[논문]서로 다른 표면특성을 갖는 핀-관 열교환기의 착상과 제상 성능평가

최봉준; 황준현; 신종민

문제 정의

본 연구에서는 서로 다른 표면의 핀-관열 교환 기에 대해 건조한 표면에서 착상이 발생하는 실험과 실제 냉장고 사이클의 특성과 유사한 습표면에서 착상이 발생하는 실험을 하였다. 표면이 서로 다른 열교환기의 성능이 어떻게 다른지 최봉준 등⑹에서 정의된 다음과 같은 성능 평가계수 (PEC)를 가지고 착상 시작 60분 후의 결과를 비 교하였다.
본 연구에서는 열교환기의 표면 특성 변경을 통한 성능 향상에 대해 실험적으로 검토하였다. 열교환기의 성능을 평가하기 위해 일반적으로 공조기용 열교환기에서 사용되는 단순히 증발기의 열전달계수나 압력 강하만을 비교 평가방법은 착상을 수반한 냉장고용증발기의 성능을 비교 평가 하는 데는 한계가 있기 때문에 최봉준 등이 개발한 성능평가계수를 통해 열교환기의 성능을 평 가하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Table 1과 같이 냉장고용 열교환기에 락카(lacquer) 표면처리와 플라즈마(plasma) 표면 처리를 하여 일반적으로 표면 특성을 논할 때 주로 사용되는 정적접촉각(static contact angle, SCA)을 이용하여 이들 관계를 정량적으로 나타내었다. 이의 측정 방법은 신종민 등⑸에 따라 측정하였다.
서로 다른 표면처리를 한 락카 표면과 플라즈마 표면의 열교환기에 대해 착상이 발생하는 건 표면 조건과 열교환기 표면에 물방울이 부착된 상태에서 재착상이 발생하는 습표면 조건의 실험 결과를 성능평가계수를 통해서 성능을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험 방법은 실험장치의 테스트부(test section)에 열교환기를 설치하여 항온조온도와 공기 입구온도 및 습도가 정상 상태에 도달하면 착상시험을 시작한다 : 실제 냉장고 조건에서 착상에 의한 열교환기 성능의 감소를 나태내기 위해 입구 공기의 시험조건은 히터와 가습기를 이용하여 건구온도 5℃, 상대 습도는 90%로 관리하였고, 항온조온도와 '냉매유량은 -30℃, 126kg/hr로 고정하여 열교환기 내로 순환시켰으며 입구 공 기 체적 유량은 로하여 10분 간격으로 실제 냉장고에서 착상 정도를 공기측 압력 손실로 측정하여 본 논문에서는 동일한 압력 손실을 가지는 시점으로 60분간 착상을 진행하였다. 실제 냉동 사이클에서는 착상과제상의 과정을 순환하면서 열교환기 표면에 제상수가 존재하고 다시 착상이 되는데 이를 고려한 습표면 조건에서 실험은 제상히터를 사용하여 표면에 착상된 서리를 녹인 후 표면에 부착된 물방울이 중력에 의해 떨어지지 않는 일정한 수렴 상태에 도달했을 경우 실험을 실시하여 건조한 표면에서의 실험과 같은 순서로 진행하였다.
I는 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도이다. 실험 방법은 실험장치의 테스트부(test section)에 열교환기를 설치하여 항온조온도와 공기 입구온도 및 습도가 정상 상태에 도달하면 착상시험을 시작한다 : 실제 냉장고 조건에서 착상에 의한 열교환기 성능의 감소를 나태내기 위해 입구 공기의 시험조건은 히터와 가습기를 이용하여 건구온도 5℃, 상대 습도는 90%로 관리하였고, 항온조온도와 '냉매유량은 -30℃, 126kg/hr로 고정하여 열교환기 내로 순환시켰으며 입구 공 기 체적 유량은 로하여 10분 간격으로 실제 냉장고에서 착상 정도를 공기측 압력 손실로 측정하여 본 논문에서는 동일한 압력 손실을 가지는 시점으로 60분간 착상을 진행하였다. 실제 냉동 사이클에서는 착상과제상의 과정을 순환하면서 열교환기 표면에 제상수가 존재하고 다시 착상이 되는데 이를 고려한 습표면 조건에서 실험은 제상히터를 사용하여 표면에 착상된 서리를 녹인 후 표면에 부착된 물방울이 중력에 의해 떨어지지 않는 일정한 수렴 상태에 도달했을 경우 실험을 실시하여 건조한 표면에서의 실험과 같은 순서로 진행하였다.
이의 측정 방법은 신종민 등⑸에 따라 측정하였다. 실험은 건조한 열교환기 표면에서 착상이 발생하는 실험과 냉장고의 실제 소비자 사용 조건에서와 같은 조건인 표면에 물방울이 잔존하는 습표면 조건에서 착상 실험을 실시하여 개발된 성능평가곈수로 표면 효과에 대해 결과를 비교하였다. 핀-튜브 열교환기는 알루미늄으로 제작 하였다.
실험장치의 전체적인 정확성을 평가하기 위하여 중요측정항목인 냉매 측 열 전달량, 공기풍량, 그리고 공기 측 현 열 열전달량에 대해서 불확실도 (uncertainty)를 평가하였다. 평가 결과 본 실험장치의 불확실도는 ±8%이었다.
본 연구에서는 열교환기의 표면 특성 변경을 통한 성능 향상에 대해 실험적으로 검토하였다. 열교환기의 성능을 평가하기 위해 일반적으로 공조기용 열교환기에서 사용되는 단순히 증발기의 열전달계수나 압력 강하만을 비교 평가방법은 착상을 수반한 냉장고용증발기의 성능을 비교 평가 하는 데는 한계가 있기 때문에 최봉준 등이 개발한 성능평가계수를 통해 열교환기의 성능을 평 가하였다.
본 연구에서는 서로 다른 표면의 핀-관열 교환 기에 대해 건조한 표면에서 착상이 발생하는 실험과 실제 냉장고 사이클의 특성과 유사한 습표면에서 착상이 발생하는 실험을 하였다. 표면이 서로 다른 열교환기의 성능이 어떻게 다른지 최봉준 등⑹에서 정의된 다음과 같은 성능 평가계수 (PEC)를 가지고 착상 시작 60분 후의 결과를 비 교하였다.

