J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(4): 361-367  https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.4.361
A Study on Fluid Characteristics in Double Pipe Heat Exchanger by Influent Flow
Sunghoon Hong*, Shinin Han**, Youngwook Jung**, Yongju Kwon***, Jongyeong Kim***, and Soonchul Kwon****
* Member, Ph.D. Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University,
** R&D Center, Seoyoung Engineering Corp., Korea,
*** Master Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University
Correspondence to: Member, Assistant Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University (Tel: +82-51-510-7640, Fax: +82-51-513-9596, E-mail: sckwon@pusan.ac.kr)
Received: June 7, 2017; Revised: June 12, 2017; Accepted: June 19, 2017; Published online: August 30, 2017.
© The Korean Society of Hazard Mitigation. All rights reserved.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

For utilizing geothermal heat energy efficiently, manufacturing technology for energy-efficient heat exchanger is needed. Conventional U-type heat exchangers have both low efficiency of heat exchange and high cost due to large boring area. Herein, to develop cost-friendly heat exchanger, we introduce double pipe heat exchanger. For this purpose, we used a double pipe (2 m single, 4 m single, 4 m (2+2 m) connection, 6 m single, and 8 m (4+4 m) connection) to figure out the characteristics of flow tendency by controlling influent flow rate up to 70 Lm-1 at the interval of 5 Lm-1. Experimental results showed that head loss increased as the length of heat exchanger and influent flow increased. In the result of regression analysis at the practical condition of flow rate (100 Lm-1) and depth (50 m), head loss and Reynolds number were expected to be 1,120 cm and 65,690, respectively, indicating strong vortex in the double pipe heat exchanger.

Keywords: Double Pipe Heat Exchanger, Head Loss, Regression Analysis
1. 서론

세계는 화석연료의 활용과정에서 발생한 온실가스(CO2)로 인해 지구온난화와 이상기후에 따른 자연재해 등의 문제에 직면하고 있으며, 특히 해수면 상승으로 인해 몰디브, 키리바시, 투발루, 피지, 솔로몬제도와 같은 섬나라는 멀지 않은 미래에 사라질 위험에 처해있다(Mishra, 2017). 이에 온실가스의 배출에 의한 문제를 해결하고자 187개 국가는 이산화탄소의 배출량을 감축하기 위한 파리기후협약에 참여하고 있으며, 한국은 2030년 배출전망치 대비 37%를 저감한다는 감축목표를 UN에 제출하였다(Paris Climate Agreement, 2015). 협약체결에 따른 온실가스 감축비율의 달성과 동시에 친환경에너지 사용에 대한 사회적 요구를 해결하기 위한 대안으로 수소가스, 연료전지, 태양광, 태양열, 풍력, 수력에너지, 해양에너지, 지열, 바이오매스, 폐기물, 수열 등을 에너지원으로 이용하는 신재생에너지시스템의 개발 및 활용이 있을 수 있다. 이 중 지열에너지시스템은 냉난방에 필요한 에너지를 절감시켜 연료 구매 비용과 온실가스(CO2)의 배출량을 저감시키는 효과를 가지고 있으며, Nam and Paek (2007)의 실증연구사례에 따르면 2006년 12월부터 2007년 6월까지의 기간 동안 지열히트펌프를 이용하여 난방용 경유 147,132 L를 절감하고 294 ton의 이산화탄소 배출을 저감한 것으로 나타났다. 이러한 장점을 바탕으로 정부는 ‘신재생에너지 기술개발 및 보급 목표’에서 1차 에너지를 기준으로 지열에너지가 차지하는 비율이 2020년엔 2.7%에서 2035년까지 8.5%가 되도록 보급을 확대할 계획이다(Ministry of Trade, Industry and Energy and Korea Energy Agency, 2016). 현 정책상으로 지열에너지 시설에 대한 인증서, 시험성적서, 성능표, 설계요약서 등의 내용을 담은 지열이용 검토서를 승인받을 경우는 정부로부터 시설설치에 따른 지원금을 받을 수 있다(Korea Energy Agency, 2014). 그러나 정부가 제공하는 보조금에도 불구하고 Yu and Bae(2010)에 따르면 지열시스템의 설치를 위해선 기존의 냉난방 설비에 비해 두 배 이상의 초기 투자비가 필요하며 이 비용 중 40~50% 정도는 지중열교환기의 설치 시 천공 비용으로 사용되는 등 시공비용 측면에서 어려움이 있는 것으로 나타났다. 지열시스템의 보급 확대를 위해 높은 시공비로 인한 어려움을 극복하고자 Kim et al.(2012)은 지중열교환기의 과도한 설계를 지양하고 효율적인 설계를 강조하였다. 지중열교환기의 설계조건과 관련해서 Yoon et al.(2013)Lee et al.(2014)는 U자형, W자형, 2U자형, 코일형태의 열교환기에 대해 각각 열교환 효율과 시공에 필요한 비용을 비교분석하였다. 상용화된 U자형 지중열교환기에 대해 연구한 Min and Choi(2011)에 따르면 U자형 열교환기를 지하로 관입시키는 과정에서 발생하는 관의 비틀림으로 인해 유입⋅유출관 사이의 간격이 유지되지 못할 경우, 열교환 성능이 저하될 수도 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 지열시스템의 보급확대를 위해 천공면적을 줄여 시공비를 절감하고, U자형 관에서 발생할 수 있는 열교환효율의 저하를 방지하기 위해 구조가 비교적 간단하고 같은 치수의 관을 직렬 또는 병렬로 연결하여 열교환면적을 증가시킬 수 있는 이중관형 지중열교환기에 대해 연구를 수행하였다. 지열시스템의 실제 상용화 조건을 만족하려면 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기 내부로 100 Lm-1 유량의 유입이 필요한데 실제 이 조건에서 손실수두를 측정하고 유체흐름의 특성을 분석하기엔 어려움이 있기 때문에 본 실험에서는 최대 8 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 최대 70 Lm-1의 유량까지 5 Lm-1 간격으로 유입유량에 따른 손실수두를 측정하였다. 그리고 최종적으로는 측정된 손실수두결과를 회귀분석하여 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기가 100 Lm-1의 유량조건일 때 예상되는 손실수두와 레이놀드수(Reynolds, 1883)를 구하여 유체의 흐름특성을 파악하고, 에너지 손실을 고려하여 최적화된 관의 설계를 하고자 하였다.

