KITECH 생산기술 전문지

최근 국내외에 대두되고 있는 저탄소 배출 저감에 대한 대응방안으로 에너지 효율 향상과 산업 공정 최적화르 통한 탄소 저감 기술의 필요성이 확대되고 있다. 특히, 대규모 열교환 장치를 포함하는 산업 공정에서는, 공정 중 발생하는 폐열(미활용에너지와 혼용되어 사용)을 회수·재활용하여 시스템 효율을 높이는 방안이 중요한 이슈로 부각되고 있다[1 - 3]. 폐열은 주로 대규모로 발생하는 석탄 또는 열병합발전소와 같은 발전산업 등 대규모 산업의 분야에서 발생하는 부분과 중·소규모로 발생하는 염색공정이나 하수처리장 등에서 발생하는 폐열을 히트펌프로 이용하여 재사용하는 방법이 연구되어 산업에 적용이 되고 있다[1 & 3]. 발전소 폐열의 경우, 주로 해안이나 농지 인근에 위치하는바 히트펌프를 이용한 발전소 하우스 농장 농작물의 난방에 이용되는 연구가 개발되어 적용되고 있으며, 염색 공정 중에서 중·소 규모로 발생하는 폐열을 이용하는 연구가 개발되어 적용되고 있다[1 - 2]. 최근에는 하수처리 폐열을 히트펌프로 이용하여 지역난방에 적용하는 기술이 개발되어 활용되고 있다[3]. 일반적으로 히트펌프와 흡수식 냉동기 등에는 열교환기가 많이 사용되고 있다. 열교환기의 설계와 공정 조건 설정을 위해 전문가가 요구조건을 해석하고, 다양한 설계안을 수작업으로 작성한 후, 각각에 대해 열전달 해석 및 성능 검증을 수행하여 최적안을 도출하는 방식이 일반적으로 사용되었다. 이러한 방식은 해석과 설계 변경을 반복해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되고, 설계 품질이 담당자의 경험과 직관에 크게 의존하여 재현성과 일관성 확보에 한계가 있다[4, 5, 6,7]. 또한, 열교환기의 구조 설계와 공정 조건 설정은 서로 밀접하게 연관되어 있어, 두 요소를 동시에 최적화하는 것은 매우 복잡한 문제로 인식되고 있다. 종래 기술에서는 설계와 공정 조건을 분리하여 순차적으로 조정하는 경우가 많아, 조건 간 적합성을 확보하기 어려우며, 설계 변경 시 전체 해석 과정을 반복해야 하는 비효율이 발생하였다. 본 해설서는 이러한 산업 공정용 열교환기 최적화 시스템 및 방법을 인공지능 기법을 적용한 구매자 요구를 반영한 구성장비 해석, 냉매와 냉동류 제어/제조 및 검증 시스템을 설명하여, 최적화된 열교환기 적용하는 연구에 기여하고자 한다.

키워드 히트펌프, 폐열, 열교환기