[논문]미세채널내 증발을 고려한 두 유체간 열전달현상에 대한 해석적인 연구

유영준; 최상민

doi:10.6108/kspe.2013.17.2.114

미세채널내 증발을 고려한 두 유체간 열전달현상에 대한 해석적인 연구
An Analytical Study on a Heat Transfer Mechanism with Boiling Effect between Two Fluids in a Mini-channel 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.2, 2013년, pp.114 - 121

유영준 (국방과학연구소 4기술연구본부 미래추진기술센터, 한국과학기술원 대학원 기계공학과) , 최상민 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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미세채널을 갖는 증발형 열교환기의 효율을 평가하기 위하여, 공기의 온도와 물의 온도와 같은 열교환기의 상태값들을 계산하기위한 관계식들이 문제를 단순화하기 위한 몇 가지 가정을 적용한 Navier-Stokes 방정식으로부터 유도되었다. 미세채널내부는 물의 상태에 따라 3가지 영역으로 나누었다. 이 연구의 결과로써, 미세유로를 갖는 증발형 열교환기의 증발시작시점과 건조완료점을 계산하는 방정식이 제시되었다. 본 연구결과는 증발효과를 이용하는 미세채널형 열교환기의 설계, 성능예측 및 시험결과 분석 등에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to estimate the efficiency of an evaporative heat exchanger having mini channel, the equations to calculate heat exchanger properties, those are air temperatures and water temperatures etc, are derived from the governing equations based on the Navier-Stokes equation, even though there are several assumptions to make problem simplify. There are three heat transfer zones at the mini channel heat exchanger depending on the water condition. So, there are three governing equations and solutions to calculate the properties. As the results of this study, the equations to calculate a saturation point and a dry point are derived to evaluate an evaporative heat exchanger having micro channel. It is supposed to predict and evaluate the performance of a mini channel heat exchanger with evaporation of liquid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 미세채널형 열교환기의 성능향상 방안을 연구하기 위하여 미세채널형 열교환기를 수학적으로 모델링하고 그 해를 제시하고자 하였다. 이를 통해 미세채널형 열교환기의 변수에 따른 성능을 분석하고, 미세채널형 열교환기의 설계, 성능예측 및 시험평가 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

가설 설정

1) 고온유체와 저온유체 사이에서만 열교환이 있다.
2) x방향으로의 열전도는 무시할 수 있다.
4) 유체의 비열은 일정하다.
5) 총괄 열전달 계수는 일정하다.
08을 적용하였다. 물채널의 경우도 동일한 분석을 통하여 Re_D가 63정도로 작아 층류유동으로 고려할 수 있고, 공기로부터 유입되는 열유속이 일정한 조건으로 가정하여 N_D=4.12를 적용하였다. 그런데, 물의 경우는 증발을 시작하는 시점부터 증발현상에 의하여 열전달계수의 값이 급격하게 증가하는 것으로 알려져 있다[6].

