 그 중 가장 효과적인 방법이 무엇인지 알아보고 비부식관과 비교하였을 때 효율이 어느 정도 발휘될 수 있는지 알아보는 실험을 하였다. 이러한 해양심층수를 이용한 열교환기 개발이 현재도 많이 진행되고 있다.
제안 방법
관 재질로서는 지금 해양 심층수용 열교환기에 많이 쓰이고 있는 티타늄을 중점으로 SUS304, Al과 Carbon black 코팅된 Al 등으로 정하여 이중관 열교환기로 해석하여 열전달률을 구하였다. 비부식관의 경우에는 Table 1의 물성치를 통해서 Al, Cu가 높은 열전도도와 비열을 가지는 것이 확인되므로 어느 정도 높은 열전달률을 얻을 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
본 연구에서는 심층수를 이용한 열교환 시스템에 사용하기 위하여 재질의 특성에 따른 기초연구를 수행하였다. 기존의 해양 심층수 이용 열교환기에서 많이 쓰이는 티타늄 열교환기의 대체 금속을 알아보기 위해 이중관 열교환기 실험을 통하여 6개의 재질에 대해 비부식관과 부식관을 비교 분석하였다.
[3] 이러한 이유로 본 연구에서는 티타늄을 대체할 만한 금속을 알아보기 위해 실험하였다. 먼저, 열교환기로서의 높은 효율을 내기 위해서 열전달률이 높은 재질이 무엇인지 알아보았고, 그것이 현재 해양심층수 이용 열교환기의 재질로 쓰이고 있는 티타늄을 대체할 수 있는 금속인지 조사하였다. 이전 연구결과를 참고하여 가볍고 가격이 싸다는 장점을 가지고 있으면서 열전달률도 좋은 알루미늄을 선택하였으며, 부식 문제를 보완하기 위하여 알루미늄 관을 블랙카본으로 코팅하였다.
비부식관과 부식관의 비교를 위해서 Ti, Al, SUS, Cu 그리고 블랙카본으로 코팅된 Al 관을 부식이 되지 않은 상태로 실험한 후에, 부식제조장치를 이용하여 6주 동안 실험용 관들을 부식시킨 뒤 실험하였다. 이를 통해 고온수 및 저온수의 입․출구 온도차와 열전달률을 확인하여 부식관과 비부식관의 열전달률 감소를 확인하였다.
대상 데이터
5%의 인공해수를 제조하고 70℃에서 6주간 침지하였다. 데이터의 재현성 및 반복성을 확인하기 위하여 5개의 시편 데이터를 이용하였다.
이론/모형
해석수행 알고리즘은 내관의 고온수를 기준으로 하여 끝으로 열전달률 및 물의 출구온도를 계산하였다. 그리고 이중관 열교환기의 다양한 유량 및 온도조건에 대한 해석을 위해 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 사용하였다.
이중관 열교환기는 대향류로 설계하였고 열전달은 식 (6), (7)과 같이 열전달 특성을 예측하기 위하여 유용도 NTU법을 사용하여 구하였다.[4]
성능/효과
(1) 실험값 대비 EES 해석값의 평균편차가 5% 미만으로 본 연구에서 개발된 EES 해석 프로그램의 신뢰성을 확보하였다.
(2) 비부식관 실험값과 EES 해석값을 비교하였을 때, Al이 편차가 적음으로 인해 신뢰도 가능하면서 열전달률이 높은 결과 값을 갖는 것을 알 수 있었고, 내관의 유량조절이 열전달률에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
(3) 부식관과 비부식관의 실험값을 비교하였을 때, Al이 가장 높은 열전달률을 보여주었다. 하지만 Al의 부식문제를 보완하기 위해 Al_carbon_15㎛와 Al_carbon_150㎛ 코팅을 하였고, 그 결과값들의 비교를 통해서 Al_carbon_15㎛가 대체 가능성이 높은 것으로 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해수 열에너지의 특징은?
그들 중 하나로 해양 심층수를 이용한 열교환기의 연구가 다양한 형태로 수행중이다. 해수 열에너지는 자연 에너지로서 온도의 계절변동이 하천수에 비해 적고, 동결온도가 약 -2℃로 낮아 하천수보다 저온까지 열이용이 가능하며, 냉·난방 시 대기와 5～10℃ 정도의 온도차를 가지고 있으므로 히트펌프의 열원으로서 아주 우수한 특성을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에, 북유럽의 스웨덴, 노르웨이 등에서는 1982년부터 해수 열원 기기를 지역난방용으로 이용하고 있다.
부식에 가장 강하면서 효율 또한 좋은 금속은?
이러한 해양심층수를 이용한 열교환기 개발이 현재도 많이 진행되고 있다. 현재로서 부식에 있어서 가장 강하면서 효율 또한 좋은 금속으로는 티타늄이 꼽히고 있으며 기존 심층수 이용 열교환기에 상당수 적용되어 왔다. 하지만, 가공성이 떨어지고 고가라는 문제점이 있기 때문에 이를 보완하기 위해서 티타늄을 대체할 금속에 관한 연구도 진행되고 있는 상태이다.
해양심층수 이용에 있어 가장 문제가 되는 부식에는 어떤 종류가 있는가
해양심층수를 이용함에 있어서 가장 문제시 되고 있는 점은 바로 부식이다. 부식환경에 노출된 금속표면 전체가 전기화학적 또는 화학적 반응에 의해 균일하게 침식되는 전면 부식, 두 개의 금속 혹은 같은 금속이라 할지라도 부식 환경조건이 국부적으로 다름에 의해 두 지점 간에 전위차이가 있을 때 전자의 이동에 따른 산화환원반응을 하는 갈바닉 부식, 부동태피막을 형성할 수 있을 정도의 높은 산화도를 가진 용액 내에서 부동태 피막을 파괴시킬 수 있는 염소 이온과 같은 원소가 존재할 때 발생하여 구멍 내부는 양극, 외부 전체는 음극이 되어 부식이 급속히 진행되는 틈새 부식 등,[2] 이러한 주요 부식은 열교환기의 효율 감소 및 수명 감소, 그리고 과열사고와 환경오염을 유발하는 주된 원인이라 할 수 있다. 따라서 우리는 부식에 따른 문제점을 해결하기 위해, 특히 열교환기의 효율 및 수명 감소를 막기 위하여 비부식관과 부식관의 실험을 통한 실험 값 비교, 부식을 막을 수 있는 방법을 실험을 통해 모색(전착도장, 블랙카본 코팅 등), 그 중 가장 효과적인 방법이 무엇인지 알아보고 비부식관과 비교하였을 때 효율이 어느 정도 발휘될 수 있는지 알아보는 실험을 하였다.
참고문헌 (6)
G. C. Jang, Y. J. Baek, H. S. Ra, J. Y. Kim, J. H. Lee, The Operation characteristics of a sea water source heat pump system, The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, Collected papers of summer research meeting, pp.1353-1357, June, 2008.
J. G. Kim, K. H. Kim, S. J. Kim, G. H. Park, K. M. Moon, An Electrochemical Study on the Corrosion Property of Materials for Sea Water Heat Exchange System, International Conference on Marine Engineering, Vol.26, No 1, pp.99-107, 2002.
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.
O. B. Kwon, Introduction to Thermodynamics & Heat Transfer, 4th ed, McGraw-Hill, pp 346-391, 2008.
U. G. Lim, G. C. Jeong, S. Y. Lee, Corrosion and Protection of Mechanical Materials, Hyung Seul Pub., 2006.
D. A. Jones, Principles and prevention of Corrosion, Prentice Hall, 2004.
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