2. 관내 손실수두 및 레이놀드수의 산정

지중열교환기 내부에서 흐르는 유체는 관수로의 흐름을 가지며 Eq. (1)과 같은 베르누이방정식(Bernoulli, 1738)을 이용하면 실험수가 가지는 에너지를 길이개념으로 나타낸 수두로 정리할 수 있다.

p1γ+z1+υ122g=p2γ+z2+υ222g

지중열교환기 내에서 와류흐름이 발생할 경우 관의 벽 쪽 분자도 측방향으로 혼합되며 열교환을 할 수 있어 열교환 효율이 증가하기 때문에 와류가 발생하는 난류흐름은 층류에 비해 유리하며 이러한 경향은 Henze et al.(2011), Henze and Wolfersdorf(2011), 그리고 Isaev et al.(2005)의 연구결과에도 나타났다. 이런 이유로 열교환기의 설계를 위해선 유체의 흐름특성파악이 필요하기 때문에 관 내부의 흐름이 층류인지 난류인지 여부를 판단할 수 있도록 Eq. (2)와 같이 관내 유속(V), 관경(D), 동점성계수(υ)를 활용하여 레이놀드수(Re수)를 계산하고 각 유입⋅유출부에서 유입유량에 따라 층류 및 난류를 결정하였다.

Re=VDν

이때 Re수(Reynolds Number)의 계산결과가 4,000 이하일 때의 유체흐름은 층류 ~ 전이구간에 해당하기 때문에 원형형상의 열교환기 단면에 대해 적용이 가능한 층류 원관의 마찰손실계수공식 Eq. (3)을 이용하여 마찰손실계수 λ를 구했다.

λ=64Re

Re수가 4,000 이상인 경우는 유체가 난류의 흐름을 가지며, Eq. (4)와 같이 난류에서도 적용이 가능한 Blasius 공식(Blasius, 1912)을 이용하여 마찰손실계수λ를 산정하였다.

