[논문]마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 실험적 연구

이해승; 전동순; 김영률; 김용찬; 김선창

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.2.113

마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Evaporative Heat Transfer Characteristics of R-134a in a Micro-Channel Heat Exchanger 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.2 = no.293, 2010년, pp.113 - 120

이해승 (고려대학교 기계공학과) , 전동순 (한국생산기술연구원 에너지설비센터) , 김영률 (한국생산기술연구원 에너지설비센터) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과) , 김선창 (한국생산기술연구원 에너지설비센터)

초록
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마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 관하여 실험적 연구를 수행하였다. 마이크로채널은 금속박판인 SUS304에 포토에칭 공정으로 식각되었으며, 13개의 금속박판은 차례로 적층되어 확산접합공정을 통하여 접합되었다. 본 연구에서는 R-134a의 증발온도, 질량유속 그리고 물의 입구온도의 변화에 따른 열전달 특성을 대향류 조건에서 실험하였다. 실험결과 R-134a와 물의 입구온도차가 클수록 증발열전달량은 증가하였으며, 증발열전달계수는 0.67 kW/$m^2{\cdot}^{\circ}C$에서 6.23 kW/$m^2{\cdot}^{\circ}C$이었다. 아울러 마이크로채널 열교환기에서 R-134a와 물의 열교환에 따른 증발열전달 특성에 영향을 미치는 Reynold수와 무차원 온도비 $\Theta$를 도출하여 Nusselt수에 관한 실험적 상관식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental investigation was carried out to examine the evaporative heat transfer characteristics of R-134a in a micro-channel heat exchanger. The micro-channel heat exchanger used in this study was a sort of plate heat exchanger. Micro-channels were fabricated on the SUS304 plate by the photo-etching process: 13 sheets of plates were stacked and bonded by the diffusion bonding process. The effects of the evaporating temperature, mass flux of R-134a, and inlet temperature of water were examined. As the difference between the inlet temperatures of R-134a and water increased, the heat transfer rate increased. The evaporative heat transfer coefficients obtained in this study range from 0.67 to 6.23 kW/$m^2{\cdot}^{\circ}C$. The experimental correlation for the Nusselt number as a function of the Reynold number and $\Theta$ was suggested for the micro-channel heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성을 파악하고자 R-134a의 증발온도, 질량유속 및 증발열원인 물의 입구 온도 변화에 따른 증발실험을 수행하였다. 물측의 Nusselt수를 선정하여 R-134a의 증발열전달계수를 구하였으며, R-134a의 증발열전달 특성에 영향을 미치는 주요 인자를 도출하여 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 Nusselt수에 관한 상관식을 개발하였다.

가설 설정

마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 계수를 식 (3)을 이용하여 구하려면, 물측 Nusselt수의 선정이 필요하다. 마이크로채널 열교환기에서 물의 Reynold수는 물의 입구온도 25, 30 및 35℃에서 각각 439, 490 및 544인 층류로 물측의 Nusselt수는 기존 문헌의 3.66으로 가정하였다. 또한, 마이크로채널에서 Peng 등⁽⁵⁾과 Shin 등⁽⁹⁾이 제안한 층류 상관식과 일반 관에 사용되는 Dituss and Boelter⁽¹⁰⁾의 난류 상관식을 이용한 물측의 Nusselt수와 비교하여 보았다.
마이크로채널 열교환기에서 물의 유동은 층류이며, 마이크로채널에서 물의 Nusselt수는 일정(8)하다고 가정하였다.
66인 경우와 비교하면 Peng 등⁽⁵⁾의 상관식이 가장 작게, Shin 등⁽⁹⁾의 상관식이 가장 크게 나타났고 Dituss and Boelter⁽¹⁰⁾의 상관식은 다른 상관식에 비하여 근사하게 나타났다. 본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 물측의 Nusselt수를 3.66으로 가정하여 R-134a의 증발열전달계수를 구하였다.

