본 연구에서는 깊이 0.2 mm, 폭 0.45 mm, 길이 60mm 그리고 채널의 개수는 15개인 마이크로 채널에서 이상 유동비등에 관한 실험을 수행하였다. 작동유체로는 FC-72가 사용되었으며, 실험은 질량유속과 열유속 각각 $200-400kg/m^2s$, $5-40kW/m^2$ 범위와 증기 건도 0.1-0.9 범위에서 수행되었다. 열전달 계수는 낮은 열유속에서는 급격하게 감소하였으며, 일정 열유속 이상에서는 거의 일정하게 유지되었다. 측정된 열전달 계수로부터 기존의 방법을 이용하여 기포류, 슬러그류, 천류 그리고 파형/환상류의 유동양식으로 분류하였다. 또한 분류한 유동양식의 결과를 파형/환상류 영역으로의 천이 기준과 비교하였다. 하지만 기존의 천이 기준으로는 본 연구의 실험결과를 만족스럽게 예측하지 못하였다.
본 연구에서는 깊이 0.2 mm, 폭 0.45 mm, 길이 60mm 그리고 채널의 개수는 15개인 마이크로 채널에서 이상 유동비등에 관한 실험을 수행하였다. 작동유체로는 FC-72가 사용되었으며, 실험은 질량유속과 열유속 각각 $200-400kg/m^2s$, $5-40kW/m^2$ 범위와 증기 건도 0.1-0.9 범위에서 수행되었다. 열전달 계수는 낮은 열유속에서는 급격하게 감소하였으며, 일정 열유속 이상에서는 거의 일정하게 유지되었다. 측정된 열전달 계수로부터 기존의 방법을 이용하여 기포류, 슬러그류, 천류 그리고 파형/환상류의 유동양식으로 분류하였다. 또한 분류한 유동양식의 결과를 파형/환상류 영역으로의 천이 기준과 비교하였다. 하지만 기존의 천이 기준으로는 본 연구의 실험결과를 만족스럽게 예측하지 못하였다.
Two-phase flow boiling experiments were conducted in 15 micro-channels with a depth of 0.2 mm, width of 0.45 mm, and length of 60 mm. FC-72 was used as the working fluid, and the mass fluxes ranged from 200 to $400kg/m^2s$. Tests were performed over a heat flux range of $5-40kW/m^2$<...
Two-phase flow boiling experiments were conducted in 15 micro-channels with a depth of 0.2 mm, width of 0.45 mm, and length of 60 mm. FC-72 was used as the working fluid, and the mass fluxes ranged from 200 to $400kg/m^2s$. Tests were performed over a heat flux range of $5-40kW/m^2$ and vapor quality range of 0.1-0.9. The heat transfer coefficient sharply decreased at a lower heat flux and then was kept approximately constant as the heat flux is increased. Based on the measured heat transfer data, the flow pattern was simply classified into bubbly, slug, churn, and wavy/annular flows using the existing method. In addition, these classified results were compared to the transition criterion to wavy/annular regime. However, it was found that the existing transition criterion did not satisfactorily predict the transition criterion to annular regime for the present data.
Two-phase flow boiling experiments were conducted in 15 micro-channels with a depth of 0.2 mm, width of 0.45 mm, and length of 60 mm. FC-72 was used as the working fluid, and the mass fluxes ranged from 200 to $400kg/m^2s$. Tests were performed over a heat flux range of $5-40kW/m^2$ and vapor quality range of 0.1-0.9. The heat transfer coefficient sharply decreased at a lower heat flux and then was kept approximately constant as the heat flux is increased. Based on the measured heat transfer data, the flow pattern was simply classified into bubbly, slug, churn, and wavy/annular flows using the existing method. In addition, these classified results were compared to the transition criterion to wavy/annular regime. However, it was found that the existing transition criterion did not satisfactorily predict the transition criterion to annular regime for the present data.
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문제 정의
본 연구에서는 수력직경 277um를 가지는 수평 병렬 마이크로 채널에서 FC-72의 비등 열전달에 관한 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
마이크로 채널내의 압력 강하로 인해 국소 포화온도는 유동방향으로 감소한다. 마이크로 채널내의 국소 압력을 얻기 위해 마이크로 채널의 입구에서 출구까지 선형적으로 압력이 강하하는 것으로 가정하며, 국소 포화온도도 마찬가지다. 식에서 벽면온도 Tw는 마이크로 채널의 하부에서 측정된 온도 Tb를 교정함으로써 얻어지며, 다음과 같다.
