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문제 정의
- 본 연구에서는 4종류의 채널 형상을 가지는 확산접합 열교환기를 설계, 제작하고 물 대 물 실험장치를 제작하여 채널 형상에 따라 열전달 및 압력강하에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 실험대상 열교환기는 채널면이 한면만 에칭된 Straight type, Long dot type, Splited wavy type 3종류와 채널면이 양면 에칭된 Straight type 1종류를 더하여 총 4종류를 실험하였다.
- 실험은 ARI(Air-conditioning & Refrigeration Institute)의 성능 검사 규격(7)에 따라 해당 실험조건으로 실험장치를 가동하는 동안 첫째, 열교환기의 입구 및 출구의 각 온도값이 평균값으로부터 0.3℃ 이상 변하지 않고 둘째, 고온측과 저온측의 유량이 평균값에서 ±2% 이상 변화지 않으며 셋째, 고온측과 저온측의 입출구온도로 계산한 열량이 평균값과 ±5% 이하의 차이를 보이면 정상상태로 판단하였으며 이 상태를 5분 이상 유지시킨 후에 데이터를 컴퓨터에 저장하였다.
- 시스템의 맥동방지를 위해 바이패스 밸브를 사용하였고, 냉각수의 이물질을 여과하기 위해 5㎛의 마이크로 필터(Ultrafilter GmbH, P-SM 03/10)를 사용하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 막기 위해 실험장치 전구간에 걸쳐 단열처리를 하였다.
- 또한 열교환기 입출구의 유량과 온도를 측정하기 위해 질량유량계(Badger Meter, RCM-125) 및 열전대(Omega, T-type)를 설치하였다. 또한 입출구의 차압을 측정하기 위해 고온측과 저온측에 각각 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다.
- 또한 열교환기 입출구의 유량과 온도를 측정하기 위해 질량유량계(Badger Meter, RCM-125) 및 열전대(Omega, T-type)를 설치하였다. 또한 입출구의 차압을 측정하기 위해 고온측과 저온측에 각각 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다. 각 계측장치는 보정(Calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더(Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.
- 또한 입출구의 차압을 측정하기 위해 고온측과 저온측에 각각 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다. 각 계측장치는 보정(Calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더(Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.5초 간격으로 저장하였다.
- 4는 질량유량에 따른 확산접합 열교환기의 열전달률을 나타낸 것이다. 고온측 작동유체의 온도는 80℃, 저온측 작동유체의 온도는 20℃로 일정한 조건에서 동일한 질량유량으로 평균 열전달률을 비교하였다.
- 6은 고온측 작동유체의 온도변화에 따른 확산접합 열교환기의 열전달률을 나타낸 것이다. 고온측 작동유체의 온도는 40℃에서 80℃까지 10℃씩 변화시켰으며 저온측 작동유체의 온도는 20℃로 일정한 조건에서 동일한 질량유량으로 평균 열전달률을 비교하였다.
대상 데이터
- 확산접합 열교환기의 재료는 SUS 304로 제작하였고 두 유체의 흐름조건은 대향류(Counter flow)로 고온측 10장, 저온측 10장을 번갈아 가며 적층하였으며 양쪽에 엔드플레이트를 설치하였다.
- 3은 본 연구에 사용된 실험장치를 나타낸 것이다. 실험장치는 크게 작동유체의 고온 순환부, 냉각수의 저온 순환부, 고온측과 저온측의 작동유체가 열교환하는 시험부로 구성된다.
- 고온측과 저온측 작동유체의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 2대의 항온조(Jeio tech, RW-0525G)와 정유량펌프(Micropump, GB-P35)를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 바이패스 밸브를 사용하였고, 냉각수의 이물질을 여과하기 위해 5㎛의 마이크로 필터(Ultrafilter GmbH, P-SM 03/10)를 사용하였다.
- 실험에 사용된 고온측과 저온측의 작동유체는 증류수를 사용하였으며, 고온측과 저온측의 작동 유체는 항온조를 통하여 일정하게 유지시켰다. 저온측은 20℃로 일정하게 고정시켜 놓고 고온측은 40℃에서 80℃까지 10℃간격으로 변화시켰으며, 고온측과 저온측의 유량조건은 정유량펌프를 통하여 동일하게 하였다.
- 3℃ 이상 변하지 않고 둘째, 고온측과 저온측의 유량이 평균값에서 ±2% 이상 변화지 않으며 셋째, 고온측과 저온측의 입출구온도로 계산한 열량이 평균값과 ±5% 이하의 차이를 보이면 정상상태로 판단하였으며 이 상태를 5분 이상 유지시킨 후에 데이터를 컴퓨터에 저장하였다. 저장하는 데이터는 열교환기 고온측 및 저온측의 입출구 온도, 유량, 차압이다.
- 4종류의 확산접합 열교환기를 동일한 방법으로 실험하였으며, Table 2는 실험에 사용된 실험조건이다.
성능/효과
- 특히 확산접합(Diffusion Bonding) 콤팩트 열교환기는 화학적 에칭된 마이크로채널 박판을 적층 밀착시켜 모재의 융점 이하 온도에서 소성변형이 생기지 않을 정도로 가압하여 접합면간에 생기는 원자의 확산을 이용하여 접합하는 제작 기술을 말한다. 특징으로는 기존 열교환기 대비 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며, 고온고압에 견딜 수 있고 온도근접성이 우수하여 효율이 높다는 장점이 있다.
