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문제 정의
- 신종민 등(7)은 다른 성질을 가지는 표면에 물입자를 분사할 때 일정 크기의 표면에 부착될 수 있는 잔수량에 대해 조사하여 표면을 친수처리할 때 잔수량은 감소함을 보였고, 또한, 신종민 등(3)은 여러 가지 다른 표면 특성을 가지는 열교환기에 대해 일반적으로 표면 특성을 논할 때 주로 사용되는 정적 접촉각(static contact angle, SCAR 동적 접촉각을 이용하여 이들 관계를 정량적으로 규명하여, 이들 변수와 잔수량과의 관계를 파악했다. 본 연구에서는 다른 접촉각을 갖는, 즉 표 면특성이 다른 두 열교환기에 대하여 착상과제 상의 영향을 검토하였다
- 본 연구에서는 열교환기의 표면 접촉각이 착상시 핀-관 열교환기의 성능 및 착상거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 정적 접촉각이 90°인 열교환기와 65°인 열교환기에 대하여 30분 동안 10분 간 격마다 착상량과 제상량 및 제상 잔수량을 측정하였다. 이때 착상량과 제상 잔수량은 Shin et al(1), 과같이 반복성을 통해 신뢰성을 확보하였고, 이때 반복에 의한 오차는 ±3.
제안 방법
- 또, Aoki et al.(3)은 착상과 제상을 포함한 열교환기 성능실험 을 통해, Dry 상태에서의 착상(First cycle)과 제 상 후 열교환기 표면에 수막(Water film)이 남아 있는 Wet 상태에서의 착상(Second cycle)시 열 교환기 성능을 비교하였다. 그리고 Rite et al(4) 은 열교환기의 착상에 미치는 주요 인자들, Fin Pitch, 공기속도, 열교환기 표면온도, 공기온도, 공기상대습도의 변화가 착상률에 미치는 영향을 조사, 정리하였다.
- 실험장치의 전체적인 정확성을 평가하기 위하여 증요측정항목인 냉메측 열 전달량, 공기풍량, 그리고 공기 측 현 열 열전달량에 대해서 불확실도 (uncertainty)를 평가하였다. 그리고 냉매 측 열 전 달량과 공기 측 현 열 열전달량에 대하여 에너지 균형(energy balance)을 평가하였다. 먼저 냉매 측 의 열전달량 ac은 다음과 같이 구한다.
- 본 연구에서는 동일한 형상의 Fig. 1과 같은 핀-관 열교환기를 각각 두 가지 다른 표면 특성으 로 실험을 하였다. 열교환기는 알루미늄으로 제작하였으며 관의 단수는 2개, 열수는 8개이며, 곡관부를 포함한 열교환기의 치수는 폭 X 깊이X 높이가 295X44x220mm이며 열교환기의 각 핀은 일체형(straight)으로 되어 있다.
- 실험장치의 전체적인 정확성을 평가하기 위하여 증요측정항목인 냉메측 열 전달량, 공기풍량, 그리고 공기 측 현 열 열전달량에 대해서 불확실도 (uncertainty)를 평가하였다. 그리고 냉매 측 열 전 달량과 공기 측 현 열 열전달량에 대하여 에너지 균형(energy balance)을 평가하였다.
- 보여지는 실 혐장치의 테스트부(test sec- tion)에 열교환기를 설치하여 항온조온도와 공기 입구온도 및 습도가 정상상티에 도달하면 착상시험을 시작한다. 입구 공기의 시험조건은 히터와 가습가틀 이용하여 건구온도 5P, 상대 습도는 90%로 관리하였고, 항온조온도와 냉매유량은 ~30t,126kg/hr로 고정하여 열교환기 내로 순환시켰으며 입구 공기 츼적 유량은 l.SmVminS.
- 다른 표면 특성을 얻기 위하여 고석근둥(9)이 제안한 방법으로 플라즈마 처리하였는데 이때 열교환기 핀의 평균 정적 접촉각은 65°룔 나타내었다. 제상 잔수량을 측정한 다음 열 교환기를 분해, 철단하여 각기 다른 위치에서 가로X세로가 5mmx 10mm인 12개 5.2의 시료를 만들어 신종민 등(7) 과 동일한 방법으로 정적 접촉각을 측정하였다.
