[논문]열교환기에서 부식이 열전달에 미치는 영향에 관한 연구

권현민; 권정태

doi:10.5762/kais.2019.20.9.227

초록
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심층수와 표층수의 온도 차이를 이용하는 히트펌프 시스템이나 해수열원 발전시스템(OTEC)의 열교환기는 해수의 염분에 의하여 발생하는 열교환기의 표면 위에서의 부식 현상에 의하여 열전달 성능이 저하된다. 본 연구는 이중관식 열교환기 실험을 통하여 부식시간에 따른 열전달저하를 실험하고 분석한 내용을 제시한다. 이러한 연구는 고가의 티타늄 열교환기를 대체하기 위하여 알루미늄에 전착 코팅을 하여 제작된 코팅 관을 통해 수행되었다. 코팅 두께 10, 15, $20{\mu}m$의 알루미늄 관 및 티타늄 관을 각각 6주, 12주, 18주씩 가속 부식시킨 후에 이중관 열교환기 실험을 통하여 코팅 두께 및 부식 시간에 따른 열전달의 변화를 측정하고 분석하였다. 코팅이 얇을수록 더 빠르게 블리스터 현상이 발생하였다. $15{\mu}m$의 코팅 관의 경우 12주 부식까지는 좋은 열전달 성능을 보였으나, 18주 부식의 경우에서 열전달 성능의 감소를 보였다. 연구결과로부터 본 실험 조건에서는 $20{\mu}m$의 두께로 코팅된 알루미늄관이 티타늄을 대체할 수 있는 열전달 성능을 가질 수 있음을 확인하였다. 또한, 부식 시간에 따른 부식 열저항의 증가에 대한 고찰을 통하여 향후 부식 열저항 모델 개발의 방법론을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heat pump systems based on ocean thermal energy conversion (OTEC) systems use the temperature difference between deep ocean water and surface ocean water to operate. However, they may have heat transfer degradation due to corrosion on the heat exchanger surface due to the salinity of sea water. This...

Heat pump systems based on ocean thermal energy conversion (OTEC) systems use the temperature difference between deep ocean water and surface ocean water to operate. However, they may have heat transfer degradation due to corrosion on the heat exchanger surface due to the salinity of sea water. This study presents experimental results for the heat transfer decrease of corroded metal tubes with respect to corrosion time. In order to replace high-priced titanium, electro-deposition (ED) coating was performed on aluminum tubes. Aluminum tubes with ED coating thicknesses of 10, 15, and $20{\mu}m$ were tested for double-tube heat exchangers after performing accelerated corrosion for 6, 12, and 18 weeks. The effects of the coating thickness and the corrosion time on the heat transfer degradation were investigated. From the results, the aluminum tube with an ED coating of $20{\mu}m$ thickness can be suggested as a candidate for replacing titanium tubes.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Thermal conductivities of metal tubes and their specifications
표 Table 2. Experimental conditions of double-tube heat exchangers
그림 Fig. 1. Experimental apparatus and schematic diagram[5]
그림 Fig. 2. Photos of tube in 6 week-enhanced corrosion
그림 Fig. 3. Photos of tube in 12 week-enhanced corrosion
그림 Fig. 4. Photos of tube in 18 week-enhanced corrosion
그림 Fig. 5. The effects of corrosion time on the heat transfer rates

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 티타늄 관과 10, 15, 20 μm의 두께로 전착 코팅 된 알루미늄 관을 각각 6주, 12주, 18주씩 가속 부식 시킨 후에 이중관 열교환기 실험을 통하여 코팅 두께 및 부식 시간에 따른 열전달의 변화를 측정하고 분석하였다. 이러한 연구를 통하여 해수용 열교환기에서 주로 사용되는 티타늄 관의 알루미늄 전착 코팅 관으로의 대체 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

