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문제 정의
- 8m3/hr일 때 6〜84kPa의 압력 강하량이 나타났다. Ngo⑷는 PCHE를 이용한 주택난방 온수 공급용 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 유로 내에 S 형상의 핀을 구성하고 작동유체로 CO2ZH2O를 사용하여 수치해석 및 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 마이크로 채널의 형상으로 기존에 많이 적용되고 있는 I 형상 (직관채널)과 3차원 형상 구조를 가져 단순 2차원 유동이 아닌 3 차원 혼합 유동을 야기하는 V, Y 형상 채널을 제안하고 이들의 열성능을 비교하였다. 각각의 채널로 구성된 마이크로채널 판형 열교환기는 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 전열판을 적층하여 구성하였으며, 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 압력강하를 고려하여 레이놀즈수 63-500 범위에 해당하는 유량범위의 조건으로 마이크로 채널 판형 열교환기의 열전달 성능 및 압력강하에 대한 실험 결과를 비교, 관찰 하였다. 이때 열교환기의 고온 측 입구온도는 40 °C, 저온측 입구온도는 20 °C로고정하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- (1) 양면식각 방법과 진공브레이징 방법으로 3 차원 혼합유동을 가지는 V, Y 형상의 고온 전열 판 6장, 저온 전열판 7장 적층 마이크로채널 판형 열교환기를 제작하였다.
- I 형상 직관 채널의 경우 수력직경을 구하기 위한 전열면적을 구하기 쉬우나 V, Y 형상 채널인 경우 형상이 복잡하여 전열 면적을 계산하기 어렵다. 3차원 형상 모델링 프로그램인 Solidworks 2006을 사용하여 실제 형상을 모델링한 후 전열면적을 계산하였다. 직관채널 수력직경 값은 0.
- 현 연구에서 수행된 Y형상 역시 압력강하량이 너무 커지지 않도록 구성하여 300/zm 혼합길이와 700㎛ 분리 길이로 제작하였다. I 형상 채널은 단면식각으로 상단부에서 200㎛깊이로, V, Y 형상의 마이크로 채널은 양쪽 면에서 각각 100㎛깊이로 식각하여채널의 깊이가 같도록 하였다.
- I 형상 채널은 단면으로만식각되어져 전열판 만으로도 적층이 가능하나, 반면 V, Y 형상 채널의 경우 양면 식각이므로 저온, 고온 및 저온유체가 서로 섞이지 않도록 중간 판(mid-plate)을 각 한 장씩 사이마다 끼워 넣어 적층하여야 한다. I, V, Y 형상 열교환기가 동일 조건에서 비교하여질 수 있도록 식각 방법을감안하여 I, V, Y 형상 전열판 및 중간판의 제원들을 결정하였으며 또한 실험 시 각 마이크로열교환기가 동일 작동 조건 하에서 수행되도록 제반 설계 조건을 맞추었다.
- Y 형상은 I 형상의 일부분과 V 형상의 일부분을 혼합하여 구성하고 I 형상 영역을 혼합 길이(mixing length), V 형상 영역을 분리 길이(se-peration length)로 구분하였다. 현 연구에서 수행된 Y형상 역시 압력강하량이 너무 커지지 않도록 구성하여 300/zm 혼합길이와 700㎛ 분리 길이로 제작하였다.
- 작동 유체가 흐르는 모든 연결 부위는 6 mm동관을 사용하였으며 주위로의 열손실을 방지하기 위하여 모두 단열 처리하였다. 실험의 기준이 되는 I 형상 열교환기인 경우 저온측 질량유량(Mass flow rate) 은 210〜430g/min, 고온측 질량유량은 174〜162。 g/min로 변화시켜 가며 열전달과 압력강하를 측정하였다. V, Y 형상과의 비교 실험인 경우 저온 측 유량은 208g/min로 고정하였으며, 고온 측 유량을 174〜1420g/min으로 변화시켰다.
- 각각의 채널로 구성된 마이크로채널 판형 열교환기는 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로채널 전열판을 적층하여 구성하였으며 좌우 양쪽에 엔드플레이트(End plate)를 두어 열교환기 강도 유지 및 작동유체 유출입관 포트를 연결할 수 있도록 하였다. Fig.
