[논문]마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 연구

이해승; 전동순; 김영률; 김선창

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.6.635

마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 연구
Experimental Study of Evaporative Heat Transfer Characteristics of R-134a with Channel-Bending Angle in Microchannel Heat Exchangers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.6 = no.297, 2010년, pp.635 - 642

이해승 (한국생산기술연구원 에너지설비기술지원센터) , 전동순 (한국생산기술연구원 에너지설비기술지원센터) , 김영률 (한국생산기술연구원 에너지설비기술지원센터) , 김선창 (한국생산기술연구원 에너지설비기술지원센터)

초록
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마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관하여 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 채널의 굽힘 각도가 $120^{\circ}$, $150^{\circ}$ 및 $180^{\circ}$인 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발온도와 Reynolds수 변화에 따른 열전달 특성을 대향류 조건에서 실험하였으며, 실험결과 마이크로채널 열교환기에서 증발열전달량과 증발열전달계수는 R-134a의 레이놀즈수 증가에 따라 증가하였다. 또한 채널의 굽힘각도가 $120^{\circ}$ 및 $150^{\circ}$인 마이크로채널 열교환기는 증발온도 $4.9{\sim}14.9^{\circ}C$ 에서 채널굽힘 각도가 $180^{\circ}$인 마이크로채널 열교환기와 비교하여 평균 약 17.1% 및 13.3%로 증발열전달량이 증가하였으며, R-134a의 증발열전달계수는 채널의 굽힘 각도가 작을수록 증발열전달계수가 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental investigations have been carried out to examine the evaporative heat transfer characteristics of R-134a with the channel-bending angle (CBA) in microchannel heat exchangers. In this study, we examined the effects of evaporation temperature and Reynolds number of R-134a on the evaporative heat transfer characteristics of R-134a in microchannel heat exchangers with CBAs of $120^{\circ}$, $150^{\circ}$, and $180^{\circ}$ under counterflow conditions. Experimental results show that the evaporative heat transfer rate and evaporative heat transfer coefficient increased with an increase in the Reynolds number of R-134a. Further, the evaporative heat transfer rate corresponding to CBAs of $120^{\circ}$ and $150^{\circ}$ increased to values greater than the evaporative heat transfer rate corresponding to $180^{\circ}$ by approximately 17.1% and 13.3%, respectively, for evaporating temperatures in the range $4.9-14.9^{\circ}C$. The evaporative heat transfer coefficient was affected by the channel angle with increasing evaporative heat transfer coefficient at small channel bending angle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도(α)의 변화가 R-134a의 증발열전달에 미치는 영향을 파악하고자 채널 굽힘 각도가 180°, 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기를 제작하였다.

가설 설정

)는 식 (3)으로부터 구할 수 있다. 마이크로채널 열교환기에서 물의 Reynolds수는 층류이며, R-134a의 상변화과정으로 물측의 벽면 온도는 일정한 상태로 열전달이 이루어지는 것으로 판단하여 마이크로 채널에서 물의 Nusselt수는 3.66으로 일정⁽⁷⁾하다고 가정하였다.

