[논문]마이크로관 내 압력강하 특성 및 상관식에 관한 연구

황윤욱; 김주혁; 김민수

마이크로관 내 압력강하 특성 및 상관식에 관한 연구
Pressure Drop in Microtubes and Correlation Development 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.18 no.1, 2006년, pp.38 - 46

황윤욱 (한국기계연구원 에너지기계연구센터) , 김주혁 (서울대학교 기계항공공학부) , 김민수 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics about the pressure drop in microtubes have been investigated. The test tubes are the circular, seamless, stainless steel tubes with an inner diameter of 0.244, 0.430, and 0.792 mm, respectively. R-l34a was used as a test fluid. Early flow transition which has been reported in some previous studies is not found in single-phase flow pressure drop tests. The conventional theory between friction factor and Reynolds number predicted the experimental friction factors within an absolute average deviation of $8.9\%$. The two-phase flow pressure drop increases for higher quality and mass flux, and for reduced inner diameter. The existing correlations fail to predict the experimental data. A new correlation to predict the two-phase flow pressure drop is developed in the form of the Lockhart-Martinelli correlation. The effects of the tube diameter and the surface tension were considered, and the correlation predicted the experimental data within an average absolute deviation of $8.1\%$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 마이크로열시스템 연구센터의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사하는 바이다.
본 연구에서는 마이크로 열교환기에서의 잠개적인 작동유체로 사용될 수 있는 RT34a를 대상 유체로 하여 단상압력강하 및 2상압력강하 특성에 대해서 살펴보았고, 마이크로관 내 압력강하를 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다.

가설 설정

Table 2에 본 연구의 실험조건을 나타내었다. 단상유동 압력강하에 대해서는 시험부 길이와 직경의 비가 500 이상으로 완전발달(fully develop- ed)된 유동으로 가정할 수 있다. 단상유동 압력강 하의 주요 실험변수는 시험부 내를 흐르는 질량 유량이다.

제안 방법

(3) 2상유동 압력강하를 예측하는 기존상관식들 은 본 연구에 사용된 마이크로관 내에서의 압력 강하를 과도 예측하였다. 이에 따라 시험부의 관경 변화와 표면장력효과를 고려한 새로운 상관식을 도출하였으며, 본 실험의 측정결과를 절대평균오차 8.
2상유동 압력강하 실험에서는 시험부 내를 흐르는 시험유체의 유량뿐만 아니라 건도(quahty)도 압력강하에 영향을 미치는 주요 변수이다. 따라서, 시험부(test section) 입구에 설치된 과냉각기와 예 열기를 사용하여 시험부로 유입되는 유체의 건도를 조절하였다. 예열기에서 공급된 열량과 시험부 내를 흐르는 유체의 유량을 이용해 에너지 균형 식을 적용하면 식(9에 표시한 바와 같이 건도를 계산할 수 있다.
마이크로관 내에서의 2상유동 압력강하는 시험 부 내를 흐르는 유량과 건도를 변화시키면서 그 특성을 살펴보았다. Fig.
따라서, 주사형 펌프 1을 시험조건에 맞추어 조절하여 일정한 유량의 시험유체가 시험부를 흐르도록 한다. 시험 부 양단에서 측정되는 압력 강하(pressure drop) 를 측정하여, 식(1)과 (2)에서 보인 바와 같이 마찰계수와 레이놀즈수로 계산하여 압력강하 특성을 파악하였다.
792 mm이며, 본 논문에서는 각각 시험부 A, B, C라고 칭한다. 시험부 양단에 차압계를 설치하여 시험부에서 발생하는 압력강하를 측정하였다.
마이크로관 내에서 그.영향이 증가하는 표면장력과 관경 변화를 적절히 고려할 수 있는 무차원수인 제한수(confinement number, Ncomf)를 도입하여 새로운 상관식에 적용하였다.
과냉각기와 예열기를 거치면서 유체는 시험조건에 맞추어진다. 예열기에는 스테인레스 스틸관에 직접 전기를 흘려 가열하는 직접 가열법이 적용되었고, 공급되는 열량은 직류전원공급장치(DC power supply) 를 통해서 조절하였다. 시험부에서 나온 시험유 체는 응축기에서 과냉각되어 주사형 펌프 2로 모이게 된다.
미세유량의 유체를 시험부로 보내기 위하여 주사형 펌프 1이 사용되었고, .주사형 펌프 1에 의해 미세 조절된 유량은 열식 질량유량계로 측정하였다. 과냉각기와 예열기를 거치면서 유체는 시험조건에 맞추어진다.