- 착상실혐이 완료되면 순환부 내의 공기 흐름을 중지시키고 곧바로 제상을 시작하였으며 제상센 서 (defir>st sensor)가 5℃ 에 도달하면 제상을 중단하였고 제상수가 충분히 홑러 내릴 수 있도록 7분 동안의 휴지기간을 둔 다음 제상설험을 종료하고 이패열교환기 표면에 부착되어 있는 물의 양을 제상 잔수량이라고 한다. 젯상후 잔 수량은 제상수가 부착된 상데에서의 열교환기 무게와 제상수를 제거한 후의 열교환기 무게의 차로 계산하였고 무게는 로드셀(load cell, 제작처: CAS, 모엘영: BCL-1L)로 측정하였다 *
- 하여 10분 간격으로 30분간 착상을 진행하였다. 착상량은 순수한 열교환기 무게와 착상 후의 열교환기 무게의 차로 계산하였고 무게는 로드셸(loed cell, 제작처: CAS, 모델명 : BCL-1L)로 측정하였다.
- SmVminS. 하여 10분 간격으로 30분간 착상을 진행하였다. 착상량은 순수한 열교환기 무게와 착상 후의 열교환기 무게의 차로 계산하였고 무게는 로드셸(loed cell, 제작처: CAS, 모델명 : BCL-1L)로 측정하였다.
- 상세한 계산 내용은 부록1에 나타내었다. 한편, 냉매 측 열 전달량과 냉매 측 열 전달량과 공기 측 열전달량을 측정하여 다음의 평가식으로 에너지 균형을 평가하였다.
대상 데이터
- 1과 같은 핀-관 열교환기를 각각 두 가지 다른 표면 특성으 로 실험을 하였다. 열교환기는 알루미늄으로 제작하였으며 관의 단수는 2개, 열수는 8개이며, 곡관부를 포함한 열교환기의 치수는 폭 X 깊이X 높이가 295X44x220mm이며 열교환기의 각 핀은 일체형(straight)으로 되어 있다. 핀가공유(va-por oil)를 이용하여 제작한 일반 열교환기의 경우 핀 표면은 정적 접촉 각 약 90°률 나타내었다.
이론/모형
- 핀가공유(va-por oil)를 이용하여 제작한 일반 열교환기의 경우 핀 표면은 정적 접촉 각 약 90°률 나타내었다. 다른 표면 특성을 얻기 위하여 고석근둥(9)이 제안한 방법으로 플라즈마 처리하였는데 이때 열교환기 핀의 평균 정적 접촉각은 65°룔 나타내었다. 제상 잔수량을 측정한 다음 열 교환기를 분해, 철단하여 각기 다른 위치에서 가로X세로가 5mmx 10mm인 12개 5.
- 따라서 냉매 측 열 전달량, 공기풍량, 그리고 공기 측 현 월 열전달량에 대한 불확실도는 Aber-nathy et al(10)의 방법에 따라 구할 수 있고 Table 1에 나타내었다. 상세한 계산 내용은 부록1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 열교환기 표면이 건조한 상태에서 착상이 시작될 때 표면특성에 따른 착상량의 차이는 미 미하였으나 압력강하에 있어서 정적 접촉각이 작 은 경우 12% 적었다.
- (2) 건조한 상태에서 착상 후 제상시켰을 때 친수성능이 좋을수록 제상수 배출이 발라 제상시 간이 단축되었으며 제상효율이 76% 상승하였다.
- Aoki et al.(2)은 착 상이 진행될수록 서리충에 의한 열저항의 증가로 열전달계수는 감소하며, 또한 공기유속 증가에 의한 열전달계수의 중가는 무착상시에 비해 착상 시에는 현저히 둔화됨을 밝혔다. 그리고 열교환 기 표면에 착상된 서리의 밀도는 공기유속이 빠 를수록 증가하며, 공기습도의 영향은 착상 초기 에는 습도가 낮은 경우가 서리 밀도가 높았다가, 운전시간이 길어지면 고습조건의 경우 서리밀도 가 급격히 상승하는데 이는 서리구조가 시간에 따라 달라지기 때문으로 이해하였다.