- 크게 두 부분으로 나누어 고온유체 순환부와 저온 유체 순환부로 구성되어 진다. 고온유체와 저온 유체는 항온조에서부터 마이크로 펌프, 필터, 유량계와 압력계를 거친 후 실험부인 마이크로채널 판형 열교환기를 통과하여 다시 항온조로 되돌아와 재순환될 수 있도록 구성하였다. 대향류 조건으로 고온과 저온 유체 간에 열교환이 이루어지도록 입, 출구 연결부를 구성하였으며, 압력계와 T형 열전대(Thermocouple)를 설치하여 열교환기 입출구의 온도와 압력을 측정하였다.
- 기존 마이크로 열교환기에서 주로 사용된 직관 채널을 본 연구에 적용하여 직관 마이크로 채널에서의 열전달 특성 및 압력강하를 조사하였다. 마이크로채널 판형 열교환기의 적층수에 따른 영향을 조사하기 위해 대향류 구조를 갖춘 13 전열 판 적층 1-13과 25 전열판 적층 1-25를 제작하여 실험 비교하였다.
- 고온유체와 저온 유체는 항온조에서부터 마이크로 펌프, 필터, 유량계와 압력계를 거친 후 실험부인 마이크로채널 판형 열교환기를 통과하여 다시 항온조로 되돌아와 재순환될 수 있도록 구성하였다. 대향류 조건으로 고온과 저온 유체 간에 열교환이 이루어지도록 입, 출구 연결부를 구성하였으며, 압력계와 T형 열전대(Thermocouple)를 설치하여 열교환기 입출구의 온도와 압력을 측정하였다. 저온 부에는 압력겨L 고온부에는 차압계를 설치하여 작동 유체의 유출입 시 발생하는 압력차를 측정하였다.
- 구성하였다. 또한 저온 유체의 유량을 208 g/min에 고정하고 고온 유량을 174〜 1420g/min 로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 이 때 레이놀즈수는 각각의 수력직경에 따라 약 63-500 범위에 해당한다.
- 조사하였다. 마이크로채널 판형 열교환기의 적층수에 따른 영향을 조사하기 위해 대향류 구조를 갖춘 13 전열 판 적층 1-13과 25 전열판 적층 1-25를 제작하여 실험 비교하였다.
- Focke⑵는 1986년 판형 열교환기의 홈의 형상과 배열에 따른 최적 조건을 결정하는 방법에 대하여 Colburn j인자, 마찰계수, Reynolds수의 항으로 나타내었다. 상기의 조합에 따라 최적의 표면형상을 찾아내어 단위면적당 총괄열전달계수를 높여 전체 열교환기 크기를 감소시키는 방법을 발표하였다. 압력강하 연구로써 Gromoll⑶은 공기를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널 냉각기에서 체적유량의 증가에 따라 압력강하량이 선형적으로 증가함을 보였으며, 체적유량이 0.
- V, Y 형상과의 비교 실험인 경우 저온 측 유량은 208g/min로 고정하였으며, 고온 측 유량을 174〜1420g/min으로 변화시켰다. 압력강하를 고려하여 레이놀즈수 63-500 범위에 해당하는 유량범위의 조건으로 마이크로 채널 판형 열교환기의 열전달 성능 및 압력강하에 대한 실험 결과를 비교, 관찰 하였다. 이때 열교환기의 고온 측 입구온도는 40 °C, 저온측 입구온도는 20 °C로고정하여 실험을 수행하였다.
- 우선, 시스템 내부의 기포가 전부 제거되도록 항온 조를 운전시킨 뒤 저온, 고온부의 펌프 유량을 조절하고 항온조의 온도가 실험 온도 조건에 맞도록 온도와 유량을 점검 한다. 고온부와 저온 부의 열전달 상태를 계산하고 정상상태에 이루었다고 판단되면 실험 데이터를 수집한다.
- 중간에 분리판을 두어 저온 및 고온 유체가 섞이지 않고 열교환만 할 수 있도록 구성 한다. 위와 같은 방식으로 한장 한장씩 배열된 전열판 및 분리판은 게스킷(Gasket)을 사용하지 않고 진공 브레이징(Vacuum brazing)을 이용하여 접합해서 마이크로채널 판형 열교환기를 제작 하였다. 진공 브레이징은 섭씨 450°이상의녹는점 온도를 가진 용가재를 사용하여 진공상태에서 모재의 녹는점 이하의 열을 가하여 모재를 접합한다.
