대한설비공학회(회장 최준영)는 지난 11월29일 열린 2024년 동계학술대회 '열교환기'세션을 개최했다. 강연자들은 판형열교환기와 지중열교환기 등 열교환기 관련 연구성과를 공유했다.
 

판형열교환기 최적상관식 DB구축 연구실증

유럽에서는 2029년 1월부터 과불화화합물(PFAS)은 물질사용이 금지된다. PFAS 규제가 현실화 되면 가용 가능한 냉매는 △R290 △R744 △R717 등으로 제한될 것으로 예상된다. 

 

그중 R290냉매는 R744냉매대비 냉방효율이 높지만 가연성 냉매이므로 정확한 충전량 평가 기술과 충전량 저감 전략이 필요하다.

 

송지원 중앙대 지능형에너지산업융합학과 학생은 R290냉매를 활용한 판형열교환기 연구에 대한 발표를 진행했다. 연구에 앞서 판형열교환기 열전달상관식을 조사하며 최적상관식 데이터베이스를 구축했다. 이후 최적상관식 기반 대칭형·비대칭형 판형 열교환기 모델링을 진행했다. 연구결과 실제 열교환기 용량과 예측 용량이 10% 내외로 나타났다. 

 

이후 열교환기별 냉매충전량을 예측해 과충전 상황에 대한 해석을 진행했다. 연구진들은 1차 상관식 후보군 선정을 선정하고 시뮬레이션 조건을 정리했으며 R410a 히트펌프시스템루프를 통해 응축상관식조합을 검증했다. 

 

연구진들은 셀별 열전달계수를 계산해 최종적으로 냉매수출구 입구온도를 결정했다. 총 24종의 상관식조합을 기반으로 실제용량과 모델링용량 오차측정 결과 모델링 열용량과 실제실험 열용량 절대 오차는 대부분 약 5% 내외인 것을 확인했다. 냉매 충전량이 700g 이상인 경우 응축기 냉매 충전량 비율이 50%를 넘어갔다. 

 

송지원 학생은 “냉매충전량이 700g 이상인 경우 응축기에 액냉매가 쌓여있었다”라며 “이러한 현상은 응축압력 증가로 인한 것으로 이에 따라 난방용량과 COP가 감소하는 효과가 나타났다”고 말했다.

 

지중열교환기 이중병렬운전사례 소개

박영준 인하대학교 건축공학과 석사과정생은 지중온도 불균형완화를 위한 지중열교환기 이중병렬운전방안에 대한 연구를 진행했다.

 

지열히트펌프시스템 설계 시 건물부하가 크면 다수 지중열교환기 활용해 부하 감당해 부하불균형이 발생하기 때문에 열간섭현상을 고려한 지중열교환기 설계가 필수적이다.

 

기존 지중열교환기 연구에서는 주로 병렬운전방식을 활용했지만 연구진들은 지중열교환기 과열·과냉상태를 고려한 적절설계 필요해 열교환기별 지중온도조건에 따라 운전이 가능한 모델을 개발했다.

 

연구진들은 FLS(Finite Line Source) 모델을 활용해 이중병렬운전을 구현했으며 냉방 부하가 지배적인 건물부하를 20년간 감당할 수 있도록 설계했다.

 

지중열교환기 배열은 원통형 배열로 총 7개로 열간섭이 심한 단일 지중열교환기로 건물의 급탕 부하를 감당했으며 바깥의 6개의 지중열교환기로 냉난방부하를 감당했다.

 

이중병렬운전 시 중앙 지중열교환기로 건물 급탕부하를 감당했으며 바깥에는 지중열교환기로 건물 냉난방부하를 감당했다. 상반되는 부하를 동시에 감당하도록 해 지중온도를 회복할 수 있도록 했다.

 

단일 지중열교환기와 이중병렬운전을 비교분석한 결과 지중열교환기만 활용한 경우 지중온도가 지속적으로 상승했으며 냉방 시 낮은 COP를 나타냈다. 