λ=0.316×Re0.25

열교환기 내부에서는 마찰에 의한 손실이 발생할 수 있는데 관수로에서는 Eq. (5)와 같은 Darcy-Weisbach 법칙(Weisbach, 1845)을 사용할 수 있으며, 마찰손실계수(λ), 관의 길이(L), 관 직경(D), 유속(v), 중력가속도(g)를 이용해 마찰손실수두를 계산할 수 있다.

hL=λ×LD×υ22g
3. 실험의 구성 및 진행

본 실험에서는 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기 내에서 100 Lm-1 유량일 때 발생할 손실수두를 예측하기 위해 최대 8m 길이의 열교환기에서 최대 70 Lm-1까지 5 Lm-1 간격으로 유량을 조절하며 손실수두를 측정하였다. 이때 열교환기를 실제로 지하에 설치하기 위한 천공작업은 어려움이 있어 이를 해결하고자 지면으로부터 9.5 m 높이에 위치한 건물 옥상면과 건물외벽을 활용해 열교환기의 손실수두 관측시스템을 구축하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Experimental Setup for Head Loss Measurement


이중관형 지중열교환기를 깊은 지하까지 설치하려면 관들을 전기융착방식으로 이음처리하기 때문에 본 실험에서도 이음을 통해 열교환기를 제작하였다. 실험에 필요한 열교환기는 설계도면(Fig. 2(a))과 같이 PE (Polyethylene)재질의 D 4.0 cm 내관과 D 7.5 cm 외관을 이용해 2 m 단일형, 4 m 단일형, 2 m관 2개를 전기열융착한 4 m (2+2m) 이음형, 6 m 단일형, 4 m 외관 2개를 전기열융착한 8m (4+4m) 이음형 관을 전기열융착용 소켓과 결합하여 제작하였다(Fig. 2(b)). 열교환기 내부로 20°C의 실험수를 순환시키기 위해 2m 단일형 열교환기 실험에는 5~30 Lm-1 범위의 유량조절이 가능한 정격출력 1,100 W의 펌프시스템을 사용했고, 4 m 단일형 및 이음형, 6 m 단일형, 8 m 이음형 열교환기 실험에는 최대 110 Lm-1의 유량까지 조절이 가능한 정격출력 1,700 W의 펌프시스템을 사용하여 15~70 Lm-1 범위에서 5 Lm-1 간격으로 유입유량과 열교환기 길이 조건의 변화에 따른 손실수두를 측정하고, Re수를 계산하여 열교환기 내부에 발생하는 와류 등의 흐름특성을 파악하였다.

Fig. 2.

Specific Design of Double Pipe Heat Exchanger


4. 이중관형 열교환기의 손실수두 측정결과 및 관내 흐름특성 분석

4.1 이중관형 및 U자형 열교환기의 손실수두 비교

본 연구에서는 이중관형 지중열교환기를 이용한 실험에 앞서 이를 연구대상으로 선정한 타당성을 검증하기 위해 일반적으로 널리 사용되는 U자형 열교환기와의 손실수두를 비교하였다. 이중관형 및 U자형 열교환기를 비교한 선행연구로서 Choi et al.(2009)는 냉방부하가 변동되어도 실외열교환기 입구의 온도는 실외열교환기 출구온도와 COP (Coefficient of Performance) 및 냉방용량 변화에 비해 안정적이기 때문에 두 열교환기가 대등한 성능을 보인다고 하였다. 그러나 열교환기의 펌프용량설계를 위한 U자형 지중열교환기의 손실수두와 관련된 연구사례는 없었다. 때문에 우리는 동일한 관경(D 40 mm)과 길이(2 m)의 PE관을 사용한 이중관형 및 U자형 지중열교환기에 대해 유입유량에 따른 손실수두를 비교하였다. 실험결과 15 Lm-1 유량보다 큰 경우부터는 이중관 형상이 U자형보다 손실수두가 더 적게 나타났으며, 특히 30 Lm-1 유량일 경우 64% 낮은 손실을 나타냈다(Fig. 3).

Fig. 3.

Head Loss of U Type and Double Pipe Type at 2m Length


이를 바탕으로 판단할 때 상용화된 지중열교환기에 요구되는 유량인 100 Lm-1 조건을 만족하기 위해서는 이중관 형상이 U자형보다 더 적합하다 판단하여 이중관형 지중열교환기에 대한 추가적인 실험을 실시하였다.