- Ngo⑷는 PCHE를 이용한 주택난방 온수 공급용 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 유로 내에 S 형상의 핀을 구성하고 작동유체로 CO2ZH2O를 사용하여 수치해석 및 실험을 수행하였다.
- 낮은 유량에서는 입, 출구 부분에 낮은 압력과 시스템 연결부의 높이 차로 인하여 발생하는 요인으로 유량이 빠져 나가지 못하고 역류 하거나 정체되는 현상을 관찰 할 수 있다. 이를 방지하기 위해 마이크로 펌프에서 보내는 유량을 미세 조절 할 수 있는 밸브와 역류를 방지하기 위하여 체크(Check) 밸브를 설치하였다.
- 대향류 조건으로 고온과 저온 유체 간에 열교환이 이루어지도록 입, 출구 연결부를 구성하였으며, 압력계와 T형 열전대(Thermocouple)를 설치하여 열교환기 입출구의 온도와 압력을 측정하였다. 저온 부에는 압력겨L 고온부에는 차압계를 설치하여 작동 유체의 유출입 시 발생하는 압력차를 측정하였다. 작동유체는 정재수(DI-Water)를 사용하였고 마이크로 채널 특성상 채널 단면적이 매우 작으므로 막힘을 방지하기 위해 1㎛까지 여과 할 수 있는 마이크로 필터를 사용하였다.
- 이 때 저온 측 질량 유량도 210〜 430g/min로 변화하며 실험을 수행하였다. 적층수에 따른 영향을 알아보기 위해서는 고온 유체의 질량유속보다는 관 내에서의 속도를 나타내는 레이놀즈수로 비교하는 것이 바람직하며 수력직경 개념을 도입하여 산출하였다. 저온 측 질량유량을 일정하게 고정하고 고온 유체의 질량유량(174〜 1620g/min)을 증가시키면 열전달률이 증가함을 볼 수 있다.
- 각각의 채널로 구성된 마이크로채널 판형 열교환기는 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 전열판을 적층하여 구성하였으며, 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다. 정상상태 도달 후 정해진 일정 입구 온도에서 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 비교 분석하였다.
- 직관채널 I 형상과 세브론각 80°의 V 형상, 분리 길이 700rn 혼합길이 300㎛의 Y 형상 마이크로채널 판형 열교환기를 제작하고 레이놀즈수 변화에 따른 열전달률 및 압력강하량 특성을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- I, V, Y 형상 채널에서의 열전달 성능을 비교하기 위하여 전열판 적층을 모두 동일한 13장 적층으로 구성하였다. 또한 저온 유체의 유량을 208 g/min에 고정하고 고온 유량을 174〜 1420g/min 로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다.
- 이들의 열성능을 비교하였다. 각각의 채널로 구성된 마이크로채널 판형 열교환기는 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 전열판을 적층하여 구성하였으며, 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다. 정상상태 도달 후 정해진 일정 입구 온도에서 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 비교 분석하였다.
- 온도와 유량을 점검 한다. 고온부와 저온 부의 열전달 상태를 계산하고 정상상태에 이루었다고 판단되면 실험 데이터를 수집한다. 작동 유체가 흐르는 모든 연결 부위는 6 mm동관을 사용하였으며 주위로의 열손실을 방지하기 위하여 모두 단열 처리하였다.
- 저온 부에는 압력겨L 고온부에는 차압계를 설치하여 작동 유체의 유출입 시 발생하는 압력차를 측정하였다. 작동유체는 정재수(DI-Water)를 사용하였고 마이크로 채널 특성상 채널 단면적이 매우 작으므로 막힘을 방지하기 위해 1㎛까지 여과 할 수 있는 마이크로 필터를 사용하였다. 낮은 유량에서는 입, 출구 부분에 낮은 압력과 시스템 연결부의 높이 차로 인하여 발생하는 요인으로 유량이 빠져 나가지 못하고 역류 하거나 정체되는 현상을 관찰 할 수 있다.