제안 방법

1과 같은 환경조절장치의 개념설계결과가 제시된 바 있다[1-2]. 냉원으로는 연료탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 고려할 수도 있으나, 연료라인을 추가로 구성해야하는 부담이 있고, 연료를 냉원으로 사용하는 경우에 연료의 온도상승이 예상될 수 있고, 제한된 시간동안 정상운용을 목표로 하였기 때문에 별도의 용기에 저장된 냉각수를 냉원으로 사용하는 방안을 고려하게 되었다.
열교환기가 진동 및 비행가속 환경에서도 냉각수의 쏠림현상을 방지하기 위하여 내부유로가 ‘ㄷ’자 모양이 되도록 하였으며, 냉각수 및 공기의 체류시간을 늘리기 위하여 유로에 톱니(‘<’)모양의 굴곡을 두었다. 또한, 냉각수 흐름을 균일하게 하기 위하여 각각의 채널길이를 동일하게 하였다. 단, 증발현상이 수반되는 경우 채널길이가 같은 경우에도 냉각수 흐름이 균일하게 분포되지 않을 수 있으나, 단순화된 1차원 모델링에서는 이를 고려하지 않았다.
또한, 본 연구에서 검토한 열교환기는 제한된 시간동안 동작하는 열교환기로써, 제한된 공간에서 최대한의 열을 흡수하기 위하여 물의 증발열을 활용하도록 설계하였다.
열교환기의 고온측 채널형상은 열전달율을 최대로 하기 위하여 톱니모양으로 구성하였고, 채널간 유량을 일정하게 하기 위하여 각각의 채널길이를 동일하게 하였다. 또한, 입구와 출구의 헤더형상에 따라 압력손실 및 유동에 영향을 받을 수 있어, 별도의 연구를 통하여 헤더형상을 최적화 하였다.
미세채널 열교환기는 단위체적당 열전달 면적을 크게 하기 위하여 고온유체와 저온유체의 유로를 미세채널로 구성하였다. 이와 같은 미세채널내의 이상유동(two phase flow)에 대한 연구는 1963년에 Mikol, E.
미세채널 열교환기의 시험결과를 분석하고 성능을 예측하기 위해 미세채널 열교환기의 일반 해를 구하였으며, 그 결과를 이용하여 증발현상이 시작되는 지점(포화길이, x_sat)과 증발이 완료 되는 지점(건조, x_dry) 계산을 위한 식을 유도하고 운용조건의 변화에 따른 포화길이와 건조길이의 계산결과를 비교하였다.
) 등으로 분류 할 수 있다[6]. 본 연구에서는 Fig. 3-5와 같은 형상의 수력직경(D_h)이 0.9 ~ 1.2 ㎜인 미니채널 열교환기를 고려하였다. 열교환기의 내부에는 공기를 고온유체로 하는 Fig.
)를 검토하였다. 사용된 변수들의 검토범위는 열교환기가 운용될 수 있는 조건을 고려하여 공기입구에 생성될 수 있는 것으로 추정 되는 공기의 입구온도범위(200 ~ 500℃)를 고려하였고, 내부에 탑재되어 가열될 수 있는 물의 조건을 고려하여 물의 입구온도범위(50 ~ 99℃) 및 냉각수의 공급을 위하여 가압되는 환경을 고려하여 물의 압력범위(100 ~ 350 kPa)를 고려하였으며, 그래프에서는 각각의 변수들에 대하여 경우를 0과 1사이의 값으로 환산하여 Fig. 11과 Fig. 12에 도시하였다.
8의 병류형 열교환기(parallel flow heat exchanger)이다. 실제 미세채널 열교환기의 열전달현상은 공기측의 경우와 물측의 경우 각기 아주 복잡한 현상으로 설명될 수 있지만, 수학적인 해를 도출하기 위하여 다음과 같은 가정을 적용하여 일반적인 연속 방정식, 운동방정식 및 에너지 방정식을 가능한 단순화 하였다.
단, 증발현상이 수반되는 경우 채널길이가 같은 경우에도 냉각수 흐름이 균일하게 분포되지 않을 수 있으나, 단순화된 1차원 모델링에서는 이를 고려하지 않았다. 열교환기의 고온측 채널형상은 열전달율을 최대로 하기 위하여 톱니모양으로 구성하였고, 채널간 유량을 일정하게 하기 위하여 각각의 채널길이를 동일하게 하였다. 또한, 입구와 출구의 헤더형상에 따라 압력손실 및 유동에 영향을 받을 수 있어, 별도의 연구를 통하여 헤더형상을 최적화 하였다.
지배방정식(governing equation)을 정리하기에 앞서 4절에서 미세채널열교환기의 구조를 분석하고 단순화 하였다. 이와 같이 단순화된 형상을 이용하면, Fig.
한편, 해석결과를 이용하여 열교환기의 3가지 운용변수에 대한 변화를 고려하면서, 열교환기의 주요설계변수가 될 수 있는 포화길이(x_sat)와 건조길이(x_dry)를 검토하였다. 사용된 변수들의 검토범위는 열교환기가 운용될 수 있는 조건을 고려하여 공기입구에 생성될 수 있는 것으로 추정 되는 공기의 입구온도범위(200 ~ 500℃)를 고려하였고, 내부에 탑재되어 가열될 수 있는 물의 조건을 고려하여 물의 입구온도범위(50 ~ 99℃) 및 냉각수의 공급을 위하여 가압되는 환경을 고려하여 물의 압력범위(100 ~ 350 kPa)를 고려하였으며, 그래프에서는 각각의 변수들에 대하여 경우를 0과 1사이의 값으로 환산하여 Fig.