부식은 증류수에 해수염도에 해당하는 3.5%의 염화나트륨을 혼합한 뒤, 가속부식을 위하여 온도를 70℃로 가열한 후 6주, 12주, 18주간 진행하였다. 해수는 온도가10℃ 상승할 때 부식 속도는 약 30% 증가하며 70~80℃까지 부식속도가 증가한다고 보고되고 있다[7].
실험은 비부식관과 6주, 12주, 18주 부식관(Ti, Al, Al전착 코팅 관)을 사용하여 이중관 열교환기에 설치하고 열전달율을 측정하였다. Fig.
이번 연구에서는 기존 연구를 좀 더 심화하여 코팅 두께 및 부식 시간의 영향 등을 좀 더 면밀히 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 즉, 티타늄 관과 10, 15, 20 μm의 두께로 전착 코팅 된 알루미늄 관을 각각 6주, 12주, 18주씩 가속 부식 시킨 후에 이중관 열교환기 실험을 통하여 코팅 두께 및 부식 시간에 따른 열전달의 변화를 측정하고 분석하였다. 이러한 연구를 통하여 해수용 열교환기에서 주로 사용되는 티타늄 관의 알루미늄 전착 코팅 관으로의 대체 가능성을 확인하고자 하였다.
해수용 열교환기에 주로 사용되는 티타늄(Ti)을 대체하기 위한 목적으로 다섯 가지의 금속관 (Ti, Al, Al__ed_10μm, 15μm, 20μm)의 열전달률을 측정하였다. 또한 부식시간의 영향을 파악하기 위하여 6주, 12주,18주의 가속 부식 (accelerated corrosion)된 금속관에 대하여 이중관 열교환기 실험을 수행하고 비부식관의 열전달 결과와 비교함으로써 부식 시간이 열전달에 미치는 영향을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

이중관 열교환기는 대향류로 설계하였고 열전달률을 구하기 위하여 ε-NTU 방법을 채택하였다. 상세한 실험방법은 기존연구[3]에 나타낸 바와 같다.

성능/효과

3.1의 내용을 통해 볼 때 부식이 많이 될수록 열전달의 저항이 증가하여 열전달 성능이 저하됨을 알 수 있다. 관의 총괄 열저항 R_t 는 Eq.
둘째, 18주 부식관 중에서 Al__ed_10μm는 블리스터 현상이 더욱 심각해져 열전달률 감소가 거의 순수 Al 관과 비슷한 수준이 되었다. Al__ed_15μm 관도 조금씩 열전달률이 감소되어 Ti의 열전달률과 비슷한 결과를 얻게 되었다.
20 μm 코팅관의 경우에는18주 가속부식 때까지 블리스터 현상을 거의 보이지 않았다. 부식을 방지하기 위하여 전착 코팅 관에서 블리스터 현상이 일어나게 되면 열저항으로 작용하게 되어 오히려 열전달 성능이 저하될 수도 있을 것이며, 이러한 예측은 실험 및 해석 결과에서 확인할 수 있었다.
셋째, 이상의 결과로부터, 본 실험의 범위내에서 Al__ed_20μm관이 티타늄 관을 대체할 능력이 가장 우수함을 알 수 있었다. 물론 더 두꺼운 코팅을 할 경우 내부 식성은 우수해 질 수 있겠으나, 코팅두께의 증가에 따른 열저항 증대로 인하여 열전달성능을 티타늄 수준으로 유지하기는 어려울 것으로 판단된다.
86%에지나지 않았으며, 18주에서는 Al__ed_15μm와 같이924W로 가장 높은 열전달률을 보였다. 이상의 고찰을 통해 볼 때 부식 시간이 12주가 될 때까지는 Al__ed_15μm의 열전달 성능이 우수하였으나, 18주의 장기 부식에있어서는 Al__ed_20μm이 다른 모든 관보다 Ti 대체 능력이 더 우수함을 알 수 있었다.
첫째, 6주 부식에서는 Al이 가장 높은 열전달률을 보였지만 부식이 많이 발생함을 알 수 있었다. 또한, Al__ed_10μm에서 코팅 면이 부풀어 오르는 블리스터 현상이 나타나면서 열전달률이 감소하였다.