 

박영준 연구생은 “지중열교환기만 활용한 경우 지배적인 냉방 부하로 인해 지중온도가 지속적으로 상승해 열교환을 마친 순환수 온도가 점차 상승함에 따라 냉방 시 낮은 COP를 보였다”라며 “이중병렬운전인 경우 급탕 부하를 감당하는 중앙 지중열교환기 영향으로 냉방 부하로 인한 지중온도 상승이 비교적 적게 나타났다”고 말했다.

 

CNT활용 열교환기 방열성능 측정사례 공유

서석민 전북대학교 기계공학부 학부생은 발전용 SOFC용 열교환기 방열코팅 열전달특성연구를 진행했다.

 

SOFC시스템에서 열교환기는 배기가스의 폐열 흡입공기나 연료 등을 예열하는 데 사용하고 있는 상황으로 현재는 중대형급 SOFC에 적용되는 열교환기 개발을 통한 예비연구를 진행 중이다.

 

연구진들은 방열코팅소재로 ‘CU–탄소나노튜브(CNT)’를 사용했으며 폴리비닐 알코올(PVA)을 사용해 증류수와 혼합된 물질을 1시간 이상 섞은 뒤 시편을 시약에 5분간 용액에 적셨다. 이후 전기오븐에 100℃에서 1시간 건조했다.

 

코팅표면완성도 및 방열성능 위해 CNT 함량비를 각각 5%·10%·30% 비율로 코팅해 시판제품 2가지와 비교했다. 열교환기 내부삽입된 핀 코팅에 따른 열전달성능 비교를 위해 삽입부에 방열코팅을 진행했다. 파우더 질량에 의해 핀 벽면에 얇은 코팅면이 생성됐으며 바닥부는 침전에 의해 상대적으로 두꺼운 코팅 표면이 생성됐다. 

 

연구결과 CNT함량이 30%인 코팅시편이 가장 높은 방열성능을 나타냈다. 기존 시편대비 CUO·CNT 코팅시편 방열성능은 약 9.35였으며 시판제품은 7.65로 8.05 향상된 방열성능을 보였다. 

코팅 최적화를 위한 시편에서 방열 성능은 100℃에서 상온까지 자연냉각환경에서 코팅되지 않은 시편대비 약 10%가량 시간단축효과가 나타났다. 또한 기존 열교환기대비 공기측 열전달률과 총괄 열전달계수는 약 10% 향상됐다.

 

서석민 학생은 “현재 실험장치 제작이 완료되지 않아 기존 열교환기와 비교를 위해 코팅 후 실험을 진행할 예정”이라며 “실험조건 등 추가적 조건 아래서 유동해석을 진행하며 실험결과와 비교할 것”이라고 말했다. 

 

연료전지차량 적용 열교환기 연구사례 소개

정기택 고려대학교 기계공부 대학원생은 연료전지차량 적용 오프셋스트립 판형열교환기 냉각성능향상·성능특성분석위한 연구를 진행했다. 

 

열교환기 내부는 고온부와 저온부로 나뉘며 서로 다른 핀 형상을 가졌다. 차량적용을 위한 열교환기는 23개 판으로 구성해 5개 판으로 축소해 실험을 진행했다.

 

연구진들은 히터칠러를 설치해 열교환기를 간단한 형태로 구성했으며 시뮬레이션모델을 개발해 최적화 앞서 열교환기 온도 압력분포를 근거로 모델링을 단순화했다. 

 

이에 따라 열전달량 4.1% 오차범위 이내와 출구압력 1.5% 오차범위 이내에서 검증을 완료할 수 있었다. 열교환기 9개 핀형상을 찾아 최적화 변수로 설정했으며 실험데이터 기반 시뮬레이션 검증을 진행했다. 또한 열교환기 고온부 최적화결과 고온부측 핀 형상에 대해 두 차례 시뮬레이션을 진행했다.

 

정기택 연구생은 “열교환기 최적화 결과 양측 최적화를 진행했을 때 열전달량이 36.7% 증가했으며 펌프동력은 42.7% 감소했다”라며 “예측하지 않은 다른 작동조건과 열전달성능이 다른 열교환기에 비해 떨어질 수 있기에 추후 이런 부분을 고려해 향후 최적화를 진행할 것”이라고 말했다.