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문제 정의
- 단상에서의 열전달계수 상관식을 구하기 위해 앞서 열전달 성능을 나타내는 UA값을 이용하여 본 실험범위 내에서의 열전달계수 상관식을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 마이크로채널 열교환기와 PCHE의 핵심기술을 함께 고려한 고성능 및 고효율의 소형열교환기를 개발하고자 한다. 따라서 마이크로 포토에칭으로 마이크로채널을 제작하고 이를 확산접합기술로 마이크로채널 PCHE를 제작하였다.
제안 방법
- 마이크로채널 열교환기에 대한 연구로는 Rachkovskij et al.(3)이 마이크로채널의 종횡비와 함께 적층수가 20장인 직교류 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 작동유체는 공기 대 공기로 실험을 수행하였으며 우수한 온도근접성과 체적열전달계수를 제시하였다.
- (6)은 Nikitin et al.(5)의 직관채널 PCHE를 개선하여 S 형태의 핀 형상을 가진 새로운 PCHE를 제작하여 실험하였다. 또한, 3차원 전산해석을 통해 열적 수력성능을 평가하였다.
- PCHE에 대한 연구는 Nikitin et al.(5)이 초임계의 CO2에 대해 열전달 및 압력강하 특성을 실험하였고, 레이놀즈수에 따른 국부 열전달계수와 압력강하 인자에 대한 실험상관식을 제안하였다. Ngo et al.
- (6) 압력강하량 결과를 이용하여 마찰계수 f를 계산하였고, 본 마이크로채널 PCHE에 적합한 마찰계수 상관식을 제안하였다.
- Tsuzuki et al.(7)은 S 형상과 다양한 지그재그 형상에 있어 3차원 전산해석을 이용하여 열전달 및 압력강하를 계산하여 열적 수력성능을 평가하였다. PCHE의 기존 연구는 고효율을 가지는 형상 연구는 수행하고 있지만 마이크로채널을 적용한 소형열교환기 연구는 거의 수행되지 않았다.
- 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다. 각 계측 장치는 보정(Calibrations)을 수행한 후 유량, 온도, 압력 및 차압 등을 데이터 수집장치를 이용하여 정상상태에서 모든 결과물을 0.5초 간격으로 저장하였다.
- 본 연구에 사용된 고온유체와 냉각수는 DI-water를 사용하였다. 고온유체에 대한 입구온도는 40℃~50℃에서, 냉각수의 입구온도는 20℃의 일정한 온도조건에서 실험을 수행하였다. 전체 실험에서 질량유량 조건은 정량펌프가 큰 유량손실 및 오차 없이 흘러 보낼 수 있는 안정적인 범위인 150 ~ 2000 g/min로 레이놀즈수는 대략 100 ~700 정도이다.
- 6에는 마이크로채널 PCHE의 고온측과 저온측 레이놀즈수를 같게 한 상태 하에서 평균열전달률을 나타내었다. 고온측 입구온도는 40℃, 50℃이고 저온측 입구온도는 20℃로 고정하였다. 평행류와 대향류조건에서의 열전달 성능을 비교하기 위하여 고온측 입구온도 40℃일 때에 한하여 비교실험을 수행하였다.
- 9에 나타내었다. 고온측과 저온측 입구온도는 각각 40℃와 20℃로 고정하였고, 평행류와 대향류를 비교하기 위하여 저온측 레이놀즈수 350일 때 열전달 성능을 비교하였다. 고온측 및 저온측 레이놀즈수가 증가할수록 평균열전달 및 열전달 성능은 증가하는 경향을 나타내었다.
- 본 연구에서는 마이크로채널 열교환기와 PCHE의 핵심기술을 함께 고려한 고성능 및 고효율의 소형열교환기를 개발하고자 한다. 따라서 마이크로 포토에칭으로 마이크로채널을 제작하고 이를 확산접합기술로 마이크로채널 PCHE를 제작하였다. 제작된 마이크로채널 PCHE에 대해 레이놀즈수 및 온도에 따른 기초 성능실험을 수행하였고 열전달 및 압력강하 자료를 확보하였다.
