[논문]<tex>$CO_2$</tex> 냉매의 증발열전달 특성

정시영

문제 정의

본고에서는 CO₂ 냉동 시스템의 개발에 도움이 될 수 있도록 지금까지 국내외에서 수행된 CO₂ 증발 열전달에 관한 문헌조사를 통하여 연구결과들을 비교, 분석하고 향후의 연구방향을 제시하고자 한다.
이 연구에서도출된 또 하나의 새로운 사실은 질량유속의 증가가 항상 열전달계수의 증가를 가져오는 것이 아니라는 사실이다. 이 실험은 입출구의 건도를 일정하게 유지하기 위해서 열유속을 조절하면서 실시하였다. 실험 결과 질량유속이 200 kg/m! - s에서 300 kg/m2 .
그림5는 질량유속이 증가함에 따라 열전달 계수가 상당히 큰 폭으로 증가하는 것을 보여주고 있다. 이 연구에서는 이전의 연구에서도 확인된 바와 같이 CO₂의 경우에는 상당히 낮은 건도 영역에서 드라이아웃 현상이 발생하기 때문에 이에 대한 정확한 예측이 중요하다는 결론을 제시하고 있다.

제안 방법

이 연구의 열펌프 시스템은 필요한 식품공장에 냉수(증발온도 -5 ℃, 90 kW)와 온수(10 f 80 t, 130 kW)를 동시에 공급하며 특이한 첨은 가스쿨러와 중발기 모두 CO₂ 냉매가 튜브 측이 아닌 쉘측으로 흐른다는 것이다. 냉수를 튜브로 흐르게 하여 냉수측의 열전달계수를 증가시키기 위해서 이러한 배치를 택하 였으며 CO₂ 압력을 견디기 위하여 쉘의 직경을 최소로 줄여 설계하였다.
Graz University에서는 증발기 성능 시험장치를 별도로 구성하지 않고 전체 냉동 시스템에 대한 실험을 실시하였다. 이 기관에서는 한 종류의 직관형 증발기와 두 종류의 코일형 증발기에 대한 실험을 실시하였 는데 열교환기는 세 경우 모두 이중관 형식이며 에칠렌글리콜 용액으로 증발기를 가열하였다. 이 연구에서는 관벽에 열전대를 심는 방법으로 관벽의 온도를 측정하여 열전달계수를 구하였다.
SINTEF에서 사용한 마이크로튜브는 그림 2에 표시된 것과 동일한 내경을 갖는 25개의 채널로 구성되어있다. 이 실험에서는 마이크로 튜브를 직접 가열하는 것이 곤란하기 때문에 마이크로채널 주위에 열전달매체를 흘려 튜브를 가열하는 방법을 사용하였다. 이러한 경우 관벽의 온도를 정확하게 측정하는 것이 힘들기 때문에 이 연구에서는 관벽 온도를 측정하지 않고 Wilson Plot 방법을 이용하여 열전달계수를 계산하였다.
이 기관에서는 한 종류의 직관형 증발기와 두 종류의 코일형 증발기에 대한 실험을 실시하였 는데 열교환기는 세 경우 모두 이중관 형식이며 에칠렌글리콜 용액으로 증발기를 가열하였다. 이 연구에서는 관벽에 열전대를 심는 방법으로 관벽의 온도를 측정하여 열전달계수를 구하였다. 직관형 증발기에 대한 실험결과가 그림 12에 나타나 있다.

대상 데이터

이 제품은 열펌프로 작동하므로 증발기는 외부 공기에 의하여 가열된다. 이 제픔의 증발기에 관한 기술적인 자료는 공개되지 않았으나 실제 제품을 살펴보면 6.35 mm(l/4”)동관이 4 pass로 배치되었으며 튜브 열수는 총 56개, 튜브길이는 600 mm이다. 알 루미늄핀은 두께는 0.

