1.서 론

최근 국내 발전소로부터의 전력의 수급사정이 악화되면 서 전력공급이 중단되는 사태가 빈번히 발생하고 있는 실정 이다(Jun et al., 2015). 이러한 상황에서, 공급측에서 특별한 해결책을 찾기는 어려운 상태이고 사용자측에서 절약을 해 야 하는 방법 또는 예비 시스템의 구동으로 인한 해결이 일 반적인 방법이라고 말할 수 있다.

특히, 육·해상에서 사용되고 있는 냉동창고의 경우 막대 한 전기가 투입되어 유지가 되고 이러한 창고는 저온에서 유지시키지 않으면 상품을 전량폐기 해야 되는 부담을 가지 고 있다. 이와 같은 설비의 전력피크부하를 축냉시스템을 적용하여 조정할 수 있다면 피해 및 부담을 줄일 수 있는 방 법의 하나로 활용할 수 있을 것이다.

그 해결방법으로 축열재를 이용하여 야간 또는 주간에 에 너지를 저장하고 저장된 에너지를 전력피크점에서 구동시 키는 축냉시스템을 고려할 수 있다.

이러한 축냉시스템은 냉동컨테이너선이나 어선 등에서도 사용될 수 있으며 냉각 장치의 사이즈를 줄이고, 초기비용, 운영비용을 줄이며 나아가 운전 탄력성의 증가 및 기존 시 스템의 용량을 확장시킬 수 있다. 기존의 이러한 연구로는 Dincer and Rosen(2001)이 냉각설비의 적용을 위해 축냉시스 템의 환경 및 경제적인 측면에 대해 연구를 수행하였다. 그 리고 Erek and Ezan(2007)은 냉동기 탱크 안에 ice-on-coil로 이 루어진 축냉시스템 내부의 축열재의 입구온도, 유량의 효과 를 예측하기 위한 수치 모델을 개발하였다. 이 연구 결과에 따르면, ice-on-coil 타입의 축냉시스템을 설계하기 위해서 기 하학적 매개변수가 에너지 저장을 효과적으로 행하기 위해 서는 아주 중요하다는 것을 발견하였다. 또한, 냉각수의 온 도와 유량의 파라메터 역시 축냉시스템의 최적화를 위해서 아주 중요한 인자들임을 알았다. 마지막으로, 개발된 수치 모델은 최적화된 기하학적 형상, 유량 및 온도조건을 포함 하는 축냉시스템을 설계하기 위해서 사용할 수 있다고 보고 하고 있다.

본 연구는 냉동설비를 탑재하여 이동하는 수송(자동차, 선박)장치에 축냉시스템의 적용을 목적으로 하고, 축냉시스 템의 최적화를 위해 중요한 인자들에 대한 수치해석을 실시 하였다.

2.축냉시스템의 적용사례

2.1.온도에 민감한 식품을 위한 축냉재

상변화물질(Phase Change Material, PCM)의 응용분야로 알 려진 것 중의 하나는 온도에 민감한 식품을 이송하는 운송 형 축냉시스템이다. 이 운송형 축냉시스템은 내부에 설치된 PCM을 응고시키기 위해서 냉동실에 보관해야 한다. 이러한 운송형 축냉시스템의 한 예로써 융점이 0°C, 15°C, 20°C인 SOFRIGAM 상용화 모델이 있다. 또한, 다른 몇몇의 회사에 서는 PCM을 충전하기 위한 패드만을 상용화시켜 판매하고 있다.

Melone et al.(2012)은 4°C~10°C 범위에서 사용 가능한 복합 축냉재를 개발했다. PCM/Cellulose의 복합 축냉재는 상하기 쉬운 상품의 물류를 효과적으로 보관 및 운송하기 위해 개 발되었고, PCM/Cellulose의 복합 축냉재의 상세설계와 엔지 니어링할 때 유용하게 사용할 수 있는 수치해석 모델을 보 고하고 있다.

2.2.전력피크부하 이동

Hasnain(1998)는 전력피크부하 이동을 목적으로 하는 시판 용 축냉시스템에 대해 검토하였다. 또한 그들은 축냉시스템 을 3가지 타입으로 분류하여 검토하였다.