제안 방법

R-134a 순환부와 물 순환부의 각 주요 기기의 입·출구부에는 온도와 압력을 측정하기 위하여 온도센서(RTD)와 압력계(pressure transmitter)를 설치하였다.
R-134a 순환부에는 응축기(condenser)로부터 과 냉각된 R-134a를 저장하는 용도로 저장용기(receiver)를 설치하였으며, 마그네틱 기어펌프(magnetic gear pump)로 일정한 유량이 흐르도록 하였다. R-134a의 질량유량을 측정하기 위하여 마그네틱 기어펌프의 후단에는 질량유량계(mass flow meter)를 설치하였으며, 예열기(pre-heater)를 거쳐 시험부인 마이크로채널 열교환기에 R-134a가 일정한 온도와 압력으로 유입되도록 하였다. 또한 마이크로채널 열교환기에서 증발된 R-134a가 응축기에 의하여 과냉각 되도록 항온조를 설치하였다.
두 작동유체가 대향류(counter-flow)로 흐르도록 R-134a측과 물측의 각 금속박판에 입·출구 헤더부가 서로 대칭이되도록 식각하였다.
본 연구에서는 마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도(α)의 변화가 R-134a의 증발열전달에 미치는 영향을 파악하고자 채널 굽힘 각도가 180°, 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기를 제작하였다. 두 작동유체가 대향류로 열교환시, 증발열원인 물의 입구온도와 Reynolds수는 일정하게 유지시킨 상태에서, R-134a의 증발온도 및 Reynolds수 변화에 따른 증발실험을 수행하여 각각의 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발 열전달 특성을 비교 분석하였다.
시험부에는 마이크로채널 열교환기가 설치되며, 두 작동유체의 온도와 압력을 측정할 수 있도록 온도센서와 압력계를 마이크로채널 열교환기의 입·출구에 설치하였다. 또한 열교환시 R-134a와 물의 채널 내 압력강하를 측정하기 위하여 차압계(differential pressure transmitter)를 각각 설치하였다.
물 순환부에는 마이크로채널 열교환기에 물이 일정한 온도로 유입되도록 항온조를 이용하여 온도 조절을 하였으며, 물의 질량유량을 측정하기 위하여 질량유량계를 마그네틱 기어펌프의 후단에 설치하였다. R-134a 순환부와 물 순환부의 각 주요 기기의 입·출구부에는 온도와 압력을 측정하기 위하여 온도센서(RTD)와 압력계(pressure transmitter)를 설치하였다.
이에 본 연구에서는 이상구간과 과열구간의 영향을 각각 고려한 수정된 대수평균온도차 식 (13)을 이용하였다. 수정된 대수평균온도차는 마이크로 채널 열교환기에서 R-134a의 증발열량을 이상구간에서의 열량(Q_tp)과 과열구간에서의 열량(Q_sh)으로 나누어 구하였으며, 물이 R-134a의 증발에 관여한 온도(T_w,tp)는 식 (7)로 구하였다. 실험 중 R-134a의 출구온도가 입구온도와 비교하여 동일하거나 낮은 경우에는 이상상태로 판단하여 식 (8)로 대수평균온도차를 구하였다.
채널의 굽힘 각도가 180°, 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기에서 R-134의 증발열전달 특성을 파악하기 위하여 증발실험을 수행하였으며, 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
포토에칭은 두께 0.5mm인 금속박판(SUS304)에 마이크로채널을 식각하는 공정으로 채널의 굽힘 각도를 180°, 150° 및 120°로 각각 식각하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 마이크로채널 열교환기는 포토에칭(photo-etching) 공정과 확산접합(diffusion- bonding) 공정을 통하여 제작되었다. 포토에칭은 두께 0.
Figure 4는 마이크로채널 열교환기에서 R-134a 의 증발열전달 특성 실험을 위하여 구축된 실험 장치의 개략도이다. 실험장치는 R-134a 순환부와 물 순환부 그리고 시험부인 마이크로채널 열교환기로 이루어져 있다.
마이크로채널의 형상은 반타원형(semi-ellipse)으로 폭은 500 ㎛, 높이는 300 ㎛ 그리고 수력직경은 345 ㎛이다. 포토에칭 공정이 완료된 금속박판은 물측 6장, R-134a측 5장으로 R-134a가 물에 의하여 증발할 수 있도록 교차하여 적층하였으며, 상판과 하판으로 마감하여 확산접합 공정을 통하여 각각의 마이크로채널 열교환기를 제작하였다. 완성된 마이크로채널 열교환기의 외부형상은 Fig.

데이터처리

수정된 대수평균온도차는 마이크로 채널 열교환기에서 R-134a의 증발열량을 이상구간에서의 열량(Q_tp)과 과열구간에서의 열량(Q_sh)으로 나누어 구하였으며, 물이 R-134a의 증발에 관여한 온도(T_w,tp)는 식 (7)로 구하였다. 실험 중 R-134a의 출구온도가 입구온도와 비교하여 동일하거나 낮은 경우에는 이상상태로 판단하여 식 (8)로 대수평균온도차를 구하였다. 또한 Fig.