- Y 형상은 I 형상의 일부분과 V 형상의 일부분을 혼합하여 구성하고 I 형상 영역을 혼합 길이(mixing length), V 형상 영역을 분리 길이(se-peration length)로 구분하였다. 현 연구에서 수행된 Y형상 역시 압력강하량이 너무 커지지 않도록 구성하여 300/zm 혼합길이와 700㎛ 분리 길이로 제작하였다. I 형상 채널은 단면식각으로 상단부에서 200㎛깊이로, V, Y 형상의 마이크로 채널은 양쪽 면에서 각각 100㎛깊이로 식각하여채널의 깊이가 같도록 하였다.
데이터처리
-
4.1 무차원 변수
수집한 데이터는 산술 평균하여 평균값을 대표 값으로 하였다
. 마이크로 판형 열교환기의 수력직경과 레이놀즈수는 식(1)과 식(2)로부터 구할 수 있다.
이론/모형
- 2에 식각된전열판의 사진을 보여주고 있다. 젖음식각(Wet etching) 방법을 이용하여 금속박판에 마이크로채널 형상을 제작하였다. I 형상 채널은 단면 식각, 3차원 형상인 V, Y 형상 채널은 양면 식각을 이용하여 구성하였다.
성능/효과
- (2) 직관채널 I형 채널의 경우 적층수에 따른 열전달 및 압력강하를 비교하였으며, 전열 성능은 적층 수에 따라 증가하나 압력강하는 입, 출구에서 압력강하량이 크게 좌우됨을 알 수 있다.
- (3) 누셀수 비교를 통해 Y 형상의 마이크로채널이 가장 우수한 열적 성능을 나타내었다. V, Y 형상의 마이크로채널은 직관채널 I 형상 보다 약 2.
- (4) 저 레이놀즈수에서는 I, V, Y 형상 채널 모두 비슷한 압력강하를 나타내고 있어 3차원 유동의 압력 강하가 거의 효과를 나타내지 못하나 레이놀즈수가 증가할수록 3차원 유동에 의한 압력손실이 발생하여 I 형상과 V, Y 형상의 압력 강하 폭이 점점 커짐을 알 수 있다.
- 적층에 따른 열전달을 비교하기 위해서는 저온 측의 레이놀즈수도 맞추어야 한다. 따라서 IT3인 경우, 210g/min 1-25 인 경우 430g/min의 질량유속의 결과를 이용하여 비교하였으며, 두 배 적층에 따른 전열면적의 2배로 열전달률도 평균 2배 정도의 열전달 상승률을 보인다. 압력강하는 3.
- 저 레이놀즈수에서는 급격히 증가하다 레이놀즈수가 증가할수록 완만해짐을 보인다. 또한 고온 유체의 일정 레이놀즈수에서 저온 유체의 질량유량이 증가될 때 또한 열전달률이 상승함을 알 수 있다. 이는 기존 열교환기들의 일반적인 특성과 일치한다.
- 5〜3배의 높은 누셀수를 나타낸다. 또한 기존의 열적 완전발달 유동의 누셀수보다 약간 큼을 알 수 있다. 이는 V, Y 형상 채널에서의 유동이 3차원 혼합유동 형태를 가지기 때문이다.
- 상기의 조합에 따라 최적의 표면형상을 찾아내어 단위면적당 총괄열전달계수를 높여 전체 열교환기 크기를 감소시키는 방법을 발표하였다. 압력강하 연구로써 Gromoll⑶은 공기를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널 냉각기에서 체적유량의 증가에 따라 압력강하량이 선형적으로 증가함을 보였으며, 체적유량이 0.18〜0.8m3/hr일 때 6〜84kPa의 압력 강하량이 나타났다. Ngo⑷는 PCHE를 이용한 주택난방 온수 공급용 열교환기에 대한 연구를 수행하였다.
후속연구
- 마이크로 채널에서의 일반적인 열수력 특징은 작은 수력직경과 낮은 유속으로 인한 저 레이놀즈수 영역의 층류 유동, 냉각시스템의 단위 부피당 큰 전열 면적/부피로 인한 높은 열전달률, 반면에 마이크로 직경으로 인한 단위 유로 길이 당큰 압력강하 및 입, 출구의 구조적 압력강하 증가 등을 들 수 있다. 따라서 열교환기의 채널 형상을 디자인 할 때 상반되는 열전달과 압력 관계를 고려하여 최적의 형상 조건을 찾아야 할 것이다.
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