후속연구

본 실험 데이터를 이용하여 6주, 12주, 18주의 부식에 따른 부식 열저항(Corrosion thermal resistance) R_c를 따로 추출한다면 시간에 따른 부식의 영향을 모델화할 수 있을 것이다. 이러한 연구는 보다 많은 경과 시간 및 다양한 재질의 금속관에 대한 데이터가 필요하므로 향후 연구로 남긴다.
를 따로 추출한다면 시간에 따른 부식의 영향을 모델화할 수 있을 것이다. 이러한 연구는 보다 많은 경과 시간 및 다양한 재질의 금속관에 대한 데이터가 필요하므로 향후 연구로 남긴다.
기존연구[5]에서는 6주 부식된 알루미늄 코팅관(15, 150 μm)에서의 연구를 통하여 15μm로 전착 코팅된 알루미늄 관의 티타늄에 대한 가능성을 탐색한 바 있으나, 부식 시간이 다소 짧고 코팅 두께의 최적화도 더 필요하다는 결과를 보고한 바 있다. 이번 연구에서는 기존 연구를 좀 더 심화하여 코팅 두께 및 부식 시간의 영향 등을 좀 더 면밀히 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 즉, 티타늄 관과 10, 15, 20 μm의 두께로 전착 코팅 된 알루미늄 관을 각각 6주, 12주, 18주씩 가속 부식 시킨 후에 이중관 열교환기 실험을 통하여 코팅 두께 및 부식 시간에 따른 열전달의 변화를 측정하고 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉난방시스템이나 해수 열원 발전(OTEC) 시스템을 이용하였을때 발생하는 문제점은?	이러한 온도 차이를 이용하면 히트펌프와 같은 냉난방시스템 뿐 만 아니라 해수 열원 발전(OTEC) 시스템을 이용한 발전도 가능하다[1]. 해수에서 사용하는 위와 같은 시스템의 핵심부품인 열교환기는 해수의 염분으로 인하여 발생하는 부식(corrosion) 때문에 열교환기의 열전달 성능이 저하 될수 있다[2]. 본 저자(J.
	해수의 특징은?	화석연료의 고갈과 기후변화에 대응하기 위한 인류의 노력은 최근까지 소위 신재생에너지의 확산 및 에너지기기의 효율화로 이어져 오고 있다. 해수는 태양에너지가 도달하는 표층수와 태양에너지가 도달하지 못하는 심층수와의 사이에서 온도 차이가 존재한다. 이러한 온도 차이를 이용하면 히트펌프와 같은 냉난방시스템 뿐 만 아니라 해수 열원 발전(OTEC) 시스템을 이용한 발전도 가능하다[1].
	블리스터 현상이 일어나면 발생하는 문제점은?	20 μm 코팅관의 경우에는18주 가속부식 때까지 블리스터 현상을 거의 보이지 않았다. 부식을 방지하기 위하여 전착 코팅 관에서 블리스터 현상이 일어나게 되면 열저항으로 작용하게 되어 오히려 열전달 성능이 저하될 수도 있을 것이며, 이러한 예측은 실험 및 해석 결과에서 확인할 수 있었다.

참고문헌 (7)

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.
Y. C. Kwon, K. Y. Kim, C. Huh, M. I. Cho, J. T. Kwon "Experimental study on coating corrosion characteristics of heat exchanger for sea water", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.14, No.9, pp.4117-4123, 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.9.4117

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J. T. Kwon, C. K. Lee, C. Huh, M. I. Cho, K. Y. Kim, Y. C. Kwon, "A fundamentals study on heat exchanger using deep ocean water: effects of material on heat transfer performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.14, No.10, pp.4658-4664, 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.10.4658

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Y. C. Kwon, S. H. Lee, C. Huh, M. I. Cho, C. K. Lee, J. T. Kwon "A fundamentals study on heat exchanger using deep ocean water: effects of corrosion on heat transfer performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.14, No.11, pp.5377-5384, 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.11.5377

원문보기 상세보기
H. M. Kwon, The Effects of Corrosion on the Performance of the Heat Exchanger using Deep Ocean Water, Master's Thesis, Hoseo University, pp.38-39, 2014.
D. A. Jones, Principles and prevention of Corrosion, Prentice Hall, 2004.

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