제안 방법

(3) 본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 영향을 미치는 Reynolds 수와 무차원 온도비 θ를 도출하여 Nusselt수에 관한 상관식을 제안하였다.
R-134a 순환부에는 과냉각된 R-134a를 저장하는 용도로 저장용기(receiver)를 설치하였으며, 마그네틱 기어펌프(magnetic gear pump)가 일정한 유량을 확보할 수 있도록 하였다. R-134a의 질량유량을 측정하기 위하여 마그네틱 기어펌프의 후단에 질량유량계(mass flowmeter)를 설치하였으며, 예열기(pre-heater)를 거쳐 시험부인 마이크로채널 열교환기에 R-134a가 유입되도록 하였다. 예열기는 마이크로채널 열교환기의 입구에서 R-134a의 증발온도를 조절하는 용도로써 전기히터(electric heater) 및 온도 조절장치로 구성되어 있다.
작동유체로는 물을 사용하였고 수정된 Wilson plot법을 이용하여 고온측과 저온측의 열전달계수를 구하였다. Reynolds수가 100~700인 층류범위에서 Nusselt수와 압력강하에 관한 상관식을 제안하였다. 마이크로채널 열교환기를 이용하여 주로 단상 유동 열전달 특성 및 압력강하에 관한 연구가 진행되고 있으나 작동유체가 냉매(refrigerant)인 경우에 대한 이상(two-phase)유동 열전달 특성에 관한 연구는 전무한 실정이다.
각 주요 기기의 입·출구에는 온도와 압력을 측정하기 위하여 온도센서(RTD)와 압력계(pressure transmitter)를 설치하였다.
그 결과 Reynolds수가 3.0×103~2.0×104인 난류범위에서 Nusselt수와 압력강하에 관한 상관식을 제안하였다.
예열기는 마이크로채널 열교환기의 입구에서 R-134a의 증발온도를 조절하는 용도로써 전기히터(electric heater) 및 온도 조절장치로 구성되어 있다. 또한 마이크로채널 열교환기에서 증발된 R-134a가 판형열교환기에 의하여 과냉각되도록 항온조를 설치하였다. 각 주요 기기의 입·출구에는 온도와 압력을 측정하기 위하여 온도센서(RTD)와 압력계(pressure transmitter)를 설치하였다.
66으로 가정하였다. 또한, 마이크로채널에서 Peng 등⁽⁵⁾과 Shin 등⁽⁹⁾이 제안한 층류 상관식과 일반 관에 사용되는 Dituss and Boelter⁽¹⁰⁾의 난류 상관식을 이용한 물측의 Nusselt수와 비교하여 보았다. 그 결과 물측의 Nusselt수는 각각 7.
마이크로채널 열교환기의 입·출구에는 흐르는 두 작동유체의 온도와 압력을 측정할 수 있도록 온도센서와 압력계를 설치하였으며, 두 작동유체의 압력강하를 측정하기 위하여 차압계(differential pressure transmitter)를 설치하였다.
물 순환부에는 마이크로채널 열교환기에 물이 일정한 온도로 유입되도록 항온조를 이용하여 온도 조절을 하였으며, 물의 질량유량을 측정하기 위하여 질량유량계를 마그네틱 기어펌프의 후단에 설치하였다.
본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성을 파악하고자 R-134a의 증발온도, 질량유속 및 증발열원인 물의 입구 온도 변화에 따른 증발실험을 수행하였다. 물측의 Nusselt수를 선정하여 R-134a의 증발열전달계수를 구하였으며, R-134a의 증발열전달 특성에 영향을 미치는 주요 인자를 도출하여 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 Nusselt수에 관한 상관식을 개발하였다.
수력직경이 345 ㎛인 마이크로채널 열교환기에서 R-134의 증발열전달 특성을 파악하기 위하여 증발실험을 수행하였으며, 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
R-134a의 출구온도가 과열도를 가질 경우, 일반적인 식 (9)를 이용하면 대수평균온도차의 값이 작으므로 식 (2)의 총괄열전달계수는 크게 나타난다. 이에 본 연구에서는 이상구간과 과열구간의 영향을 각각 고려한 수정된 대수평균 온도차를 사용하였다. 수정된 대수평균온도차는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열량을 이상구간에서의 열량(Q_tp)과 과열구간에서의 열량(Q_sh)으로 나누어 나타내었으며, 물이 R-134a의 증발에 관여한 온도(T_w,tp)는 식 (8)로 구하였다.

