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문제 정의
- 본 연구는 한국과학재단(과제번호 1999-1-304- 006-3)의 지원에 의해 이루어졌으며, 이에 감사하는 바이다.
- 본 연구에서는 이산화탄소에 대하여 직접가열 방식을 이용한 일정 열유속 조건을 구사하여 증발열전달 실험을 수행하였으며, 기존에 수행된 실험보다 큰 열유속 조건에 대해서도 실험이 가능하도록 하였다. 또한 열유속, 질량유속, 증발온 도를 변화시키면서 중발과정 중의 열전달계수의 변화를 고찰하였다.
- 본 연구의 실험결과를 기존의 냉매에 대한 중발열전달 상관식들과 비교하여 이들 상관식을 이산화탄소에 적용할 수 있는 가능성을 살펴보았다. 이를 비교한 결과를 Fig.
제안 방법
- (3) 본 실험의 결과를 Shah(1982), Gungor and Winterton(1987), Jung et al.(1989), Kandlikar (1990), Liu and Winterton(1991), Kattan et al. (1998)의 상관식과 비교하였다. 이 중 Gungor and Winterton(1987)의 상관식으로 예측한 값이 제곱 평균오차 23.
- 이러한 간 접가열방식에서는 균일하게 열유속 조건을 구현하였다고 보기 어려우므로, 본 연구에서는 냉매의 증발온도가 0~ 10.SC의 범위에서 직접가열방식 으로 실험을 수행하였고, 열유속도 12-27kW/m2의 범위로 확장하여 실험하였다.
- 냉매의 포화온도는 시험부의 포화압력을 측정한 후, 물성계산 프로그램인 REFPROP⑸을 이용하여 계산하였다. 시험부의 내벽면온도는 외벽면에 열전대를 부착하여 온도를 측정한 후, 관벽을 통한 전도를 고려하여 계산하였다.
- 변화시 키고 열유속을 12, 16, 20, 23 및 27kW/n?로 변 화시키면서 실험을 수행하였다. 또한 냉매의 증 발온도를 0.0, 3.4, 6.9 및 10.5℃로 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 이산화탄소에 대하여 직접가열 방식을 이용한 일정 열유속 조건을 구사하여 증발열전달 실험을 수행하였으며, 기존에 수행된 실험보다 큰 열유속 조건에 대해서도 실험이 가능하도록 하였다. 또한 열유속, 질량유속, 증발온 도를 변화시키면서 중발과정 중의 열전달계수의 변화를 고찰하였다. 시험부는 외경 9.
- 냉매의 증발열전달 특성에 영향을 미치는 주요 변수인 질량유속을 212, 318, 424 및 530kg/m2sS. 변화시 키고 열유속을 12, 16, 20, 23 및 27kW/n?로 변 화시키면서 실험을 수행하였다. 또한 냉매의 증 발온도를 0.
- 75 mm, 두께 0, 90 mm인 이음새 없이 제작된 스테인레스 스틸 원관(seamless stainless steel tube)을 사용하였으며 일정 열유 속 조건을 구현하기 위하여 관에 직접 전기를 홀려 발생하는 열로 냉매를 가열하는 직접가열방식 (direct heating method)을 택하였다, 시험부는 고압용 절연피팅 (dielectric htting)을 사용하여 시스템과 절연시켰으며, 길이는 5m이다, 시험부에는 1m 간격으로 압력탭을 설치하여 각 지점의 압력을 측정하였다. 벽면온도를 측정하기 위하여 50 cm 간격으로 10곳의 상, 하, 좌, 우, 네 위치에 T 형 열전대를 부착하였다, 열전대의 끝은 탄소봉 용접을 하였고, 이렇게 측정된 온도로부터 1차원 열전도 방정식을 통해 내벽면온도를 구하였다.
- 본 연구에서는 환경친화적얀 천연냉매로 부각되고 있는 이산화탄소를 대상으로 증발열전달 특성을 열유속, 질량유속을 변화시키면서 고찰하였으며, 기존의 상관식들과 실험결과를 비교한 결과 다음과 같온 결론을 얻었다.
- 시험 부는 내경 7.75 mm, 두께 0, 90 mm인 이음새 없이 제작된 스테인레스 스틸 원관(seamless stainless steel tube)을 사용하였으며 일정 열유 속 조건을 구현하기 위하여 관에 직접 전기를 홀려 발생하는 열로 냉매를 가열하는 직접가열방식 (direct heating method)을 택하였다, 시험부는 고압용 절연피팅 (dielectric htting)을 사용하여 시스템과 절연시켰으며, 길이는 5m이다, 시험부에는 1m 간격으로 압력탭을 설치하여 각 지점의 압력을 측정하였다. 벽면온도를 측정하기 위하여 50 cm 간격으로 10곳의 상, 하, 좌, 우, 네 위치에 T 형 열전대를 부착하였다, 열전대의 끝은 탄소봉 용접을 하였고, 이렇게 측정된 온도로부터 1차원 열전도 방정식을 통해 내벽면온도를 구하였다.
- 냉매의 포화온도는 시험부의 포화압력을 측정한 후, 물성계산 프로그램인 REFPROP⑸을 이용하여 계산하였다. 시험부의 내벽면온도는 외벽면에 열전대를 부착하여 온도를 측정한 후, 관벽을 통한 전도를 고려하여 계산하였다. 측정된 온도 값은 영점보정기(ice point reference)를 거쳐 기준 온도 0℃의 변화를 평균 ±0.