이론/모형

R-134a의 출구온도가 과열도를 가질 경우, 일반적인 식 (8)을 이용하면 대수평균온도차의 값이 작아 식 (2)의 총괄열전달계수는 실제보다 크게 나타난다. 이에 본 연구에서는 이상구간과 과열구간의 영향을 각각 고려한 수정된 대수평균온도차 식 (13)을 이용하였다. 수정된 대수평균온도차는 마이크로 채널 열교환기에서 R-134a의 증발열량을 이상구간에서의 열량(Q_tp)과 과열구간에서의 열량(Q_sh)으로 나누어 구하였으며, 물이 R-134a의 증발에 관여한 온도(T_w,tp)는 식 (7)로 구하였다.

성능/효과

(1) 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기가 180° 마이크로채널 열교환기보다 열전달 면적은 각각 7% 및 14% 증가하였으나 증발열전달량은 각각 평균 13% 및 17%로 크게 나타났다.
(2) R-134a의 증발열전달계수는 채널의 굽힘 각도가 작을수록 크게 나타났으며, 이는 열전달 면적 증가에 따른 영향보다 채널 굽힘 각도의 변화에 따른 지그재그 흐름이 R-134a의 증발열전달계수 증가에 주요한 영향을 미쳤기 때문이다.
(3) 본 연구를 통하여 마이크로채널의 형상 및 수력직경이 동일한 경우, 채널의 굽힘 각도 감소는 R-134a의 유동 특성을 변화시켜 증발열전달계수의 증가에 주요한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
이때 물의 Reynolds수는 438이며, 물의 입구온도는 25℃이었다. R-134a의 Reynolds수가 증가함에 따라 R-134a의 증발열전달계수는 증가하는 경향을 보였다. Reynolds수 약 175 이하에서는 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기의 증발열전달계수가 180° 마이크로채널 열교환기와 유사하게 나타났으나 Reynolds 수 약 235 이상부터 150° 및 120° 마이크로채널 열교환기의 증발열전달계수가 180° 마이크로채널 열교환기보다 크게 나타났다.
R-134a의 증발온도에 따라 각 마이크로채널 열교환기에서 증발실험을 수행한 결과, 증발온도 4.9~14.9℃의 범위에서 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기는 180° 마이크로채널 열교환기보다 증발열전달량이 각각 평균 13.3% 및 17.1% 크게 나타났다.
Reynolds수 185 이상에서 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 증가율의 차이를 보였으며, Reynolds수가 290까지 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기가 180° 마이크로채널 열교환기보다 증발열전달량이 각각 평균 15.9% 및 20.2% 크게 나타났다.
09 kW로 유사하게 나타났다. Reynolds수 60 이상에서 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 증가율이 서로 다르게 나타났으며, 증발온도 증가에 따른 증발열전달량의 증가율이 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 채널의 굽힘 각도가 180°인 마이크로채널 열교환기는 Reynolds수 260 이상에서 증발열전달량이 0.
8℃인 경우, R-134a의 Reynolds수 증가에 따른 증발열전달량의 변화를 나타낸 것이다. 각 마이크로채널 열교환기는 Reynolds수가 증가함에 따라 증발열전달량이 증가하였으며, Reynolds수가 60 및 120인 경우에는 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량이 각각 약 0.1 kW 및 0.2 kW로 유사하게 나타났다. Reynolds수 185 이상에서 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 증가율의 차이를 보였으며, Reynolds수가 290까지 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기가 180° 마이크로채널 열교환기보다 증발열전달량이 각각 평균 15.