대상 데이터

실험장치는 2개의 주사형 펌 프(syringe pump), 과냉각기 (subcooler), 질량유량계, -예열기 (preheater), 시험 부(test section), 응축기(condenser)로 구성되어 있다. 미세유량의 유체를 시험부로 보내기 위하여 주사형 펌프 1이 사용되었고, .주사형 펌프 1에 의해 미세 조절된 유량은 열식 질량유량계로 측정하였다.
본 연구에서 사용된 시험부는 외경이 L59mm 인 3가지 종류의 스테인레스 스틸관이고, 내경은 0.244, 0.430, 0.792 mm이며, 본 논문에서는 각각 시험부 A, B, C라고 칭한다. 시험부 양단에 차압계를 설치하여 시험부에서 발생하는 압력강하를 측정하였다.
l에 나타내었다. 실험장치는 2개의 주사형 펌 프(syringe pump), 과냉각기 (subcooler), 질량유량계, -예열기 (preheater), 시험 부(test section), 응축기(condenser)로 구성되어 있다. 미세유량의 유체를 시험부로 보내기 위하여 주사형 펌프 1이 사용되었고, .

데이터처리

Fig. 5에서는 직경이 0.244mm인 마이크로관 내 압력강하에 대해서 실험에서 얻은 건도, 유량, 압력강하 결과를 통하여 Martinelli 수 및 2상유동 마찰손실배수를 계산하여 나타내었고, 그 결과를 기존의 상관식들과 비교하였다. Martinelli 수의 증가는 건도의 감소를 의미하며, 건도의 작을수록 액상의 압력강하를 기준으로 한 마찰손실배수는 감소한다.

이론/모형

본 연구의 실험에서 구한 마찰계수와 2상유동 마찰손실배수에 대해 Coleman and Steele<15)ol 제시한 방법에 따라 신뢰도 95%의 불확실도 해석 (uncertainty analysis)을 수행하였다. 마찰계수의 평균 불확실도는 약 4.

성능/효과

(1) 기존의 마이크로 채널 내 유동현상 연구에서 보고된 이른 유동천이 (early flow transition) 는 발견되지 않았으며, 레이놀즈수 2,000 부근에서 유동천이가 발생하였다.
(2) 마찰계수와 레이놀즈수에 관한 이론 관계식은 본 연구의 실험결과를 절대평균오차 8.9% 안에서 예측하였으며, 직경이 0.244mm보다 큰 마이크로관에 대해서는 기존 이론관계식을 적용할 수 있음을 보였다.
Choi et al.(3) 은 질소를 사용하여 직경이 3~81µm인 마이크로관에 대해서 실험하였고, 마찰상수(friction co- efficient)가 64가 아닌 53임을 보였다. Peng et al.
Fig. 3에서는 레 이 놀즈수 변화에 따른 마찰계수의 변화특성을 보여주고 있으며, 마찰계수와 레이놀즈수 사이의 이론관계식이 본 연구의 실험결과를 절대평균오차 약 8.9% 안에서 잘 예측함을 보여주고 있다. 하지만, 앞서 Table 1에서 요약한 마찰계수와 레이놀즈수 사이의 관계에 대한 기존 연구들의 결과들은 서로 상충되는 결과를 보여왔다.
본 연구의 실험에서 구한 마찰계수와 2상유동 마찰손실배수에 대해 Coleman and Steele<15)ol 제시한 방법에 따라 신뢰도 95%의 불확실도 해석 (uncertainty analysis)을 수행하였다. 마찰계수의 평균 불확실도는 약 4.6%이며, 2상유동 마찰 손실배수의 평균 불확실도는 약 8.4%이다.
7에 나타내었다. 상수 C값은 Martinelli 수가 증가함에 따라서 감소하고, 레이놀즈수가 증가함에 따라서 증가하는 경향을 보여준다. 하지만, 상수 C값은 Martinelli 수와 레이놀즈수만으로 표현될 수 없고, 새로운 변수가 도입되어야 한다.
(3) 2상유동 압력강하를 예측하는 기존상관식들 은 본 연구에 사용된 마이크로관 내에서의 압력 강하를 과도 예측하였다. 이에 따라 시험부의 관경 변화와 표면장력효과를 고려한 새로운 상관식을 도출하였으며, 본 실험의 측정결과를 절대평균오차 8.1%로 예측하였다.