대상 데이터

본 연구의 열교환기의 형식은 Fig. 8의 병류형 열교환기(parallel flow heat exchanger)이다. 실제 미세채널 열교환기의 열전달현상은 공기측의 경우와 물측의 경우 각기 아주 복잡한 현상으로 설명될 수 있지만, 수학적인 해를 도출하기 위하여 다음과 같은 가정을 적용하여 일반적인 연속 방정식, 운동방정식 및 에너지 방정식을 가능한 단순화 하였다.

이론/모형

)이외에 공기채널의 측면을 통한 열전달 및 물채널의 측면을 통한 열전달을 함께 고려되어야 한다. 본 연구에서는 미세채널의 측면을 핀으로 고려하여 단열조건의 핀효율 계산식을 적용하였다.
이 때, 공기측의 대류열전달계수를 계산하기 위하여 레이놀즈수(Re_d)를 계산한 결과 1,001로 층류임을 확인할 수 있다. 이 때, 관내의 완전히 발달된 관내층류유동에 대한 열전달계수를 계산은 참고문헌[5]의 데이터를 활용하여 Nu_D = 3.08을 적용하였다. 물채널의 경우도 동일한 분석을 통하여 Re_D가 63정도로 작아 층류유동으로 고려할 수 있고, 공기로부터 유입되는 열유속이 일정한 조건으로 가정하여 N
성능/효과
- 3) 위치에너지(P.E.)와 운동에너지(K.E.)는 무시할 수 있다.
- 아울러 물측의 압력에 따른 영향을 검토한 결과 압력의 증가로 물의 포화온도 증가를 예상할 수 있으므로 포화길이와 건조길이가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 공기의 입구온도에 대한 검토결과, 입구온도가 증가할수록 포화길이는 감소하는 경향을 보이며, 일정온도이하에서는 건조길이가 기하급수적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 비교결과 물의 입구온도에 대해서는 포화길이과 건조길이 및 증발길이(건조길이와 포화길이의 차)가 감소하는 경향을 보였으며, 물의 압력에 따라서는 증가하는 경향을 보였다.
- 12에서 확인할 수 있는 바와 같이 물의 입구온도의 증가에 따라 포화길이와 건조길이 모두 감소하는 경향을 확인하였으며, 감소율은 건조길이의 경우 더 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 물측의 압력에 따른 영향을 검토한 결과 압력의 증가로 물의 포화온도 증가를 예상할 수 있으므로 포화길이와 건조길이가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 공기의 입구온도에 대한 검토결과, 입구온도가 증가할수록 포화길이는 감소하는 경향을 보이며, 일정온도이하에서는 건조길이가 기하급수적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이상과 같은 해석을 통하여, Fig. 10과 같이 16.8 mm에서 증발현상이 발생하기 시작하고, 150 mm 이내에서는 지속적으로 증발현상이 발생하는 것으로 확인되었다. 아울러, 압력상승에 따른 포화온도(T_w,sat)도 139℃로 계산되는 것으로 확인되었다.
- 하지만, 이와 같은 물측의 열전달 계수의 증가에 비하여 공기측의 열전달계수가 상대적으로 너무 작아 총합열전달 계수의 값에는 큰 영향을 주지 못한다. 즉, 일례로 공기측과 물측의 열전달계수값은 각각 75 W/m²℃ 및 2,676 W/m²℃ 이므로, 공기측의 열전달계수가 물측보다 현저하게 작기 때문에 마이크로 채널내의 총합열전달계수는 73 W/m²℃ 정도로 공기측의 열전달계수와 근사한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 증발현상을 동반하는 경우에는 전술한 바와 같이 열전달계수가 급격하게 증가하는 것으로 발표되고 있어서, 그 영향이 더욱 미미해 질 것으로 판단된다.
- 특히, 공기의 입구온도가 낮은 조건에서는 포화길이와 건조길이가 운용조건들에 비하여 급격하게 감소하는 경향을 보이며, 입구온도가 높은 경우는 완만하게 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