제안 방법
3. 위의 결과들을 토대로 유동양식을 비환상류와 환상류의두 가지 유동양식으로 분류하였다. 이러한 결과를 Harirchian and Garimella[10]의 파형/환상류로의 천이 기준과 비교하였으나 본 연구의 결과를 만족스럽게 예측하지는 못하였다.
이것은 Harirchian et al. [10]에 의해 수행된 열전달 실험과 유동 패턴 관측을 통해 얻어진 결과를 토대로 위에서 언급한 유동양식을 분류하였다. 그들의 실험에서 사용된 작동유체는 FC-77냉매로, 본 연구에서 사용한 FC-72냉매보다 비등점이 약간 높으며, 다른 물성치 값들에서 약간 차이를 보이나 동일한 불활성 불소화합물이므로 다른 작동 유체보다 더욱 신뢰성이 있을 것으로 사료된다.
그리고 열유속이 증가함에 따라 열전달계수는 거의 일정하거나 약간 감소하는 것으로 나타났다. 또한 실험결과로부터 유동양식을 분류하였는데, 열전달이 감소하는 영역인 구간을 기포류, 그 다음 영역을 슬러그류, 천류, 그리고 마지막 영역을 파형/환상류 유동으로 나누었다. 이것은 Harirchian et al.
본 연구에서는 FC-72 냉매를 사용하여 유동 비등 열전달 실험을 수행하였으며, 실험으로부터 얻어진 결과를 토대로 여러 형태의 유동양식을 분류함으로써 유동양식이 열전달에 미치는 영향을 분석하였다.
실험을 시작하기 전에 약 1시간 동안 시스템내의 작동유체를 순환시킴으로써 예열기와 시험부의 필름히터를 통해 작동유체를 가열하여 증발시킴으로 가스제거(degassing) 작업을 수행하였다.
작동유체의 유량은 유량계에 의해 측정되며, 본 연구에서 작동유체의 유량은 질량유속 200, 300 그리고 400 kg/m2s의 범위에서 수행되었으며, 각 질량유속에서 시험부에 가해진 열유속은 5에서 40 kW/m2까지 이다. 실험조건은 Table 1과 같다.
작동유체의 입·출구 온도는 T-type 열전대를 사용하여 측정하였으며, 압력강하는 차압계를 사용하여 측정하였다.
Figure 6은 Figure 4에서 유동양식을 분류한 결과를 토대로 두 가지의 유동양식으로 다시 분류하였다. 즉 기포류와 슬러그류 그리고 천류를 비환상류(unannular)로, 그리고 파형/환상류를 환상류(annular)로 분류하였다. 이렇게 분류한 유동양식을 증기 건도의 변화에 따른 질량유속으로 나타내 었다.
대상 데이터
Figure 2는 시험부를 나타내며, 마이크로 채널의 깊이와 폭은 각각 0.2 mm, 0.45 mm이며, 채널수는 15개로 설계되었다. 채널의 총길이는 60 mm이며, 압력 측정은 40 mm에 이르는 구간에서 이루어졌다.
본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도는 Figure 1에 나타나 있으며, 주요 구성부는 저장탱크, 기어펌프, 유량계, 예열기 그리고 시험부로 이루어져 있다. 작동유체는 FC-72 냉매를 사용하였으며, 저장탱크에서 기어펌프를 통해 유량계를 거쳐 시험부로 유입된 후 저장탱크로 모여 다시 사이클을 순환하는 폐회로 시스템으로 구성되었다[11].
본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도는 Figure 1에 나타나 있으며, 주요 구성부는 저장탱크, 기어펌프, 유량계, 예열기 그리고 시험부로 이루어져 있다. 작동유체는 FC-72 냉매를 사용하였으며, 저장탱크에서 기어펌프를 통해 유량계를 거쳐 시험부로 유입된 후 저장탱크로 모여 다시 사이클을 순환하는 폐회로 시스템으로 구성되었다[11].
3℃이다[12]. 작동유체인 FC-72의 물성치는 제조사인 3M사에서 제공하는 자료를 이용하였다.
45 mm이며, 채널수는 15개로 설계되었다. 채널의 총길이는 60 mm이며, 압력 측정은 40 mm에 이르는 구간에서 이루어졌다. 마이크로 채널이 있는 동판의 하부에는 필름히터가 부착되어 직류 전원 공급 장치를 통해 일정한 열량을 공급하게 된다.
데이터처리
실험에서 측정된 값들은 데이터 수집 장치(Data Acquisition Equipment)를 이용하여 수집 분석 하였다.
성능/효과
(2) 슬러그류(slug flow) : 슬러그류는 기포의 직경이 관 단면 전체를 차지할 만큼 크게 성장하며, 길이는 관 직경보다 훨씬 큰 길이를 가진다.