- 질량유량이 증가함에 따라 모든 채널형상에서 열전달률이 증가하였으며, Splited wavy type이 고온측과 저온측의 유체 교란효과가 우수하여 가장 높은 열전달률을 보였다. 한면만 에칭된 열교환기(Splited wavy type, Long dot type, Straight type)가 양면 에칭된 열교환기(Straight type)에 비해 열전달률이 전체적으로 높게 나타났다.
- 질량유량이 증가함에 따라 모든 채널형상에서 열전달률이 증가하였으며, Splited wavy type이 고온측과 저온측의 유체 교란효과가 우수하여 가장 높은 열전달률을 보였다. 한면만 에칭된 열교환기(Splited wavy type, Long dot type, Straight type)가 양면 에칭된 열교환기(Straight type)에 비해 열전달률이 전체적으로 높게 나타났다. 이것은 양면 에칭된 열교환기의 수력직경이 크기 때문에 열전달 성능이 저하되는 것으로 판단된다.
- 고온측과 저온측의 온도차가 커질수록 모든 채널형상에서 열전달률은 증가하는 경향을 보였으며, Splited wavy type이 가장 높은 열전달률을 보였다.
- 7은 고온측 작동유체의 온도변화에 따른 확산접합 열교환기의 압력강하를 나타낸 것이다. 모든 채널형상에서 고온측 작동유체의 온도가 증가할수록 압력강하는 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은 고온측으로 갈수록 작동유체의 점성계수가 작아지기 때문이다.
- 8은 질량유량에 따른 확산접합 열교환기의 총괄열전달계수를 나타낸 것이다. 질량유량이 증가함에 따라 총괄열전달계수는 증가하는 경향을 보였다. 각 채널형상에 따른 총괄열전달계수는 Fig.
- 9는 확산접합 열교환기의 성능을 나타내는 유용도를 나타낸 것이다. 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하는 경향을 보였다. 각 채널 형상에 따른 유용도는 질량유량 24 kg/h에서 Splited wavy type 0.
- 10은 레이놀즈수 증가에 따른 누셀트수의 변화를 나타낸 것이다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 누셀트수는 증가하는 경향을 보이며, Splited wavy type이 가장 높고, 한면 Straight type과 양면의 Straight type은 거의 유사한 경향을 나타내었다. 이것은 한면인 경우 열전달계수는 크지만 수력직경이 작기 때문에 누셀트수는 양면과 거의 유사한 것으로 판단된다.
- 11은 레이놀즈수 증가에 따른 마찰계수인 f 인자를 나타낸 것이다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 f 인자는 감소하는 경향을 보이며, 양면인 Straight type이 가장 높은 값을 나타내었다. 이것은 양면인 Straight type이 압력강하는 가장 낮지만, 상대적으로 열교환기내 유속이 느리고, 수력직경이 크기 때문에 f 인자는 큰 것으로 판단된다.
- 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하는 경향을 보였다. 각 채널 형상에 따른 유용도는 질량유량 24 kg/h에서 Splited wavy type 0.86, Long dot type 0.80, Straight type 0.74, 양면의 Straight type은 0.68로 나타났다.
- 질량유량이 증가함에 따라 유용도는 감소하는 경향을 보였다. 각 채널 형상에 따른 유용도는 질량유량 24 kg/h에서 Splited wavy type 0.86, Long dot type 0.80, Straight type 0.74, 양면의 Straight type은 0.68로 나타났다.
- 12는 레이놀즈수 증가에 따른 열전달 무차원계수인 j 인자를 나타낸 것이다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 j 인자는 감소하는 경향을 보이며, 실험유량 범위에서 한면의 Splited wavy type이 가장 높은 값을 나타내었다.
- 13은 열전달성능과 압력손실이 함께 고려된 정량적인 비교를 위하여 j 인자와 f 인자의 비인 (j/f)1/3를 이용하여 한면의 Straight type과 비교한 열교환기의 성능향상을 알아본 것이다. 동일한 레이놀즈수 470에서 한면의 Straight type과 비교하여 Splited wavy type은 10.3%, Long dot type은 6.1% 증가하였으며, 레이놀즈수가 증가함에 따라 상대적인 성능은 계속 증가하였다. 그러나 양면의 Straight type은 오히려 19.
- (1) 질량유량이 증가함에 따라 모든 채널형상에서 열전달률과 압력강하가 증가하였으며, Splited wavy type이 열전달률과 압력강하가 가장 높게 나타났다.
- (2) 고온측과 저온측의 온도차가 커질수록 모든 채널형상에서 열전달률은 증가하였으며, 고온측 작동유체의 온도가 증가할수록 점성계수의 영향으로 압력강하는 감소하는 경향을 나타내었다.
- (3) 총괄열전달계수는 기준유량인 72 kg/h에서 Splited wavy type은 2.58 kW/m2℃로 가장 높게 나타났고, 양면의 Straight type은 1.28 kW/m2℃로 가장 낮게 나타났다.
- (4) 확산접합 열교환기의 성능을 나타내는 유용도는 질량유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 각 채널형상에 따른 유용도는 질량유량 24 kg/h에서 Splited wavy type 0.
- (5) 열전달성능과 압력손실이 함께 고려된 (j/f)1/3를 이용하여 비교한 결과 레이놀즈수 470에서 한면의 Straight type과 비교하여 Splited wavy type은 10.3%, Long dort type은 6.1% 증가하였으나 양면의 Straight type은 오히려 19.7% 작게 나타났다.
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