이론/모형

이 실험에서는 마이크로 튜브를 직접 가열하는 것이 곤란하기 때문에 마이크로채널 주위에 열전달매체를 흘려 튜브를 가열하는 방법을 사용하였다. 이러한 경우 관벽의 온도를 정확하게 측정하는 것이 힘들기 때문에 이 연구에서는 관벽 온도를 측정하지 않고 Wilson Plot 방법을 이용하여 열전달계수를 계산하였다. 이 연구에서 특징적인 결과로는 그림 9에 나타난 것처럼 건도 0.

성능/효과

이는 이산화탄소가 다른 냉매들에 비해 그만큼 약한 표면장력으로 인해 액막을 유지하기 힘들다는 것을 나타내며 이러한 경향은 증발온도가 증가하면서 더 커지는 것으로 나타났다. 또한 기존의 냉매에 적용하던 증발열전달 상관식들은 실험결과와 상당히 오차가 큰 것으로 나타났다. 이는 기존의 상관식으로는 임계점 부근에서 증발과정을 거치는 이산화탄소의 열전달계 수를 예측하는 것이 힘들다는 것을 의미하며 따라서 앞으로 이산화탄소의 증발열전달 계수를 예측할 수 있는 새로운 상관식의 개발이 필요하다는 결론을 내 렸다.
수직관에 대한 증발열전달 실험에서는 그림 7과 같이 수직관이 수평관에 비하여 열전달 계수가 상당히 우수한 것으로 나타났다. 수평관에서는 이산화탄소의 낮은 점성과 표면장력으로 인해 초기부터 관상부의 액막이 파열되어 열전달계수의 감소가 나타나는 반면, 수직관에서는 원주방향으로는 중력의 영향을 받지 않기 때문에 액막이 고르게 분포되어 증발초기에 는 열전달계수가 상당히 크게 나타난다.
서울대학교에서는 수평관과 수직관에 대한 증발열 전달 특성에 관한 연구를 수행하였다. 수평관실험에 서는 그림 6과 같이 건도가 증가함에 따라 열전달계 수가 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 관상부의 열전달계수가 건도의 증가에 따라 급격히 감소하는 경향을 보인다. 건도 증가에 따라 관상부에서 급격히 열전달 계수가 감소하는 현상은 수평관에서 중력에 의하여 관상부의 액막이 부분적으로 깨지는 드라이아웃에 기인하는 것으로 저자들은 설명하고 있다.
이 실험은 입출구의 건도를 일정하게 유지하기 위해서 열유속을 조절하면서 실시하였다. 실험 결과 질량유속이 200 kg/rrfs에서 300 kg/m's로 증가하는 경우에는 열전달 계수가 약간 증가하지만 그 이상으로 질량유속을 증가시키면 그림 11에 나타난 바와 같이 열전달계수는 급격히 감소한다. 이것은 기존 냉동기의 증발기에서 질량유속이 증가함에 따라 일반적으로 열전달 계수가 증가한다는 사실과 반대의 경향을 나타낸 것으로 아직 그 이유가 정확하게 설명되고 있지 못하고 있다.
이러한 경우 관벽의 온도를 정확하게 측정하는 것이 힘들기 때문에 이 연구에서는 관벽 온도를 측정하지 않고 Wilson Plot 방법을 이용하여 열전달계수를 계산하였다. 이 연구에서 특징적인 결과로는 그림 9에 나타난 것처럼 건도 0.5 근처에서 열전달 계수가 15, 000 W/nfK에서 5, 000 W/itfK이하로 급격히 감소한다는 것이다. 또한 마이크로채널 열교환기에서는 냉매의 분배문제가 심각하게 나타날 수 있는데 이를 개선하기 위하여 SINTEF에서는 그림 10의 b)처럼 냉매의 입구를 양쪽으로 배치하는 것을 제안하였다.
와 R- 134a의 증발열전달 특성에 관한 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 전체적으로는 CO₂의 증발열전달계수 가 R-134a에 비하여 큰 것으로 나타났으며 열유속 이 증가함에 따라 열전달계수는 약간 증가하는 것으로 나타났다(그림 4). 이러한 결과는 CO₂의 경우에 드라이아웃 현상이 상당히 저건도 영역에서부터 발생하여 열전달 계수가 감소하지만 저건도 영역에서는 핵비등이 R-134a보다 3.
University of Maryland도 역시 온수급탕기 시스템에 관한 연구를 수행하였으며 이 연구에서사용된 가스쿨러와 증발기는 동일한 형상으로 그림 3에 나타난 것과 같은 이중관식 열교환기이다. 이 연구에서는 주로 시스템의 전체 성능이 다루어졌으며 열전달계수는 구체적으로 언급되지 않았다.
건도 증가에 따라 관상부에서 급격히 열전달 계수가 감소하는 현상은 수평관에서 중력에 의하여 관상부의 액막이 부분적으로 깨지는 드라이아웃에 기인하는 것으로 저자들은 설명하고 있다. 저자들은 C02에 대하여 관성력과 표면장력의 비를 나타내는 Weber 수와 중력과 표면장력의 비를 나타내는 Bond 수를 고찰하여 이들의 값이 기존 냉매인 R-22 나R-134a에 비하여 상당히 큰 것을 확인하였다. 이는 이산화탄소가 다른 냉매들에 비해 그만큼 약한 표면장력으로 인해 액막을 유지하기 힘들다는 것을 나타내며 이러한 경향은 증발온도가 증가하면서 더 커지는 것으로 나타났다.