(1) 수축열시스템 : 물의 현열만을 이용하여 축열 및 방열 하는 시스템으로 값싼 심야전력을 이용하여 냉동기로 5°C의 물을 만들어 수축열조의 밑 부분에 저장한 후 주간에 냉방 이 필요한 경우는 건물로 이 냉수를 순환시켜 냉기를 공급 한 후, 15°C로 상승되어 축열조의 윗부분으로 돌아온다. 수 축열 시스템의 핵심기술은 냉수와 환수의 온도에 따른 밀도 차를 이용하여 낮은 온도의 물과 높은 온도의 물을 분리하 여 저장하는 물분배기의 설계기술이다.

(2) 빙축열시스템 : 야간에 심야전력을 이용하여 얼음을 생성한 뒤 축열한 후 주간에 이 얼음을 녹여 건물의 냉방 등 에 활용한 방식이다. 이 방식은 얼음의 잠열을 이용하기 때 문에 냉동기의 용량이 작아지고 냉동기를 고효율로 운전할 수 있으며, 갑작스런 부하 증가에 적절히 대응할 수 있는 기 술이다.

(3) 공융염 저장 시스템 : 열역학적으로는 특정한 비율의 혼합 구성비로 된 2종 이상의 성분을 포함한 혼합물로서 각 성분의 융점보다 낮은 공융점에서 혼합물의 각 성분들이 동 시에 녹는 특성을 가진다. 성분과 같은 수 만큼인 종류의 결 정이 용액과 공존할 때 용액은 각 성분의 어느 것에 대해서 도 포화되어 있기 때문에 냉각시키면 온도가 저하하지 않고 각각의 결정이 혼합되어 생성된다. 이 결정혼합물과 용액은 조성이 같으며 냉각을 계속하면 마치 순수 물질처럼 모든 용액이 결정화될 때까지는 온도가 내려가지 않는다. 즉, 혼 합결정의 용융 시 고체상의 침전이 생기지 않으므로 잠열재 로 사용될 경우 퇴화가 없다.

2.3.온도에 민감한 재료의 수송

약 10년 전부터 수송장치에 축냉시스템을 적용하는 기술 은 상용화되고 있었다(Mehling and Cabeza, 2008). 따라서 많 은 연구자들이 사용 목적에 따라 PCM을 적용시키기 위한 연구에 많은 노력을 하고 있다.

Onyejekwe(1989)은 냉동실에 PCM을 적용시켜 증발기 벽 가까이 냉장고의 아래 부분에 PCM을 설치하고 실험을 통해 축냉시스템의 최적 성능을 도출하였다. 그리고 축냉시스템 에 적용되는 PCM(NaCl + H₂O)의 가능성을 제시하였다. 그러 나 PCM의 종류에 따라 부식과 과냉각현상이 발생하는 것을 발견하고 이에 대해 보고하고 있다.

Azzouz et al.(2009; 2008)은 가정 냉장고의 효율을 개선시 키고, 일정 시간 동안 전기의 소비 없이 구동시키기 위해 증 발기의 뒷면에 PCM을 설치했다. 그리고 PCM은 물과 공융혼 합물을 사용하였고, 이 두 물질에 대해 비교 분석을 실시하 였다. 실험과 시뮬레이션을 통해 PCM을 가정 냉장고에 적 용시킬 경우, 5~9시간 연속적으로 전기의 공급 없이 구동되는 것을 확인했고, 냉장고의 성능계수(Coefficient of Performance, COP)가 10~30 % 상승하는 결과를 보고하였다.

본 연구에서는 공융염 혼합물을 상변화물질로 하고 어선 이나 냉동 컨테이너선에 사용될 수 있는 수송장치의 축냉시 스템에 적용 시 최적의 운전조건에 따른 축냉재 용기의 배 열 등의 결과를 도출하기 위해 수치해석을 실시했다.

3.수치해석 계산 방법

3.1.수치해석에서 사용되는 축냉재

본 연구의 수치해석에서 사용되는 축냉재는 염화칼슘과 물의 공융염혼합물이다. 염화칼슘(30 wt%) + 물(70 wt%)로 구 성된 공융혼합물의 기본 열물성치는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 또한, 축냉재를 충전할 용기는 플라스틱 재질로 플라 스틱의 물성은 Table 2와 같다.

3.2.계산 모델 및 경계조건

본 연구에서 사용되는 계산 모델의 축냉재를 충전한 용기 의 사이즈는 240 mm × 155 mm × 20 mm이다. 이 때 축냉재를 응고시키기 위한 냉동고의 냉기(T_e)는 208 K이고 축냉재의 초기 온도(T_i)는 283 K로 설정하여 계산을 실시하였다. 이때, 냉기의 유속은 0.5 m/s ~ 3.0 m/s로 0.5 m/s의 간격으로 계산을 수행하였다.