4.2 지중열교환기 길이에 따른 손실수두 변화

여러 길이의 이중관형 지중열교환기에 대해 유입유량에 따른 손실수두를 측정한 결과는 Fig. 4와 같이 나타났으며 열교환기 길이에 관계없이 유입유량이 증가함에 따라 손실수두 증가량이 점차 커지는 2차함수의 관계를 보였는데 이는 Ntengwe et al.(2015)의 연구결과에서 나타난 손실수두 증가경향과 같았다.

Fig. 4.

Head Loss Overview of All Cases


동일 유량조건에서 열교환기의 길이가 늘어날수록 손실수두가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 Darcy- Weisbach 법칙을 나타낸 Eq. (5)의 관계에 따라 관 길이(L)가 길어질 때 관내 마찰손실(hL)도 증가하기 때문으로 판단된다(Table 1).

Table 1

Condition of Max. Head Loss

Type of ExchangerMaximum Head Loss (cm)Influent Flow Rate (L/min)
2m Single14.830
4m Single84.570
4m Connection87.270
6m Single111.570
8m Connection138.070

4.3 전기열융착 이음방식에 의한 손실수두 영향

50 m 길이의 이중관형 지중열교환기를 시공하기 위해서는 전기열융착 방식을 이용한 관의 이음이 필수적이기 때문에 이음이 손실수두에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다. 이에 본 실험에서는 이음여부에 따른 손실수두를 비교하고자 4 m 길이의 단일형과 이음형 열교환기를 제작 및 실험하여 전기열융착 이음방식이 손실수두에 미치는 영향을 분석하였다(Fig. 5).

Fig. 5.

Head Loss Difference Between Single and Connection Type


비교결과 유입유량이 40 Lm-1까지는 두 관의 차이가 크지 않았으나, 45 Lm-1 이상부터는 4 m 이음형관의 손실수두가 더 높아지는 경향을 확인할 수 있었다. 최대 유량인 70 Lm-1 에서 단일형과 이음형 열교환기는 2.7 cm의 손실수두 차이를 보였다. 하지만 이는 해당유량의 손실수두인 87.2 cm의 3%에 해당하는 값이기 때문에 이음에 의한 손실수두발생은 크게 없는 것으로 판단된다.

4.4 회귀분석을 통한 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기의 손실수두 예측

본 연구에서는 실제 현장에서 지열발전에 적용되는 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 대해 100 Lm-1 유량일 때의 손실수두를 예측하고자 하였다. 이때 열교환기를 제작하기 위해서는 짧은 관들을 이음처리하기 때문에 4 m의 경우 이음형의 결과를 적용하여 2 m 단일형, 4 m 이음형, 6 m 일체형, 8 m 이음형 열교환기에서 측정한 손실수두 값을 바탕으로 유입유량과 손실수두의 관계에 대한 회귀분석을 하였다(Table 2). 그리고 100 Lm-1의 유량일 때 2 m, 4 m, 6 m, 8 m 교환기의 손실수두 값들을 다시 교환기 길이에 대해 회귀분석한 결과 50 m 길이의 교환기에는 1,120 cm의 손실수두가 발생할 것으로 예측하였다. 이와 동일한 방법을 적용하여 70 Lm-1, 45 Lm-1, 20 Lm-1 유량조건에서 50 m 길이의 열교환기의 손실수두는 각각 598 cm, 293 cm, 88 cm로 예상할 수 있었다(Fig. 6).

Table 2

Regression Equations and R2 Value of Each Double Pipe Heat Exchanger

Type of Heat ExchangerRegression EquationCoefficient of DeterminationExpected Head Loss at Flow Rate of 100 L/min (cm)
2 m singley = 0.0144x2 + 0.0487x + 0.26R2 = 0.9986144
4 m singley = 0.0163x2 – 0.0198x + 4.2966R2 = 0.9988165
4 m connectiony = 0.0178x2 – 0.0556x + 3.5488R2 = 0.9993176
6 m singley = 0.0212x2 + 0.1228x – 0.243R2 = 0.9998224
8 m connectiony = 0.0218x2 + 0.465x – 0.4603R2 = 0.9997264

Fig. 6.