1. 실험으로부터 얻어진 열전달계수는 열유속이 낮을 경우 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 유동양식의 경우 기포류로 간주되었다. 그리고 열 유속이 증가함에 따라 열전달계수는 거의 일정한 패턴을 유지하였으며 슬러그류에서 환상류로 바뀌는 것을 알 수 있었다.
2. 증기 건도에 다른 기공률의 변화를 통해 마이크로 채널 내 증기가 차지하는 비율을 대략적으로 확인할 수 있었으며, 질량유속이 300 kg/m2s일 경우 건도가 0.35일 때 증기가 차지하는 비율은 약 93%정도로 나타났다.
즉, Harirchian et al. [10]의 유동 관측의 결과와 본 연구에서 얻어진 열전달 특성을 토대로 질량유속이 200 kg/m2s에서는 환상류로의 천이가 약 0.4의 증기 건도에서 일어나며, 질량유속이 300 kg/m2s에서는 약 0.35에서, 그리고 질량유속이 400 kg/m2s에서는 약 0.3에서 천이가 일어난 다는 것을 예측할 수 있다. 또한 이러한 결과를 Garimella et al [9]에 의해 제안된 파형/환상류로의 천이 기준과 비교하였으며, 그들의 식은 다음과 같이 정의된다.
[10]에 의해 수행된 열전달 실험과 유동 패턴 관측을 통해 얻어진 결과를 토대로 위에서 언급한 유동양식을 분류하였다. 그들의 실험에서 사용된 작동유체는 FC-77냉매로, 본 연구에서 사용한 FC-72냉매보다 비등점이 약간 높으며, 다른 물성치 값들에서 약간 차이를 보이나 동일한 불활성 불소화합물이므로 다른 작동 유체보다 더욱 신뢰성이 있을 것으로 사료된다.
실험으로부터 얻어진 열전달계수는 열유속이 낮을 경우 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 유동양식의 경우 기포류로 간주되었다. 그리고 열 유속이 증가함에 따라 열전달계수는 거의 일정한 패턴을 유지하였으며 슬러그류에서 환상류로 바뀌는 것을 알 수 있었다.
그림으로부터 알 수 있듯이 낮은 열유속에서는 열전달계수가 급격히 감소한다는 것을 알 수 있다. 그리고 열유속이 증가함에 따라 열전달계수는 거의 일정하거나 약간 감소하는 것으로 나타났다. 또한 실험결과로부터 유동양식을 분류하였는데, 열전달이 감소하는 영역인 구간을 기포류, 그 다음 영역을 슬러그류, 천류, 그리고 마지막 영역을 파형/환상류 유동으로 나누었다.
측정된 값들의 불확실성은 유량과 압력강하의 경우 각각 풀 스케일에서 ±3%, ±0.25%이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유체 유동 시스템이 지속적으로 관심을 받는 이유는?
오늘날, 마이크로 스케일에서의 유체 유동 시스템이 산업체로부터 꾸준히 관심을 받아오고 있는데, 이것은 소형 동력 시스템, 슈퍼컴퓨터, 컴팩트 열교환기 그리고 고성능 레이저 등과 같은 응용 분야에서 큰 열 소산 능력을 발휘하고 있기 때문이다. 이러한 유동 시스템은 매우 작기 때문에 유체가 흘러가는 채널이 또한 작아지게 된다.
마이크로 스케일의 열교환기를 설계할 때, 압력강하를 최소화하려고 하는 이유는?
그러나 이러한 소형 시스템에서는 채널의 수력직경이 감소함으로써 야기되는 압력 손실의 증가라는 단점이 나타나게 된다. 따라서 마이크로 스케일의 열교환기를 설계할 때 압력강하를 최소화하려고 노력하는데, 이러한 이유는 압력강 하가 펌프의 소요 동력과 직접적인 관계가 있어 에너지 소비 증가의 요인이 되기 때문이다. 특히, 열전달계수는 열유속, 질량유속, 그리고 증기 건도에 크게 의존하는 것으로 여러 연구자들에 의해 밝혀져 왔다[1]-[3].
유동 시스템의 단점은 무엇인가?
하지만 시스템으로부터의 열전달은 아주 우수하다고 할 수 있다. 그러나 이러한 소형 시스템에서는 채널의 수력직경이 감소함으로써 야기되는 압력 손실의 증가라는 단점이 나타나게 된다. 따라서 마이크로 스케일의 열교환기를 설계할 때 압력강하를 최소화하려고 노력하는데, 이러한 이유는 압력강 하가 펌프의 소요 동력과 직접적인 관계가 있어 에너지 소비 증가의 요인이 되기 때문이다.
참고문헌 (16)
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