- (3) 냉동시스템에 있어서 65°인 표면을 갖는 열교환기가 90°인 표면을 갖는 열교환기에 비해 낮은 공기측 압력손실 특성에 의한 열전달량의 효율향상과 착상에 대한 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
- 는 제상량[gr], LH는 융해잠열[kg/kg], q는 공급되는 열량, τ는 제 상 종료시간이다. Fig. 4애서 제상시 접촉각이 65°인 열교환기는 30분 기준으로 90°인 열교환기 에 비해서 제상 잔수량(Fig. 4의 WH mass) 및 제상량(Fig. 4의 Defrost mass)이 현저하게 작으 며 또한 제상시간이 단축되어 제상효을이 76% 상승하였다. 접촉각이 90°인 열교환기는 10분 기 준으로 제상 후 착상량의 대부분이 제상 잔수량 으로 존재하여 제상량온 거의 없는 것으로 판단 되었다.
- 대부분의 연구결과는, 공기속 도가 따를수록, 상대습도가 높을수록 착상률은 중가하며, 표면온도는 낮을수록 착상률이 빠른 것을 알수 있다. 그리고 공기온도도 높올수록 착 상률이 빨라지는 것으로 평가되었다.
- 그리고 Rite et al(4) 은 열교환기의 착상에 미치는 주요 인자들, Fin Pitch, 공기속도, 열교환기 표면온도, 공기온도, 공기상대습도의 변화가 착상률에 미치는 영향을 조사, 정리하였다. 대부분의 연구결과는, 공기속 도가 따를수록, 상대습도가 높을수록 착상률은 중가하며, 표면온도는 낮을수록 착상률이 빠른 것을 알수 있다. 그리고 공기온도도 높올수록 착 상률이 빨라지는 것으로 평가되었다.
- 또한 신종민 등(8)의 시험결과에서 보인 바와 같이 정적 접촉각이 65°인 경우 90°에 비해 서 잔수량의 기울기가 상당히 가파름을 보이고 있다. 따라서 제상 후 제상 잔수량을 접촉각을 기준으로 비교한 결과 정적 접촉각이 낮은 표면 이 높은 표면에 비하여 우수하다고 말할 수 있 다. 이것은 실제 냉동시스템에 있어서 친수 표면 열교환기 적용에 의하여 시스템 효을 및 시스템 신뢰성을 높일 수 있음을 의미한다.
- Stoecker^는 냉동시스템에서 착상이 진행됨에 따라 초기에는 총합 열전달계수는 증가하나, 어 느 일정 이상 착상량이 증가하면 점차적으로 감 소함을 보였다. 또, 동일한 냉동능력 기준으로 열 교환기 핀 간격의 영향에 대해서도 착상이 적은 초기에는 좁은 횐 간격이 유리하나, 착상이 진행 됨에 따라 넓은 휜 간격을 갖는 열교환기가 보다 효율적이라는 결론을 얻었다. Aoki et al.
- 착상이 진행되면서 각 열교환기의 착상 량은 시간이 경과함에 따라 중가하고 있다. 접촉 각이 65°인 열교환기는 90°인 열교환기에 비해서 착상량이 30분 기준으로 5.6% 작은 것으로 본 연구의 최대 블확실도 8%를 고려할 때 착상량의 차이는 없는 것으로 판단된다. 하지만 이 결과는 이관수 둥(2)의 연구에서 친수성 표면의 경우 수 분이 도막형태로 표면에 분포하므로 열교환기 표 면과 물방울과의 접촉면적이 상대적으로 크기 때 문에 열전달면적의 중가가 착상을 촉진시킨다는 경향과 상반된 결과를 보이고 있다.
- 평가 결과 본 실험장치의 불확실도는 ±8%였다.
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