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문제 정의
- 본 연구에서는 마이크로 채널에서 FC-72의 비등 열전달에 관한 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 FC-72를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널에서의 2상 유동 비등 열전달 실험을 수행하였다. 그리고 실험에서 얻어진 열전달 계수를 분석하였으며, 열전달 계수를 예측하기 위한 기존의 여러 상관식들과 비교하였다.
- 3A의 전류 범위 내에서 조절 되며, 필름히터에 인가되는 전압과 전류를 측정하여 마이크로 채널에 전달되는 열량을 계산하였다. 동판과 필름히터 사이에는 4개의 T-type 열전대를 부착하여 온도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 FC-72를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널에서의 2상 유동 비등 열전달 실험을 수행하였다. 그리고 실험에서 얻어진 열전달 계수를 분석하였으며, 열전달 계수를 예측하기 위한 기존의 여러 상관식들과 비교하였다.
- 실험 시작 전 약 1시간 동안 예열기와 필름히터를 이용한 가스 제거(degassing) 작업을 통해 작동 유체 내에 용존 가스를 배출하였다. 시스템 내부 작동 유체의 유량은 유량계에 의해 측정되며, 본 연구에서는 질량 유속 150, 250, 350 그리고 450kg/m2s의 범위에서 실험이 수행되었으며, 각 질량 유속에서 열유속을 조절하여 출구 증기 건도를 조절 하였으며, 이때 열유속은 5.6-46.1kW/m2 범위에서 조절되었다. 작동 유체의 입·출구 온도는 T-type 열전대를 사용하여 측정하였으며, 압력강하는 차압계를 사용하여 측정하였다.
- 실험 시작 전 약 1시간 동안 예열기와 필름히터를 이용한 가스 제거(degassing) 작업을 통해 작동 유체 내에 용존 가스를 배출하였다. 시스템 내부 작동 유체의 유량은 유량계에 의해 측정되며, 본 연구에서는 질량 유속 150, 250, 350 그리고 450kg/m2s의 범위에서 실험이 수행되었으며, 각 질량 유속에서 열유속을 조절하여 출구 증기 건도를 조절 하였으며, 이때 열유속은 5.
- 1kW/m2 범위에서 조절되었다. 작동 유체의 입·출구 온도는 T-type 열전대를 사용하여 측정하였으며, 압력강하는 차압계를 사용하여 측정하였다. 열전대와 차압계 등에서 측정된 값은 데이터 수집장치(DAQ)를 이용하여 수집하였다.
- 동판의 하부에는 필름히터가 부착되며 필름히터는 직류 전원 공급장치를 통해 마이크로 채널에 일정한 열량을 공급한다. 직류 공급 장치는 0-50V의 전압과 0-0.3A의 전류 범위 내에서 조절 되며, 필름히터에 인가되는 전압과 전류를 측정하여 마이크로 채널에 전달되는 열량을 계산하였다. 동판과 필름히터 사이에는 4개의 T-type 열전대를 부착하여 온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 그리고 주로 낮은 열유속에서 불확실성이 높게 나타났다. FC-72의 물성치는 제조사인 3M사에서 제공하는 자료를 이용하였다.
- 동판에 가공된 마이크로 채널은 폭과 깊이 각각 0.45mm×0.20mm인 사각 채널이며, 채널의 개수는 총 15개이다.
- 본 연구에서 사용된 실험장치는 저장탱크, 기어펌프, 유량계, 예열기, 시험부 그리고 응축기 등으로 이루어져 있으며, 개략도를 [Fig. 1]에 나타내었다. 작동 유체인 FC-72는 저장탱크에서 기어펌프를 거쳐 예열기, 시험부, 응축기를 거쳐 다시 저장탱크로 유입되는 사이클을 반복한다.
- 2]는 시험부를 나타내었다. 시험부는 상·하부 커버, 마이크로 채널이 가공된 동판, 필름 히터, 그리고 단열재로 구성된다. 상·하부 커버는 투명한 폴리카보네이트 재질로 제작되었으며, 상부 커버에는 유동 분배와 차압 측정을 위한 매니 폴드가 가공되었으며, 이전 연구(Choi et al.