각 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달계수는 Reynolds수 60 및 120에서 각각 약 1.29 kW/m2․℃ 및 2.81 kW/m2․℃로 유사하게 나타나지만 Reynolds수 185 이상부터 채널의 굽힘 각도가 작은 150° 및 120° 마이크로채널 열교환기의 증발열전달계수가 180°보다 크게 나타났다.
각 마이크로채널 열교환기에서 증발 열전달계수의 증가율은 Reynolds수 130 이상에서 차이를 보였으며, Reynolds수 250 이상에서 채널의 굽힘 각도가 180°인 마이크로채널 열교환기의 증발열전달계수는 약 4.89 kW/m2․℃로 일정하게 나타났다.
이때 물의 Reynolds수는 438이며, 물의 입구온도는 25℃이었다. 그림에서 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 Reynolds수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 채널의 굽힘 각도가 작을수록 증발열 전달량이 높게 나타났다. R-134a의 Reynolds수가 60인 경우에는 채널의 굽힘 각도가 180°인 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 0.
또한 120° 마이크로채널 열교환기의 열전달 면적은 150°보다 6.6% 증가하였으며, R-134a의 증발열전달계수는 1.2% 작게 나타나 증발온도 4.9℃에서는 예상되었던 열전달 성능의 향상은 크게 나타지 않았다.
1% 크게 나타났다. 또한 동일한 Reynolds수 범위에서 증발온도가 증가함에 따라 각 마이크로채널 열교환기의 증발열전달량은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 증발온도가 증가함에 따라 두 작동유체의 입구온도차가 작아져 열전달의 구동력(driving force)이 감소하였기 때문이다.
반면 채널의 굽힘 각도가 120°인 마이크로채널 열교환기는 Reynolds수 약 335에서 약 6.4 kW/m2․℃로 가장 큰 증발열전달계수를 보였으며, 180° 및 150°인 마이크로채널 열교환기와 비교하면 각각 약 31% 및 2.7% 크게 나타났다.
0×10⁴인 난류범위에서 Nusselt수와 압력 강하에 관한 상관식을 제안하였다. 유로의 형상이 서로 다른 두 열교환기의 열전달 성능은 기존 판형 열교환기 등과 비교하여 우수한 성능을 보였으며, 지그재그 휜 열교환기가 S형상 휜 열교환기에 비하여 Nusselt수는 24~34%, 마찰계수는 4~5배 크게 나타났다. Kim 등⁽⁶⁾은 3차원 수치해석을 수행하여 인쇄형 열교환기에서 채널 굽힘 각도 변화에 따른 이산화탄소의 열전달 및 압력 강하 특성에 대해 연구하였다.
채널 굽힘 각도가 120°일 때 평균 열유속이 최대값을 갖는 것을 확인하였으며, 국부적 유속 증가와 감소에 따른 열전달 및 압력강하 변화를 고려한 최적의 채널 굽힘 각도가 존재함을 확인하였다.
채널의 굽힘 각도가 180°인 마이크로채널 열교환기는 Reynolds수 260 이상에서 증발열전달량이 0.21 kW로 일정하게 나타났으며, 채널의 굽힘 각도가 150° 및 120°인 마이크로채널 열교환기는 Reynolds수 약 330까지 증발열전달량이 각각 0.26 kW 및 0.27 kW로 증가하였다.
채널의 굽힘 각도가 작아질수록 지그재그 흐름(zigzag-flow)을 가지는 150° 및 120° 마이크로채널 열교환기가 180° 마이크로 채널 열교환기보다 동일한 Reynolds수 범위에서 증발열전달량이 각각 평균 11% 및 15.7% 크게 나타났다.
채널의 굽힘 각도가 작은 120° 마이크로채널 열교환기가 Reynolds수 290에서 약 7.5 kW/m2․℃로 가장 큰 증발열전달계수를 보였으며, 180° 및 150° 마이크로채널 열교환기의 경우보다 각각 약 51% 및 25.1% 큰 값을 나타내었다.