- 제작된 마이크로채널 PCHE에 대해 레이놀즈수 및 온도에 따른 기초 성능실험을 수행하였고 열전달 및 압력강하 자료를 확보하였다. 또한 이를 이용하여 기초 설계 자료로 사용할 수 있는 열전달계수 및 마찰계수 상관식을 개발하였다.
- (5)의 직관채널 PCHE를 개선하여 S 형태의 핀 형상을 가진 새로운 PCHE를 제작하여 실험하였다. 또한, 3차원 전산해석을 통해 열적 수력성능을 평가하였다. Tsuzuki et al.
- 유용도와 압력강하의 상호관계를 나타낸 모델로 기존 문헌의 실험결과와 비교하여 타당성을 제시하였다. 또한, 마이크로 열교환기의 재료 물성과 치수에 따른 열전달률과 압력강하 관계를 분석하였다. 이와 같이 기존 연구는 소형열교환기 개발과 그에 따른 열전달 및 압력강하 특성에 관심이 집중되어 왔다.
- 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다. 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다. 각 계측 장치는 보정(Calibrations)을 수행한 후 유량, 온도, 압력 및 차압 등을 데이터 수집장치를 이용하여 정상상태에서 모든 결과물을 0.
- 본 마이크로채널 PCHE에 대해 고온측 및 저온측 레이놀즈수 700이하에서 기초 성능실험을 수행하였다. 이러한 기초 성능실험은 새로운 마이크로 열교환기 설계 및 해석에 중요하며 향후 다양한 적용분야에 기초자료로 사용할 수 있다.
- 본 연구에서 마이크로채널 PCHE를 동일한 작업조건 하에서 여러 개 제작하였으며, 그 중 하나를 절단 후 마이크로채널 단면에 대해 실측하여 열전달 면적과 단면적을 계산에 반영하였다.
- 본 연구에서는 마이크로채널 PCHE의 고온측 입구온도, 고온측과 저온측의 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성에 대한 기초 성능실험을 수행하였고, 이를 토대로 열전달계수 및 마찰계수 상관식을 제안하였다.
- 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다. 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다.
- 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다.
- Kang and Tseng(4)은 마이크로 직교류(Cross flow) 열교환기의 열 및 유체특성을 예측할 수 있는 이론적 모델을 제시하였다. 유용도와 압력강하의 상호관계를 나타낸 모델로 기존 문헌의 실험결과와 비교하여 타당성을 제시하였다. 또한, 마이크로 열교환기의 재료 물성과 치수에 따른 열전달률과 압력강하 관계를 분석하였다.
- (3)이 마이크로채널의 종횡비와 함께 적층수가 20장인 직교류 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 작동유체는 공기 대 공기로 실험을 수행하였으며 우수한 온도근접성과 체적열전달계수를 제시하였다. Kang and Tseng(4)은 마이크로 직교류(Cross flow) 열교환기의 열 및 유체특성을 예측할 수 있는 이론적 모델을 제시하였다.
- 유동흐름은 기본적으로 대향류로 구성하였다. 적층된 금속박판은 확산접합 기술을 이용하여 접합하였고, 입∙출구 포트는 전기용접을 이용하여 일체형 마이크로채널 PCHE를 제작하였다. Fig.
- 고온측 입구온도는 40℃, 50℃이고 저온측 입구온도는 20℃로 고정하였다. 평행류와 대향류조건에서의 열전달 성능을 비교하기 위하여 고온측 입구온도 40℃일 때에 한하여 비교실험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험 장치는 고온유체 순환부, 냉각수 순환부, 고온유체와 냉각수가 열교환하는 시험부로 구성된다. 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다.
- 은 채널에서의 유동흐름 길이를 나타낸다. 고온측의 Ac는 31.7mm2, As는 26,000mm2, 저온측의 Ac는 42.2mm2, As는 34,700mm2이며 그리고 Lf는 137mm이다.
- 마이크로채널 구성은 3부분으로 입구부, 내부 직관부, 출구부로 이루어졌으며, 채널은 직관채널 형상을 유지하고 있다. 금속박판의 적층구조는 고온측 3장과 저온측 4장으로 교대로 적층하였으며, 양 끝부분에 엔드플레이트를 설치하였다. 금속박판의 적층구조와 유동형태은 Fig.