Regression Line for Expecting Head Loss of 50m Heat Exchanger


4.5 이중관형 지중열교환기의 관내 흐름 양상 파악

선행연구에 따르면 지중열교환기의 높은 열교환 효율을 위해서는 관내에서 발생하는 와류흐름이 효과적일 수 있으며 이때 유체에서 와류가 발생하는 정도를 나타내는 척도로서 Re수를 활용할 수 있다. 이러한 이유로 상용화된 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에서 100 Lm-1 유량의 와류발생여부를 예측하기 위해 Re수를 이용하였다. Re수를 구하기 위해 우선적으로 유입부와 유출부의 내관과 외관에 대한 직경(D)이 필요하였는데 유입수의 경우 외관 내부로 내관이 지나가는 이중관형 지중열교환기의 형상적 특징으로 인해, 외관의 직경을 바로 측정할 수 없었기 때문에 외관의 면적에서 내관의 면적만큼을 제외한 단면적을 원형 단일관으로 적용했을 때의 직경으로 환산하여 계산하였다. 유입부의 환산면적은 외관의 내경 6.1 cm에 해당하는 29.2 cm2에서 내관의 외경 4.0 cm의 12.6 cm2를 제외한 16.6 cm2로서 유입부의 직경은 4.6 cm으로 산정되었고, 유출부의 직경은 내관의 내경인 3.2 cm를 사용하였다. Re수의 계산을 위해 교환기 내의 유속은 유입유량과 단면적의 관계에 따라 산정되었고 동점성계수는 실험에 사용한 20°C의 물에 해당하는 0.0101 cm2/sec 의 값을 사용하였다. 이때 Eq. (2)의 관계에 따라 Re수는 유량의 증가에 따라 비례하여 증가할 것으로 예상하였으며 회귀분석식을 통해 유입유량과 Re수가 1차 함수관계로 비례하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 7).

Fig. 7.

Linear Regression Line for Assuming Reynolds No.


이러한 경향을 바탕으로 열교환기의 직경변화가 없다면 100 Lm-1의 유량조건일 때의 Re수는 약 65,690으로 계산되었으며, 이중관형 지중열교환기 내에서 난류현상에 의해 와류를 많이 일으키는 유체의 흐름을 예상할 수 있었다.

5. 결론

본 연구에선 상용화된 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 대해 100 Lm-1의 유량조건일 때 발생하는 손실수두 및 유체흐름특성을 예측하고자 하였다. 이를 위해 전기열융착 이음을 사용하여 2 m 단일형, 4 m 단일형 및 이음형, 6 m 단일형, 8 m 이음형 열교환기를 제작하고, 교환기 내부로 최대 70 Lm-1까지 유량을 조절하며 손실수두를 측정하였다. 실험을 통한 이중관형 지중열교환기 내 유체흐름의 분석결과는 다음과 같다.

  • 2 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 대한 수두 측정결과 최대 유량인 30 Lm-1에서 U자관에 비해 64% 낮은 손실수두를 보여 이중관형 지중열교환기의 적용은 타당한 것으로 나타났다.

  • 모든 길이의 열교환기에서 유입유량이 증가함에 따라 손실수두는 2차함수 형태로 증가하였다. 또한 같은 유량일 경우, 교환기의 길이가 길어질수록 손실수두가 늘어나는 경향을 정량적으로 확인할 수 있었다. 이러한 손실수두의 증가는 교환기 길이 증가에 따라 관내 마찰저항도 같이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

  • 전기융착 이음에 의한 손실수두의 영향을 파악하고자 4 m 길이의 일체형 및 이음형 열교환기를 제작하여 유입유량에 따른 손실수두를 측정 및 비교한 결과 최대 실험유량인 70 Lm-1에서는 2.7 cm의 차이를 보였다. 그러나 이는 해당 유량에서의 손실수두인 87.2 cm에 비해 3% 정도의 적은 손실이기 때문에 50m 길이의 이중관형 지중열교환기를 전기열융착하여 제작하더라도 이음에 의한 손실수두는 크게 발생하지 않을 것으로 판단된다.

  • 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에서 100 Lm-1의 유량일 때의 손실수두를 예측하기 위한 회귀분석 결과 약 1,120 cm의 손실수두가 나타날 것으로 예측되었다.

  • 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에서 100 Lm-1유량일 때 유입유량에 따른 Re수에 대해 회귀분석한 결과 Re수는 65,690으로 예측되었다. 이를 통해 관내 유체흐름은 난류에 의한 지배를 받으며 높은 Re수로 인해 강한 와류가 발생하여 실제 열교환기로 사용될 경우 와류에 의해 열교환효율이 높아질 수 있을 것이라 판단된다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. 20153030111110).

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