- 시험부에 공급되는 열량은 전력계로 측정하였다. 온도, 압력센서와 질량유량계의 신호는 다채널 기록계로 전송되었으며 GPIB 통신을 이용하여 컴퓨터에 기록하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험대상 냉매는 천연 순수냉매인 이산화탄소(carbon dioxide, R744)이며 실험에 사용한 이산화탄소의 순도는 99.99%이다. 냉매의 증발열전달 특성에 영향을 미치는 주요 변수인 질량유속을 212, 318, 424 및 530kg/m2sS.
- 또한 열유속, 질량유속, 증발온 도를 변화시키면서 중발과정 중의 열전달계수의 변화를 고찰하였다. 시험부는 외경 9.55mm, 내경 7.75mm, 길이 5.0m인 스테인레스 스틸관을 사용하였고, 관에 직접 전기를 흘려 가열하였으 며 전력계를 사용하여 열유속을 측정하는 방식을 사용하였다 또한 본 실험에서 측정한 열전달계 수를 Shah, (10) Gungor and WintertonJ11* Kand- likar, <12) Liu and Winterton, <13) Kattan et al.,(14) Jung et al.(15)의 상관식과 비교하여 그 적용 가능성을 살펴보았다.
- 1에 나타내었다. 실험장치는 냉매를 순환시키기 위한 마그네틱 기어펌프(magnetic gear pump), 질량유 량계(mass flow meter), 예열기(pre-heater), 시험 부(test section), 수액기(reservoir), 열교환기(heat exchanger)로 구성되어 있다. 마그네틱 기어펌프는 이산화탄소의 작동압력을 견딜 수 있는 것으로 선정하였으며 오일이 섞이지 않은 상태로 이산화탄소를 순환시킨다.
성능/효과
- (1) 증발이 진행되어 건도가 증가함에 따라 열전달계수가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 본 연구의 실험조건에서 이산화탄소의 표면장력과 점성이 매우 작기 때문에 건도의 증가에 따라 액막의 두께가 얇아지면서 액막이 고르게 관벽에 형성되지 못하였기 때문이다, 또한, 중력의 영향으로 인하여 관상부에서부터 액막이 파열되어 기상의 이산화탄소가 관벽에 직접 접촉하게 되는 부분 드라이아웃 현상이 발생하였으며, 이로 인해 열전달 효과가 크게 감소되었다.
- (2) 열유속이 커짐에 따라 열전달계수가 증가하였으며, 이산화탄소는 거의 모든 건도범위에서 열유속의 영향을 받았다. 질량유속이 중가함에 따라 열전달계수가 증가하는 경향을 보였는데, 이것은 질량유속 증가에 따라 대류중발의 역할이 증가하였기 때문이며 이러한 경향은 전질량유속 범위에서 고르게 나타났다.
- 본 연구에서 공급전력 측정의 불확실도(16)는1.32%, 벽면온도 측정의 불확실도는 7.83%, 포화 온도 측정의 불확실도는 9.05%로서, 이를 결합하여 계산한 증발열전달계수의 실험상의 측정오차는 12.04%이다.
- 2에서는 원주 방향의 국소열전달계수의 값을 나타내었다. 상, 하, 좌, 우 모두 전반적으로 감소하는 경향을 나타내며, 특히 상부에서의 열 전달계수는 증발 초기에는 큰 값을 가지다가 증발이 진행되면서 가장 급속히 감소하는 경향을 보이고 있다. 일반적으로 건도가 증가함에 따라 환상유동이 형성되고 중력의 영향에 의해 상부 액막이 얇아지면서 큰 열전달의 향상을 보이게 되는데, (18> 본 실험에서는 상부의 열전달계수가 증발 초기에는 가장 큰 값을 가지다가 중발이 진행되면서 급속히 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 5에 나타내었다. 열유속이 커짐에 따라 열전달계 수가 커지는 경향을 보이고 있으며, 모든 열유속 조건에 대해서 증발이 진행되어 건도가 증가함에 따라 열전달계수가 감소하는 경향을 보이고 있다. 동일한 질량유속, 증발온도에서 열유속이 증 가할 때, 열전달계수가 증가하는 경향이 전체 건도 지역에서 고르게 나타나고 있다.
- 3에 나타내었다. 이산화탄소가 다른 두 냉매의 경우보다 훨씬 큰 값을 보이고 있으며 증발온 도가 높아질수록 그 차이가 더욱 크게 증가하고 있음을 알 수 있다. 이는 이산화탄소가 다른 냉매들에 비해 그만큼 약한 표면장력으로 인해 액막을 유지하기가 힘들다는 것을 나타내며 이러한 경향이 증발온도가 증가할 경우 더 커진다는 것을 의미한다.
- 시험부의 내벽면온도는 외벽면에 열전대를 부착하여 온도를 측정한 후, 관벽을 통한 전도를 고려하여 계산하였다. 측정된 온도 값은 영점보정기(ice point reference)를 거쳐 기준 온도 0℃의 변화를 평균 ±0.02℃로 최소화하였다.
후속연구
- 0%의 제곱평 균오차를 가졌다. 그러나 각 상관식들은 실험값과의 오차의 최대값과 최소값이 크게 차이가 나 이산화탄소의 임계점 부근에서의 물성치를 반영한 새로운 증발열전달 상관식의 제시가 요구되는 바이다.
- 그러나 상관식에서의 예측값은 실험값과 비교한 표준오차의 최대값, 최소값이 지나치게 편차가 크고 일관된 경향을 보이지 않았다. 이는 기존의 상관식으로는 임계점 부근에서 증발과정을 거치는 이산화탄소의 열전달계수를 예측하는 것이 힘들다는 것을 의미하며, 따라서 앞으로 이산화탄소의 증발열전달계수를 예측하는 새로운 상관식의 개발이 필요하다.
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