물-에틸렌글콜 혼합용액의 난류유동에서 마찰감소현상에 관한 연구

성기범*, 곽기열, 장명규, 황태조, 김종엽*, 김정수

충남대학교 고분자공학과, *고려대학교 화학공학과

Drag reduction in the turbulent pipe flow of water-ethylene glycol mixture

Ki-Bum Sung*, Kiyeol Kwak, Myunggyu Chang, Taejo Hwang,

Chongyoup Kim* and Jeongsoo Kim

Dept. of Polymer Engineering, Chungnam Nat. Univ.

*Department of Chemical Engineering, Korea University

서    론

마찰감소현상(drag reduction phenomena)이란 ppm단위의 미량의 고분자를 첨가한 용액이 관내부를 난류로 흐를 때 벽면에서의 마찰이 현저히 감소되는 현상이다. 마찰감소현상은 1948년에 처음으로 발견되어, 60년대부터 미국해군을 중심으로 이를 이용하고자 하는 연구가 진행되었으며, 70년대부터는 다른  여러 부문에서 이의 응용에 관한 연구가 진행되고 있다. 예로서 현재 TransAlaska Pipeline의 원유수송에는 시스템 개발이 완료되어 사용 중에 있으며, Union Carbide의 화재진화용 Rapid water등도 시판되고 있다. 현재 에너지 절약을 위해서 대단위 건물이나 지역냉난방시스템의 열수송유체를 순환시키는데 있어서도  고분자물질을 첨가한 마찰감소유체를 사용하면 열손실 및 유체순환에 소요되는 비용을 수십 퍼센트 줄일 수 있을 것으로 예상되고 있다.

마찰감소현상을 실제로 이용하는데 있어서 기술적 및 경제성의 관점에서 처음으로 고려할 문제는 우선 첨가하는  물질의 선택이다. 현재까지 마찰감소를 유도하는 방법으로는 고분자의 첨가, 계면활성제의 첨가 및 관의 표면특성 변화로 크게 나눌 수 있다. 이중 가장 많은 연구가 되어왔고, 또한 가능성이 높은 방법으로서 고분자의 첨가방법을 들 수 있다.

본 연구에서는 마찰감소유체를 이용한 열수송시스템의 개발을 위한 기초자료로서 이용하고자 냉난방시스템에 사용이 가능할 것으로 예상되는 고분자를 선별하고, 이러한 계를 대상으로 마찰감소 특성을 분석하고자 하였다. 특히 태양열을 집열하고, 이를 순환시키기 위해서는 동절기의 야간에도 관이 동파되지 않도록 부동액을 사용하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 부동액에서 사용할 수 있는 마찰감소 유체를 선별하는 연구를 수행하였다. 가정용 또는 온실용의 태양열시스템은 비교적 소규모이므로 마찰감소유체의 문제의 하나인 고분자의 저하현상이 생기는 경우에도 적절한 시간간격으로 또는 필요시 분자량이 큰 고분자를 보충하여 줄 수 있으므로 실용화 시에도 유지관리에 문제점이 크게 나타나지 않을 것으로 예상되고 있다. 이러한 연구는 PEG를 잠열저장조에 충진하여 사용하는 경우와 같이 매우 긴 관을 통하여 열매체를 순환시켜야 하므로 마찰감소유체시스템을 적용하는 경우 pumping energy의 절약에 기여할 것으로 판단된다.

실   험

마찰감소실험장치는 bench scale로 제작하였으며 개략도를 그림 1 에 도시하였다. 장치는 크게 유체가 흐르는 스테인리스스틸관과  원통형 스테인리스틸 저장용기로 구성하고 질소봄베를 이용한 가압장치, 유량측정부, 차압력계, 데이타획득장치, computer 등을 부착 또는 연결하여 제작하였다.

스테인리스스틸 실험관은 호경 1/4 인치, 총 길이 5.15m의 것을 사용하였다. 1m 관에 수은을 채운 후 양끝을 막고 무게를 달아 알고 있는 수은의 비중과 채워진 수은의 무게로 부터 정확한 관의 내경을 계산하였다. 측정결과 내경은 0.425 cm 이었다. 압력손실을 측정하기 위하여 pressure tap을 스테인리스스틸을 절삭 및 용접하여 가공하고 3m 관의 양쪽에 1m 관을 절삭가공한 pressure tap으로 연결하였다. 1 m관은 입구가 넓은 저장용기에서 1/2인치 동관을 지나 1/4인치 관으로 유체가 들어와서 압력측정전에 속도분포가 충분히 발달될 수 있도록 부착하였다. 또한 1/2인치 관에서 1/4인치 관으로 축소되는 과정에서 생기는 연신유동(extemsional flow)을 최소화 하기 위하여는 나팔관형의 reducer를 절삭가공하여 연결시켰다(이 부분의 연신 유동은 고분자의 mechanical degradation에 절대적으로 악 영향을 미친다). 관의 외부에는 아티론단열재로 1차 단열한 후 온도조절기의 제어를 받는 열선을 부착하고, 다시 아티론 단열재로 단열하였다. 열선은 긴 관을 지나는 동안 온도가 강하하는 것을 막아 일정온도로 유지하기 위하여 설치하였다.