참고문헌 (16)

Wu, P. and Little, W. A., 1983, Measurement of friction factors for the flow of gases in very fine channels used for microminiature Joule- Thomson refrigerators, Cryogenics, Vol. 23, pp. 273-277

상세보기
Pfahler, J., Harley, J., Bau, H. H. and Zemel, J., 1990, Liquid transport in micron and submicron channels, J. Sensors and Actuators, Vol. 21, pp.431-434
Choi, S. B., Barron, R. F. and Warrington, R. O., 1991, Fluid flow and heat transfer in microtubes, Micromechanical Sensors, Actuators, and Systems, DSC- Vol. 32, pp. 123-134
Peng, X. F., Peterson, G. P. and Wang, B. X., 1994a, Frictional flow characteristics of water flowing through rectangular microchannels, Experimental Heat Transfer, Vol. 7, pp. 249-264

상세보기
Yu, D., Warrington, R., Barron, R. and Ameel, T., 1995, An experimental and theoretical investigation of fluid flow and heat transfer in microtubes, ASME/JSME Thermal Eng. Conf., Vol. 1, pp.523-530
Peng, X. F. and Peterson, G. P., 1996, Forced convection heat transfer of single-phase binary mixtures through microchannels, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 12, pp. 98-104

상세보기
Mala, G. M. and Li, D., 1999, Flow characteristics of water in microtubes, Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol. 20, pp. 142-148

상세보기
Faghri, M. and Turner, S. E., 2003, Gas flow and heat transfer in microchannels, Proc. of SAREK Summer Annual Conference, June 2-4, Muju, Korea, pp. 542-550
Tu, X. and Hrnjak, P., 2003, Experimental investigation of single-phase flow pressure drop through rectangular microchannels, 1st International Conference on Microchannels and Minichannels, April 24-25, 2003, Rochester, New York, USA
Li, D. and Garimella, S. V., 2004, Investigation of liquid flow in microchannels, AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 18, pp. 65-72

상세보기
Moriyama, K., Inoue, A. and Ohira, H., 1992, The thermohydraulic characteristics of two-phase flow in extremely narrow channels (the frictional pressure drop and void fraction of adiabatic two-component two-phase flow), Trans. JSME (Ser. 8), Vol. 58, pp. 401-407
Lockhart, R. W. and Martinelli, R. C., 1949, Proposed correlation of data for isothermal two-phase two-component flow in pipes, Chem. Eng. Prog., Vol. 45, p. 39
Mishima, K. and Hibiki, T., 1996, Some characteristics of air-water two-phase flow in small diameter vertical tubes, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 22, No. 4, pp. 703-712

상세보기
Lee, H. J. and Lee, S. Y., 2001, Heat transfer correlation for boiling flows in small rectangular horizontal channels with low aspect ratios, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 27, pp. 2043-2062

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Coleman, H. W. and Steele, W. G., 1989, Experimentation and uncertainty analysis for engineers, John Wiley and Sons Inc
Obot, N. T., 2002, Toward a better understanding of friction and heat/mass transfer in microchannels - A literature review, Microscale Thermophysical Engineering, Vol. 6, pp. 155-173

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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