- 작동 유체의 입·출구 온도는 T-type 열전대를 사용하여 측정하였으며, 압력강하는 차압계를 사용하여 측정하였다. 열전대와 차압계 등에서 측정된 값은 데이터 수집장치(DAQ)를 이용하여 수집하였다.
- 20mm인 사각 채널이며, 채널의 개수는 총 15개이다. 채널의 총길이는 60mm이며, 압력 측정 구간은 40mm이다. 동판의 하부에는 필름히터가 부착되며 필름히터는 직류 전원 공급장치를 통해 마이크로 채널에 일정한 열량을 공급한다.
이론/모형
- 그리고 기공률 α는 다음과 같이 Zivi(1965)의 상관식을 사용하여 다음과 같이 계산하였다.
- 의 경우 실험값에 비해서 낮게 예측하였다. 실험값과 상관식들의 정량적인 비교를 위해 MAE(mean absolute error)를 사용하였으며, MAE는 식 (11)과 같이 정의 된다.
- , 2011). 열전달 계수의 불확실성은 Holman(1982)의 방법을 이용하여 계산하였으며, 4-11% 범위에 있다. 그리고 주로 낮은 열유속에서 불확실성이 높게 나타났다.
성능/효과
- 1. 비등 열전달 계수는 낮은 열유속 영역, 즉 낮은 증기 건도 영역에서 급격하게 감소하였으며, 그 후 일정 열유속 이상에서는 거의 일정하게 유지되었다.
- 2. 열전달 계수는 높은 열유속 영역에서 열유 속과는 거의 무관하게 나타나는 반면에 질량 유속의 영향을 받는 것으로 나타났다. 이것은 낮은 열유속 영역에서는 핵비등에 의한 비등 열전달이 주요 메커니즘으로 작용하다가 열유속이 증가하면서 강제 대류 비등에 의한 열전달로 변화하는 것을 의미한다.
- 3. 실험에서 얻어진 열전달 계수와 열전달 계수를 예측하기 위한 기존의 상관식들에 의한 열전달 계수를 비교한 결과 Kaew-On and Wongwises(2009)의 상관식이 MAE 40.3%내에서 가장 잘 예측하였다. 하지만 Kaew-On and Wongwises의 상관식은 낮은 열유속 영역에서 급격하게 감소하는 열전달 계수의 변화 경향을 정확하게 예측하지 못하였다.
- 225mm, 채널의 개수가 45 개인 병렬 마이크로 채널에서 FC-72의 비등 열전달 실험을 수행하였다. 그 결과, 열전달 계수는 약 0.2 이하의 낮은 증기 건도에서는 급격하게 감소하여 그 이후의 증기 건도에서는 열전달 계수가 거의 일정하게 유지되었음을 확인하였다.
- 실험값에 대한 상관식들의 MAE는 [Table 1]과 같이 정리하였다. 본 연구에서 사용한 기존의 상관식 중에서는 Kaew-On and Wongwises의 상관식이 MAE 40.3% 내에서 가장 잘 예측하였다
- 713mm인 13개의 채널로 이루어진 병렬 마이크로 채널에서 물을 작동유체로 사용하여 비등 열전달 실험을 수행하였다. 실험 결과에 의하면 증기 건도가 증가함에 따라서 열전달 계수는 감소하였으며, 질량 유속이 증가함에 따라서 열전달 계수는 증가하였다. Qu & Mudawar (2003b)는 이러한 실험 결과를 토대로 환상류가 주를 이루는 강제 대류 비등이 마이크로 채널에서의 열전달을 지배하는 주요 메커니즘으로 결론내렸으며, 이러한 유동을 해석하기 위해서 2상 환상류 모델 (annular two-phase flow model)을 제안하였다.
- Tran et al.의 실험 결과에 의하면 열전달 계수는 질량 유속과 증기 건도와는 거의 무관한 것으로 나타났으며, 열유속의 영향을 주로 받는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 핵비등이 채널에서 비등의 주요 메커니즘으로 작용할 때 나타난다.
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