대상 데이터

실험은 건조한 열교환기 표면에서 착상이 발생하는 실험과 냉장고의 실제 소비자 사용 조건에서와 같은 조건인 표면에 물방울이 잔존하는 습표면 조건에서 착상 실험을 실시하여 개발된 성능평가곈수로 표면 효과에 대해 결과를 비교하였다. 핀-튜브 열교환기는 알루미늄으로 제작 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Table 1과 같이 냉장고용 열교환기에 락카(lacquer) 표면처리와 플라즈마(plasma) 표면 처리를 하여 일반적으로 표면 특성을 논할 때 주로 사용되는 정적접촉각(static contact angle, SCA)을 이용하여 이들 관계를 정량적으로 나타내었다. 이의 측정 방법은 신종민 등⑸에 따라 측정하였다. 실험은 건조한 열교환기 표면에서 착상이 발생하는 실험과 냉장고의 실제 소비자 사용 조건에서와 같은 조건인 표면에 물방울이 잔존하는 습표면 조건에서 착상 실험을 실시하여 개발된 성능평가곈수로 표면 효과에 대해 결과를 비교하였다.

성능/효과

(1) 습표면 조건에서 공기측 압력 손실은 락카 표면의 열교환기, 플라즈마 표면의 열교환기 순으로 낮다. 락카 표면의 열교환기는 표면에 부착된 물방울의 형태가 액적 상태로 재착상 시 방해물로 작용하여 공기측 압력 손실을 가져오게 되어 급격한 성능저하를 가져오게 된다.
(2) 실제 냉장고 조건에 가까운 습표면 조건의 성능을 각각의 열교환기를 평가한 결과 표면 효과 로 서 락카 표면의 열교환기에 비해 플라즈마 표면의 열교환기가 성능이 17%나 높으며 건표면과 습 표면의 성능비인 성능평가계 수비도 3배가 낮게 나타났다. 즉 플라즈마 표면의 열교환기는 표면에 부착된 물방울에 의해 성능의 감소폭이 작으며 이것은 열교환기의 소형화 설계가 가능하며 또한 열교환기의 재료비 절감으로 이어질 수 있음을 의미한다.
하지만 락카 표면 열 교환기의 경우는 플라즈마 표면에 비해서 성능계수비가 3배나 높으며 이것은 습 표면의 조건에서 실험을 했을 경우 열교환기 표면에 맺히 는 물방울에 의해 성능의 감소폭이 플라즈마 표면에 비해 3배나 많다는 것을 의미한다. 따라서 열교환기 표면의 플라즈마 처리는 실제 냉장고 운전조건에서 보다 유리한 성능을 보일 것으로 판단된다. 하지만, 이러한 결과는 표면 특성뿐만 아니라 형상에 따라서도 큰 영향을 받으므로 정량적인 수치는 표면뿐만 아니라 형상에 따라서도 달라질 수 있음을 의미한다.
건 표면 조건에서는 착상이 진행되면서 성능 평가계수는 점차 감소하게 되며 락카 표면의 열교환기와 플라즈마 표면의 열교환기는 종료 시점까지 동일한 성능을 보이고 있다. 반면에 습표면 조건에서는 건표면 조건과는 다르게 종료 시점인 60분을 기준으로 플라즈마 표면의 열 교환기가 락카 표면의 열교환기에 비해 성능이 약 17% 증가하였다.
건 표면 실험에서는 표면처리에 따라 시험 종료 시점인 60분에서 약 5% 플라즈마 표면의 압력 손실이 낮게 보이며, 습표면 조건에서 실험 초기에는 플라즈마 표면이 9% 압력 손실 이 낮으며 착상이 진행되면서 표면의 물방울이 방해물로 작용하여 시험 시작 후 30분을 기점으로 락카 표면 열 교환기의 공기측 압력 손실이 보다 빠르게 증가하고 있다. 종료 시점인 60분을 기준으로 락카 표면의 열교환기가 플라즈마 표면의 열교환기와 비교했을 때 표면처리의 효과로 플라즈마 표면의 열교환기가 15% 공기측 압력 손실이 좋은 것으로 나타났다. 이것은 열교환기의 표면에 따라서 부착되는 물방울의 형태가 다르기 때문이다.
실험장치의 전체적인 정확성을 평가하기 위하여 중요측정항목인 냉매 측 열 전달량, 공기풍량, 그리고 공기 측 현 열 열전달량에 대해서 불확실도 (uncertainty)를 평가하였다. 평가 결과 본 실험장치의 불확실도는 ±8%이었다.⑺

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