- 본 연구에서는 미세채널형 열교환기의 성능향상 방안을 연구하기 위하여 미세채널형 열교환기를 수학적으로 모델링하고 그 해를 제시하고자 하였다. 이를 통해 미세채널형 열교환기의 변수에 따른 성능을 분석하고, 미세채널형 열교환기의 설계, 성능예측 및 시험평가 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기의 환경조절장치로써 냉각기계를 사용 시 가지는 장점은?	항공기에 적용되는 환경조절장치는 냉매의 상변화 과정을 이용하는 기체사이클 적용형(Vapor Cycle)과 엔진블리드 공기의 단열팽창효과를 이용하는 냉각기계(ACM, Air Cycle Machine) 적용형으로 구분될 수 있다. 냉각기계를 적용하는 경우 추가전원의 소요가 적고, 소요공간이 적기 때문에 Vapor Cycle 방식에 비하여 상대적으로 장점이 있다. 따라서, 항공기와 같이 엔진을 통한 블리드 공기를 취출할 수 있거나, 램에어를 이용할 수 있는 경우에 효과적인 환경조절 방안으로 냉각기계 적용형 환경조절장치에 대하여 그 동안 많은 연구가 진행되어왔다[1-2].
	항공기에 적용되는 환경조절장치는 어떻게 구분되는가?	항공기에 적용되는 환경조절장치는 냉매의 상변화 과정을 이용하는 기체사이클 적용형(Vapor Cycle)과 엔진블리드 공기의 단열팽창효과를 이용하는 냉각기계(ACM, Air Cycle Machine) 적용형으로 구분될 수 있다. 냉각기계를 적용하는 경우 추가전원의 소요가 적고, 소요공간이 적기 때문에 Vapor Cycle 방식에 비하여 상대적으로 장점이 있다.

참고문헌 (7)

유영준, 이형주, 고성희, 기자영, "환경조절장치(ECS)의 모델링 프로그램 개발에 관한 연구," 한국추진공학회지, 제13권, 제5호, 2009, pp.57-63
Yoo, Y. J., Lee, H. J., Min, S. K., Hwang, K. Y., and Lim, J. S., "A study on a modeling and simulation program of an environmental control system with a phase change heat exchanger," Proceedings of AIAA M&S 2011, AIAA 2011-6675, 2011
이형주, 유영준, 민성기, "물의 증발잠열을 이용하는 미세채널 열교환기의 실험적 연구," 제35회 한국추진공학회 추계학술대회, 2010, pp.245-253
Ghiaasiaan, S. M., Two-Phase Flow, Boiling, and Condensation - in Conventional and Miniature Systems, Cambridge University Press, 2008
Incropera, F. P. and Dwitt, D. P., Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons Inc. 1985
Kandlikar, S. G., "Heat transfer mechanisms during flow boiling in microchannels," Journal of heat transfer, Vol. 126, February 2004, pp.8-16

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Mikol, E. P., "Adiabatic single and two-phase flow in small bore tubes," ASHRAE Journal, 1963, pp.75-86

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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