저장용기는 직경 30cm, 길이 63cm, 두께 3 mm의 스테인리스스틸관의 양끝에 플랜지를 용접하고 양끝에 후판을 볼트로 조여 제작하였다. 가용부피는 약 50 liter정도이며, 후판에는 측정에 필요한 압력transducer, 수위계, thermocouple 또는 Pt 100 ohm 온도계, 질소 봄베와의 연결관, purge valve등을 부착시켰다. 원통의 외부는 300watt 히터 2개로 감은 후 암면과 아티론 단열재로 단열하였다. 저장용기는 각각 온도조절장치로 제어하여 일정온도가 유지되도록 하였다. 용기내의 유량 및 관내부를 흐르는 유량을 측정하기 위하여 Valcom 사의 pressure transducer를 설치하였고, 또한 유리관을 외부로 빼어 눈으로 직접 용액의 높이변화를 확인 할 수 있도록 하였다. 한 쪽 저장용기로 부터 다른 쪽 저장용기로 용액을 흘리기 위하여 가압질소를 연결하여 사용하였다.

압력손실을 측정하기 위하여는 Siemens 사의 full scale 2,500 mmH2O의 차압력계를 설치하고, 이를 Agilent data acquisition system(34970A)에 연결시키고, 이를 computer에서 연속적으로 저장 및 monitor할 수 있게 하였다.

본 연구에서 제작한 장치의 타당성을 검증하고 고분자의 저하현상을 정량화하기 위한 기준 자료를 설정하기 위하여 용매인 증류수 및 증류수 70%와 에틸렌글리콜을 30% 혼합한 유체를 대상으로 층류 및 난류영역에서 마찰계수를 측정하였다. 용액의 온도는 298K에서 실험하였다.  한편 마찰감소계수를 얻기 위한 실험에서는 용액이 한번 관을 빠져 나오면 다시 사용하지 않았다. 따라서 이 경우에는 고분자의 degradation의 문제가 없으므로 유량은 하류(downstream) 쪽의 valve를 조정하여 변화시켰다.

본 연구에서 직접 제작 설치한 장치의 검증과 마찰감소유체와의 비교를 위하여 먼저 뉴튼성유체인 증류수를 대상으로 298K0℃에서 유량과 압력강하의 관계에 관한 실험을 수행하고, 이로 부터 friction factor(f)와 Reynolds수(Re)의 관계를 구하여 그림 2에 도시하였다. Re가 2000이하일 경우에는 층류영역의 다음 식과 잘 일치함을 볼 수 있다.

[eqn: f ~=~ 16 / {rm Re}`]                (1)

Re가 2000이상이 되면 층류영역으로 부터 난류로 전이 되며, 이때에는 smooth pipe에 적용되는 다음의 Blasius의 식보다 약간 큰값을 가짐을 볼 수 있다.

[eqn: f ~=~ 0.079`{rm Re}^-1/4`]             (2)

이러한 결과는 관의 내부가 완전히 매끈하지 않기 때문으로 생각된다. 온도가 낮은 경우뿐만 아니라 온도가 비교적 높은 경우에도 층류의 경우 이론식 및 문헌에 보고된 결과와 일치하며, 난류의 경우도 경향성이 일치하는 것으로부터 본 연구를 위하여 제작한 장치는 적절한 것으로 판단된다. 특히 온도가 높은 경우 생길 수 있는 기포의 문제도 없는 것으로 생각된다. 30% 부동액의 경우에는 부동액에 함유된 첨가제의 영향으로 인하여 층류 및 난류영역 모두 이론식을 정확히 따르지는 않는다 (그림 2 참조). 그러나 이러한 결과는 다음에서 고분자 첨가의 영향을 검토하기 위한 기준으로 사용하고자 한다. 이론식으로부터 벗어나는 것은 우선 점도가 전단율에 따라 변하는 문제가 있을 뿐만 아니라 부동액내에 자동차의 라디에터를 보호하기 위하여 첨가되어 있는 물질(고분자물질로 예상) 및 위험경고로 첨가되는 색소의 영향으로 판단된다.

실 험 결 과

마찰감소유체로 제조한 농도 200ppm의 PAAm 및 xanthan gum 용액을 대상으로 마찰감소의 효과를 검토하기 위한 실험을 실시하여 그림 3에 도시하였다. 그림에서 Reynolds수를 계산하기 위한 점도값은 용액의 점도값을 사용하지 않고 용매인 증류수의 값으로서 계산하였다. 이는 점도측정의 문제 때문이 아니라 고분자 첨가에 의한 효과를 검토하기 위함이다. 그림 3에서 층류영역에서 이론식으로부터 벗어나는 것은 용액의 점도를 고분자 용액의 점도가 아닌 용매의 점도로 계산한 Re를 사용하였기 때문이다. 이는 실제 고분자 첨가의 효과를 검토하기 위해서 이다. 만약 용액의 점도를 사용하면 마찰감소효과가 더 과장되게 나타날 수 있다. Re가 더 커짐에 따라 마찰감소효과는 점점 더 커지는 것이 관찰되지만, 더 이상의 마찰감소가 증가하지 않는 Virk의 MDR (maximum drag reduction)에는 다다르지 못하였다. 물론 고분자를 더 많이 첨가하면 MDR에 다다르게 될 것으로 판단된다. 한편 용액의 농도가 진해짐에따라 층류영역의 f값이 뉴튼성유체보다 크게 나타나고 층류에서 난류로의 전이점도 Re가 큰 값으로 이동되는 것을 볼 수 있는 데, 이는 Re를 계산할 때 용액의 점도가 아닌 용매의 점도를 사용하였기 때문이다. 본 연구의 결과 polyacrylamide와 xanthan gum은 모두 마찰감소용 고분자로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 1. 실험장치의 개략도

그림 2. 증류수 및 30% ethylene glycol 수용액의 실험결과. 온도 298K.

그림 3. 고분자 용액의 실험결과. 온도 298K

감    사

본 연구는 에너지관리공단의 학술진흥사업에 의하여 수행되었습니다. 에너지관리공단의 지원에 감사 드립니다.