후속연구

Graz University의 연구자들은 이렇게 낮은 열전달 계수가 주로 증발기에 존재하는 윤활유의 영향에 기인하는 것으로 판단하고 있다. 냉동 시스템의 증발기에서 윤활유는 열전달계수를 감소시킨다는 것은 잘 알려진 사실이지만 CO₂의 경우에는 그 영향이 다른 냉매에 비하여 더 크게 나타나는 것으로 생각되는 만큼 앞으로 윤활유의 영향에 대한 많은 연구가 필요하리라 생각된다.
C02는 냉매의 물성이 기존의 냉매와 크게 차이가 나기 때문에 증발열전달 과정에서 기존의 열전달 상 관식을 사용하기 곤란하다. 앞으로 C02 증발기에 대 하여 드라이아웃과 윤활유의 영향을 고려한 연구가 절실히 요구되며 이러한 영향을 고려한 신뢰성 있는 열전달계수 및 압력 손실에 관한 데이터는 성공적인 중발기의 개발에 필수적이다. 이러한 관점에서 최근 국내의 많은 연구기관에서 다양한 C02 증발기 형상에 대한 심도 있는 연구가 시작된 것은 고무적인 일로 생각된다.
또한 기존의 냉매에 적용하던 증발열전달 상관식들은 실험결과와 상당히 오차가 큰 것으로 나타났다. 이는 기존의 상관식으로는 임계점 부근에서 증발과정을 거치는 이산화탄소의 열전달계 수를 예측하는 것이 힘들다는 것을 의미하며 따라서 앞으로 이산화탄소의 증발열전달 계수를 예측할 수 있는 새로운 상관식의 개발이 필요하다는 결론을 내 렸다.
C02 증발기내의 윤활유는 증발열전달계수를 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 증발기의 정확한 설계를 위해서는 앞으로 윤활유의 종류 및 농도가 열전달 계수에 미치는 영향이 정량적으로 연구되어야 할 것으로 생각된다.
이러 한 드라이아웃 현상은 수직관과 수평관에서 의 열전 달계수의 차이를 가져오고, 마이크로채널관에서는 냉매의 질량유속이 증가하는데도 열전달 계수가 감소하는 현상을 나타내는 것으로 판단된다. 향후의 연구에서는 드라이아웃 현상을 고려한 신뢰성있는 열전달관 계식이 도출되어야 할 것이다.

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