대상 데이터

5 mm이며, 식각된 마이크로채널의 형상은 반타원형(semi-ellipse)으로 폭은 500 ㎛, 높이는 300 ㎛ 그리고 수력직경은 345 ㎛이다. 마이크로채널이 식각된 금속박판을 상판, 물측 6장, R-134a측 5장 및 하판 총 13장으로 적층한 후 확산접합을 통하여 마이크로채널 열교환기를 제작하였다.
본 연구에서 사용한 마이크로채널 열교환기는 포토에칭(photo-etching) 공정과 확산접합(diffusion bonding) 공정을 통하여 제작되었다. 포토에칭은 금속박판(SUS304)에 마이크로채널을 식각하는 공정이며, 두 작동유체가 대향류(counter flow)로 흐르도록 R-134a측과 물측의 각 금속박판에 입·출구 헤더부가 서로 대칭이 되도록 식각하였다.
Figure 5는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성 실험을 위하여 구축된 실험 장치의 개략도이다. 실험장치는 R-134a 순환부, 물 순환부 그리고 시험부인 마이크로채널 열교환기로 이루어져 있다.

데이터처리

수정된 대수평균온도차는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열량을 이상구간에서의 열량(Q_tp)과 과열구간에서의 열량(Q_sh)으로 나누어 나타내었으며, 물이 R-134a의 증발에 관여한 온도(T_w,tp)는 식 (8)로 구하였다. 실험 중 R-134a의 출구온도가 입구온도와 유사한 경우에는 이상상태로 판단하여 식 (9)로 대수평균 온도차를 구하였으며, R-134a의 출구온도가 과열도를 가지는 경우에는 이상구간과 단상구간을 고려한 식 (14)를 이용하여 대수평균온도차를 구하였다. 또한 Fig.

이론/모형

Kim 등⁽⁷⁾은 직관 마이크로채널 PCHE(printed circuit heat exchanger)에서 열전달 특성 및 압력강하에 관하여 실험적 연구를 수행하였다. 작동유체로는 물을 사용하였고 수정된 Wilson plot법을 이용하여 고온측과 저온측의 열전달계수를 구하였다. Reynolds수가 100~700인 층류범위에서 Nusselt수와 압력강하에 관한 상관식을 제안하였다.
한편, 마이크로채널 열교환기에서 열전달 특성에 관한 연구로는 Ngo 등⁽⁶⁾이 3차원 전산해석을 통하여 개발한 S형상의 휜으로 열적 수력성능을 파악한 후 작동유체를 이산화탄소(carbon dioxide, CO₂)로 하는 마이크로채널 열교환기로 실험을 수행하였다. 그 결과 Reynolds수가 3.