후속연구

⁽³⁾ 또한 동일한 Reynolds수 범위에서도 채널의 크기와 유로의 기하학적 형상에 의하여 각각 상이하게 발생되는 경계층 생성 및 붕괴는 열전달 성능을 향상시키는 주요 원인으로 보고되고 있다.⁽⁴⁾ 반면 채널의 수력직경이 감소함에 따라 단위 유로 길이 당 압력강하의 증가와 유로의 기하학적 형상에 따른 압력강하는 열교환기의 설계 시 고려되어야 할 사항이다. 이러한 마이크로채널 열교환기의 성능 개선을 위하여 실험과 수치해석을 통한 연구가 진행되고 있으며,.
현재, MEMS(micro-electro mechanical system) 및 금속과 금속간의 접합강도가 우수한 접합 기술들이 발전하면서 채널의 수력직경이 1 mm 이하인 소형 마이크로채널(micro-channels) 열교환기의 개발이 가능하게 되었다. 이를 냉각시스템에 적용할 경우, 열교환기내 채널의 수력직경과 유로의 길이가 작아 집적도(compactness)가 높고 우수한 열교환 성능으로 초소형 전자기기 및 국소냉각을 요구하는 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.^(1,2)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MEMS(micro-electro mechanical system) 및 금속과 금속간의 접합강도가 우수한 접합 기술들이 발전하면서 가져온 결과는 무엇인가?	현재, MEMS(micro-electro mechanical system) 및 금속과 금속간의 접합강도가 우수한 접합 기술들이 발전하면서 채널의 수력직경이 1 mm 이하인 소형 마이크로채널(micro-channels) 열교환기의 개발이 가능하게 되었다. 이를 냉각시스템에 적용할 경우, 열교환기내 채널의 수력직경과 유로의 길이가 작아 집적도(compactness)가 높고 우수한 열교환 성능으로 초소형 전자기기 및 국소냉각을 요구하는 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
	본 연구에 사용된 마이크로채널 열교환기는 어떻게 제작되었는가?	본 연구에서 사용한 마이크로채널 열교환기는 포토에칭(photo-etching) 공정과 확산접합(diffusion- bonding) 공정을 통하여 제작되었다. 포토에칭은 두께 0.
	본 연구에 사용된 마이크로채널 열교환기의 자세한 제작 공정은 어떻게 되는가?	본 연구에서 사용한 마이크로채널 열교환기는 포토에칭(photo-etching) 공정과 확산접합(diffusion- bonding) 공정을 통하여 제작되었다. 포토에칭은 두께 0.5mm인 금속박판(SUS304)에 마이크로채널을 식각하는 공정으로 채널의 굽힘 각도를 180°, 150° 및 120°로 각각 식각하였다. 두 작동유체가 대향류(counter-flow)로 흐르도록 R-134a측과 물측의 각 금속박판에 입·출구 헤더부가 서로 대칭이되도록 식각하였다.

참고문헌 (7)

Brandner, J. J., Anurjew, E., Bohn, L., Hansjosten, E., Henning, T., Schygulla, U., Wenka, A. and Schubert, K., 2006, "Concepts and Realization of Microstructure Heat Exchangers for Enhanced Heat Transfer," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 30, pp. 801-809.

상세보기
Hesselgreaves, J. E., 2001, "Compact Heat Exchanger, Selection, Design and Operation," first ed., PERGAMON an imprint of Elsevier Science.
Gillot, C., Bricard, A. and Schaeffer, C., 2000, "Single-Phase and Two-Phase Heat Exchangers for Power Electronic Components," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 39, No. 8, pp. 826-832.

상세보기
Kanaris, A. G., Mouza, A. A. and Paras, S. V., 2009, "Optimal Design of a Plate Heat Exchanger with Undulated Surfaces," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, pp. 1184-1195.

상세보기
Ngo, T. L., Kato, Y., Nikitin, K. and Ishizuka, T., 2007, "Heat Transfer and Pressure Drop Correlations of Microchannel Heat Exchangers with S-Shaped and Zigzag Fins for Carbon Dioxide Cycles," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 32, pp. 560-570.

상세보기
Kim, D. E., Kim, M. H., Cha, J. E. and Kim, S. O., 2008, "Numerical Study for Heat Transfer and Pressure Drop of Supercritical Carbon Dioxide Fluid with Channel Bending Angle in Printed Circuit Heat Exchanger," Proceeding of Chun-gye Symposium on the KSME, pp. 298-305.
Lee, H. S., Jeon, D. S., Kim, Y. L., Kim, Y. C. and Kim, S. C., 2010, "An Experimental Study on the Evaporative Heat Transfer Characteristics of R-134A in a Micro-Channel Heat Exchanger," Trans. of the KSME(B), Vol. 34, No 2, pp. 113-120.

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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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