- 마이크로 포토에칭 기술을 사용하여 저온 및 고온 금속박판에 마이크로채널 형상을 구성하였으며 Fig. 1에 나타내었다. 마이크로채널 구성은 3부분으로 입구부, 내부 직관부, 출구부로 이루어졌으며, 채널은 직관채널 형상을 유지하고 있다.
- 본 연구에 사용된 고온유체와 냉각수는 DI-water를 사용하였다. 고온유체에 대한 입구온도는 40℃~50℃에서, 냉각수의 입구온도는 20℃의 일정한 온도조건에서 실험을 수행하였다.
- 5에 나타내었다. 실험 장치는 고온유체 순환부, 냉각수 순환부, 고온유체와 냉각수가 열교환하는 시험부로 구성된다. 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다.
- 따라서 마이크로 포토에칭으로 마이크로채널을 제작하고 이를 확산접합기술로 마이크로채널 PCHE를 제작하였다. 제작된 마이크로채널 PCHE에 대해 레이놀즈수 및 온도에 따른 기초 성능실험을 수행하였고 열전달 및 압력강하 자료를 확보하였다. 또한 이를 이용하여 기초 설계 자료로 사용할 수 있는 열전달계수 및 마찰계수 상관식을 개발하였다.
데이터처리
- C'h, C'c 계수와 Re 지수는 다중 선형회귀 분석법(Iterative multiple linear-regression analysis)을 사용하여 산출하였다.
이론/모형
- (5) 열전달계수는 Modified Wilson plot법을 이용하여 고온측 및 저온측 열전달계수 상관식을 제안하였고, 본 상관식의 적용범위는 레이놀즈수 100~700이다.
- 은 각각 고온측 채널과 저온측 채널 사이의 간격, 금속박판의 열전도도, 고온측과 저온측의 평균열전달 면적을 나타낸다. 고온측 열전달계수(hh)와 저온측 열전달계수(hc)는 Modified Wilson plot법(9)을 이용하여 구하였다.
- 마이크로채널 PCHE의 수력직경과 레이놀즈수는 Cowell(8)에 의해 제시된 방법을 이용하여 계산하였고 식 (1)과 식 (2)에 나타내었다.
- 마이크로채널 PCHE의 실험 불확실도는 ASME PTC 19.1(11)과 NIST Technical Note 1297(12)을 이용하였다. 전체 불확실도는 편향오차(Bias error)와 정밀오차(Precision error)로 구성되고 식(11)에 나타내었다.
- 13은 압력강하 이론식인 식 (10)를 이용하여 레이놀즈수에 따른 압력강하 결과값을 마찰계수 f로 나타내었고, 마찰계수 상관식을 제시하였다. 마찰계수 상관식은 레이놀즈수 함수로 표현하였으며, 다음과 같다.
- 이 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 고온측 및 저온측 열전달 계수를 각각 구하기 위하여 현재에 많이 사용되고 있는 Modified Wilson plot법 사용하였다. 열전달계수는 Power-law형태의 Re, Pr을 이용하여 고온측 및 저온측 열저항 균형을 식 (13)과 같이 나타낼 수 있다.
- 여기서, 레이놀즈수 지수는 최소자승법을 이용하여 구하였고, 상관식과 실험결과는 정확도 ±5% 이내이며, 적용범위는 레이놀즈수 100 ~ 700이다.
- 저온측에 제안된 열전달계수 상관식을 이용하여 고온측 열전달계수를 구할 수 있다. 식 (15)에 제안된 고온측 열전달계수 상관식을 나타내었다.
성능/효과
- (1) 대향류가 평행류보다 평균열전달률이 약 6.8%, 열전달 성능의 UA는 약 10~15%정도 우수하였다.
- (2) 고온측 및 저온측 레이놀즈수 증가와 고온측 입구온도가 증가함에 따라 질량유량의 증가와 입∙출구 온도차의 증가로 인하여 평균열전달률은 상승하였다.
- (3) 고온측 및 저온측 레이놀즈수가 증가함에 따라 압력강하는 증가하였다. 고온측 입구온도가 일정한 경우 저온측 레이놀즈수 변화에 따른 압력강하량은 동등한 결과를 나타내었다.
- (4) 고온측 입구온도의 범위가 크지 않기 때문에 열전달 성능에 큰 영향이 없으나, 압력강하에서는 고온측 입구온도가 높은 경우 낮은 압력강하량을 나타내었다.