성능/효과

(1) 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발 열전달량은 질량유속이 증가함에 따라 증가하며, R-134a의 증발온도 변화에 따른 영향보다는 두 작동유체의 입구온도차 변화가 지배적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.
(2) 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발 열전달계수는 Reynolds수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 동일한 R-134a의 증발온도와 본 연구의 Reynolds수 범위에서는 두 작동 유체의 입구온도차가 작을수록 크게 나타났다.
R-134a의 증발온도가 4.9℃, 질량유속이 211 kg/m2·s로 동일한 경우, 두 작동유체의 입구온도차(dTin)가 20.1℃와 30.1℃일 때 증발열전달량은 각각 0.46 kW 및 0.53 kW로 두 작동유체의 입구온도차가 20.1℃에 비하여 30.1℃일 때 약 15.21%로 크게 나타났다.
21%로 크게 나타났다. 또한 증발온도가 9.6℃와 14.9℃인 경우에도 두 작동유체의 입구온도차가 클수록 증발열전달량이 크게 나타남을 알 수 있었다. 한편 증발온도가 서로 다른 경우라도 두 작동유체의 입구온도차가 같은 경우에는 증발열전달량의 절대값 및 R-134a의 질량유속 변화에 따른 증발열전달량의 변화 경향이 유사하게 나타남을 알 수 있었다.
마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달특성 실험을 통하여 구한 모든 R-134a의 Nusselt수의 값들은 본 연구에서 제시한 상관식과 ±30%의 오차 범위에 있음을 알 수 있었다.
물의 입구온도가 25℃일 때, R-134a의 총괄열전달계수는 질량유속의 증가에 따라 선형적으로 증가하다가 질량유속 171 kg/m2·s 이상에서 총괄열전달계수의 증가율이 감소하는 것을 확인하였다.
97 kW/m²·℃로 유사하게 나타났으나 점차 R-134a의 질량유속이 증가함에 따라 R-134a의 증발열전달계수는 증가하였다. 실험결과 물측의 Nusselt수가 3.66인 경우와 비교하면 Peng 등⁽⁵⁾의 상관식이 가장 작게, Shin 등⁽⁹⁾의 상관식이 가장 크게 나타났고 Dituss and Boelter⁽¹⁰⁾의 상관식은 다른 상관식에 비하여 근사하게 나타났다. 본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 물측의 Nusselt수를 3.
두 작동유체의 입구온도차가 동일한 경우에는 서로 다른 증발온도에서도 증발열전달계수는 유사하게 나타났다. 특히 두 작동유체의 입구온도차가 약 25℃이하인 경우, Reynolds수가 증가함에 따라 서로 다른 증발온도에서도 R-134a의 증발열전달계수는 증가하다가 일정 Reynolds수 이상에서 그 증가율이 감소하는 경향이 나타났다. 두 작동유체의 입구온도차가 약 25℃이상인 경우에는 Reynolds수가 증가함에 따라 서로 다른 증발온도에서도 R-134a의 증발열전달계수는 선형적으로 증가하였다.
9℃인 경우에도 두 작동유체의 입구온도차가 클수록 증발열전달량이 크게 나타남을 알 수 있었다. 한편 증발온도가 서로 다른 경우라도 두 작동유체의 입구온도차가 같은 경우에는 증발열전달량의 절대값 및 R-134a의 질량유속 변화에 따른 증발열전달량의 변화 경향이 유사하게 나타남을 알 수 있었다. 따라서 두 작동유체간의 온도차인 구동력이 R-134a의 증발 열전달량의 변화에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열, 유체 분야에서 MEMS기술을 이용해 개발한 것은 무엇인가?	1980년대 후반 MEMS(micro-electro mechanical system) 기술이 소개된 이후, 열·유체 분야에서는 MEMS기술을 이용하여 마이크로채널 열교환기의 개발이 가능하게 되었다. 특히 마이크로채널 열교환기는 채널의 크기가 작아지고 채널의 수가 늘어날수록 단위체적당 큰 전열면적을 가지므로 기존의 매크로(macro) 단위의 열교환기와 비교하여 우수한 성능을 보이며, 소형화 및 경량화가 가능하다고 보고되고 있다.
	마이크로채널 열교환기에서 열전달 특성에 관한 연구에서 연구가 되지 않은 분야는 무엇이 있는가?	Reynolds수가 100~700인 층류범위에서 Nusselt수와 압력강하에 관한 상관식을 제안하였다. 마이크로채널 열교환기를 이용하여 주로 단상 유동 열전달 특성 및 압력강하에 관한 연구가 진행되고 있으나 작동유체가 냉매(refrigerant)인 경우에 대한 이상(two-phase)유동 열전달 특성에 관한 연구는 전무한 실정이다.
	마이크로채널 열교환기의 장점은 무엇인가?	1980년대 후반 MEMS(micro-electro mechanical system) 기술이 소개된 이후, 열·유체 분야에서는 MEMS기술을 이용하여 마이크로채널 열교환기의 개발이 가능하게 되었다. 특히 마이크로채널 열교환기는 채널의 크기가 작아지고 채널의 수가 늘어날수록 단위체적당 큰 전열면적을 가지므로 기존의 매크로(macro) 단위의 열교환기와 비교하여 우수한 성능을 보이며, 소형화 및 경량화가 가능하다고 보고되고 있다.(1) 이러한 장점으로 초소형 전자기기 및 국소냉각을 요구하는 다양한 분야에서 마이크로채널 열교환기의 적용에 대한 관심이 늘어나고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
Kim, Y. H., Seo, J. E., Choi, Y. J. and Lee, K. J., 2008, "Heat Transfer Characteristics and Pressure Drop in Straight Microchannel of the Printed Circuit Heat Exchangers," Trans. of the KSME(B), Vol. 32, No. 12, pp. 915-923.

원문보기 상세보기
Kandlikar, S. G. and Balasubramanian, P., 2003, "Extending the Applicability of the Flow Boiling Correlation to Low Reynolds Number Flows in Microchannels," First International Conference on Microchannels and Minichannels, ICMM 2003-1075. New York, U.S.A., pp. 603-608.
Shin, J. H., Kang, M. K., and Lee, W. I., 2004, "A Study on the Convective Heat Transfer in Micro Heat Exchanger Embedded in Stacked Multi-Chip Modules," Trans. of the KSME(A), Vol. 28, No. 6, pp. 774-782.

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Dittus, F. W. and Boelter, L. M. K., 1930, Public Engineering, University of California, Berkeley, Vol. 2, p. 443.

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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