냉동고안의 냉기 속도가 점성력에 의하여 감소되는 축냉 재 용기의 평판 근처 유동영역을 경계층(Boundary layer)으로 냉기 속도에 따른 축냉재 용기 평판으로부터의 거리를 경계 층 두께 δ로 전면측(hc_front)과 후면측(hc_rear)의 영향에 대 해 계산을 실시하였다.

냉동고안의 냉기의 Renold number는

여기서, u_air[m/s]는 냉동기 안의 냉기의 유속, L[m]은 축냉 재용기의 평판길이 D[-]는 전면측(0.1)과 후면측(0.9)의 특성 위치, v_air[m²/s]는 공기의 점도이다.

국소 Nusselt number는

플라스틱용기 표면에서의 경계조건은

플라스틱 용기 내부의 열전도는

축냉재의 상변화구간은

여기서, k[W/m·K]는 열전도계수, 첨자 s, l은 고체와 액체 상태를 나타낸다. 또한, m[kg/m²s]은 응고율, h_fs[kJ/kg]는 축냉 재의 고-액 상변화 잠열량이다.

본 계산에 사용된 경계조건 및 지배방정식과 해석모델은 Fig. 1, 2에 나타내고 있다.

본 연구는 1차원 비정상상태의 조건에서 유한차분법을 이 용한 이산화를 수행하고 컴퓨터를 이용한 연산 툴인 Mathcad 를 이용하여 프로그램을 작성하였다. 계산의 수렴조건은 10^-5으로 하였다.

4.계산 결과

Fig. 3는 냉동저장고의 냉기가 축냉재 용기 사이를 유동 할 때 발달되는 경계층 두께 δ가 축냉재판에 간섭받지 않는 최저 틈새를 냉기의 속도 파라메터에 따라 계산한 결과를 나타내고 있다.

계산결과에 따르면, 유속이 늦은 쪽이 축냉재 용기 간의 틈새가 많이 요구되는 것을 알 수 있고, 이 결과는 유체역학 적 측면에서도 합당한 경향을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4은 용기안의 축냉재 중심에서의 온도가 충전된 축 열재의 융점에 도달하는 경과시간을 위치에 따라서 나타낸 결과이다.

축냉재 용기의 전면 유로측이 빨리 동결하는 것을 계산 결과로부터 확인할 수 있다. 이것은 당연한 현상으로 -65°C 의 냉기가 축냉재 용기의 전면 유로측에서 열교환을 하게 되면서 후면 유로측에 흘러가기 때문에 후면 유로측에는 상 대적으로 전면 유로측에서 유동되는 냉기의 온도보다 상승 된 냉기가 열교환 되기 때문이다. 또한, 유속이 빠를수록 경 계층 두께 δ가 감소하기 때문에 그 시간도 단축되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5은 축냉재 용기의 전면측 중심온도가 축냉재의 융점 에 도달한 시점에서의 온도분포를 나타내고 있다. 계산결과 로부터 축냉재 용기의 전면측에서의 냉기의 유속이 빠를수 록 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6은 축냉재 용기의 후면측 중심온도가 축냉재의 융점 에 도달한 시점에서의 온도분포를 나타내고 있다.

전면측에서의 계산결과와 같은 온도경향을 나타내는 것 을 확인할 수 있다. 즉, 후면측에서의 경계층 두께 δ가 전면 측보다 두꺼워지기 때문에 열전달율이 저하되고, 그 결과 온도의 변화가 완만하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

5.결 론

육·해상에서 온도에 민감한 제품을 운송할 경우에는 반드 시 냉동고가 필요한 것은 모두가 잘 알고 있는 내용이다. 또 한, 본 연구는 육·해상 운송시스템에 축냉시스템을 접목하는 연구로써 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 친환경적 시스 템이라고 말할 수 있고, 운송 중 일부시간을 축냉시스템을 구동시켜 전기사용을 줄일 수 있기 때문에 연료저감에 대해 도 기여하는 시스템이다.

본 연구에서는 이러한 축냉시스템의 운전조건에 따른 시 스템 배열에 대해 수치적 계산을 통해 시스템 최적화에 기 여하고자 하였다.

추후에는 실제 실험을 통하여 얻어진 결과와 비교하여 열 전달측면의 고찰을 실시하여 열전달에 미치는 인자를 도출 하고 상관식을 도출하여 계산의 신뢰성을 향상 시켜나갈 것 이다.