- 고온측과 저온측 입구온도는 각각 40℃와 20℃로 고정하였고, 평행류와 대향류를 비교하기 위하여 저온측 레이놀즈수 350일 때 열전달 성능을 비교하였다. 고온측 및 저온측 레이놀즈수가 증가할수록 평균열전달 및 열전달 성능은 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 고온측 레이놀즈수가 증가할수록 증가폭이 크지 않았다.
- 7에는 총괄열전달계수(U)와 전열면적(A)의 곱인 UA를 계산하여 열전달 성능을 비교하였다. 고온측 입구온도와 레이놀즈수가 증가할수록 평균열전달률은 증가하는 경향을 나타내었다. 레이놀즈수의 증가는 질량유량의 증가를 나타내며, 저온측 입구온도가 고정된 상태에서 고온측 입구온도의 증가는 입∙출구 온도 차이에 증가를 가져오기 때문에 평균열전달률은 상승하게 된다.
- 3℃ ~ 1℃정도 낮았다. 고온측과 저온측의 유동조건에서는 평행류보다 대향류에서 열전달 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
- 즉, 온도의 범위가 크지 않기 때문에 UA의 차이가 없다고 판단할 수 있다. 대향류에서의 평균열전달률은 평행류와 비교하여 약 6.8%정도 높은 경향을 나타내었고, 열전달 성능은 약 10~15%정도 높게 나타났다. 실험결과에서 대향류의 경우가 평행류보다 고온측 및 저온측의 입∙출구 온도차가 약 1℃ ~ 2℃정도 높으며, 대수평균 온도차는 약 0.
- 본 실험범위에서 상관식의 정확도는 ±5%를 가지며 레이놀즈수 100~700 범위에서 적용 가능하다.
- 본 연구에 제안된 고온측 및 저온측 열전달계수 상관식을 기존에 제안된 단상 열전달계수 상관식과 비교하고자 하였으나, 레이놀즈수가 2000 이상의 범위로 본 연구와는 적합하지 않았다. 또한, 단일 마이크로채널에 대한 상관식 적용에 있어서는 본 실험의 다채널 열교환기 비교에 있어 상이한 차이를 나타낸다.
- 이는 고온측 질량유량의 증가로 인해 열교환기 내에서의 유동길이나 유동의 체류시간이 충분하지 않아 저온측에서 충분히 열 제거가 이루지지 않기 때문이다. 저온측 레이놀즈수 350일 때 대향류에서의 평균열전달률은 평행류와 비교하여 약 7%정도 높은 경향을 나타내었고, 열전달 성능은 약 12~17%정도 높게 나타났다.
- 고온유체에 대한 입구온도는 40℃~50℃에서, 냉각수의 입구온도는 20℃의 일정한 온도조건에서 실험을 수행하였다. 전체 실험에서 질량유량 조건은 정량펌프가 큰 유량손실 및 오차 없이 흘러 보낼 수 있는 안정적인 범위인 150 ~ 2000 g/min로 레이놀즈수는 대략 100 ~700 정도이다.
후속연구
- 본 마이크로채널 PCHE에 대해 고온측 및 저온측 레이놀즈수 700이하에서 기초 성능실험을 수행하였다. 이러한 기초 성능실험은 새로운 마이크로 열교환기 설계 및 해석에 중요하며 향후 다양한 적용분야에 기초자료로 사용할 수 있다.
- 또한, 단일 마이크로채널에 대한 상관식 적용에 있어서는 본 실험의 다채널 열교환기 비교에 있어 상이한 차이를 나타낸다. 이와 같이 본 마이크로채널과 확산접합기술을 적용한 마이크로채널 PCHE는 국내외적으로 처음 제작되었으며, 제안된 상관식은 향후 새로운 소형열교환기의 설계와 해석에 기초 자료로 사용할 수 있다.
- 현재의 마이크로 포토에칭과 확산접합의 마이크로채널 PCHE는 기존 열교환기와의 비교와 다양한 적용분야에 있어 폭넓은 범위에서의 해석과 설계가 수행되어져야 하며, 본 연구를 통해 기초 성능실험 자료로 이용될 수 있을 것으로 예상된다.
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