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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 하여 단일 채널의 형상별 열전달 및 압력강하 특성에 대해 실험적으로 비교․조사하였다. 실험 데이터를 바탕으로 기존 상관식과 비교하였고 새로운 상관식을 제안하였다.
- 본 연구에서는 임계점 인근 영역에서 이산화탄소를 작동유체로 하여 단일 채널 내의 가열과정에 대한 열유동 특성을 고찰하였다.
가설 설정
- 열유속 계산을 위한 비열을 계산하기 위해 각 구간별 비열의 평균값을 사용하였으며 전체 채널에서의 비열 변화는 비선형적으로 감소하나 각 구간은 전체 채널에 비해 길이가 상대적으로 짧으므로 각 구간의 비열은 선형적으로 감소한다고 가정하였다. 나누어진 각각의 구간은 Fig.
- 채널의 길이가 비교적 짧기 때문에 채널 내부 유체의 온도와 압력은 흐름방향에 따라 선형적으로 증가 및 감소한다고 가정하였다.
- 5와 식(1)을 이용하였다. 평판형 세라믹히터에서 채널 밑면까지의 열전도는 1차원 열전도를 가정하였다.
제안 방법
- 따라서 Yoon et al.(2)의 상관식을 기반으로 본 실험 측정값을 이용하여 임계영역 주변에서 열전달계수의 예측 성능을 향상시킨 상관식을 제시하였다.
- Qu와 Mudawar(1)는 탈이온수(Deionized water)를 작동유체로 하여 마이크로 채널 히트싱크의 열전달 및 압력강하 특성을 실험 및 수치해석을 병행하여 조사하였다. 가로, 세로가 각각 231 μm, 712 μm인 직사각형이며 길이는 44.
- 실험은 일정 실내 온도가 유지되는 밀폐된 실험실 내에서 진행하였다. 각 채널에서의 질량유속과 공급열량을 동일하게 하여 열전달실험을 진행하였다. 실험데이터는 정상상태가 5분 이상 유지된 후 0.
- 구리 블록 상단에는 커버를 덮어 고정시키기 위한 볼트 구멍과 유체의 누설을 방지하기 위한 오링 홈이 있다. 구리 블록 측면에는 채널 밑면의 온도를 계산하기 위해 두 줄의 열전대 삽입 구멍을 가공하였다. 작동 유체를 가열시키기 위해 블록 밑면에는 평판형 세라믹 히터를 유체의 흐름 방향과 동일하게 부착시켜 AC 전력공급기를 통해 전력의 공급 및 조절을 수행하였다.
- 또한 시험부에서 작동유체의 가열을 위해 평판형 세라믹히터(BACH· RC, FLH-30, 230 V, 600 W)를 부착 후 AC 전력공급기(0-240 V, 0-8.33 A)를 통해 전력 공급 및 조절을 하였다.
- 시험부 입, 출구를 비롯하여 루프의 주요부분의 입, 출구에도 T형 열전대와 압력 센서를 설치하여 온도와 압력을 측정하였다. 각각의 센서에서 측정된 데이터는 DAQ(Data Acquisition) 장치에서 수집되어 Labview(Labview 2015) 프로그램을 통해 처리되었다.
- 유체의 순환 및 유량조절을 위해 마그네틱 기어펌프(Micropump, GC-M35, 0-14 LPM)를 사용하였으며 펌프 후단에는 질량유량의 측정을 위하여 코리올리형(Coriolis type) 질량유량계(RHEONIK, RHM 03, 0-5 kg/min)를 설치하였다. 시험부 입, 출구에는 T형 열전대(T-type Thermocouple, OMEGA, TMQSS-062U-6, 350℃)와 압력 센서(Pressure Transmitter, KELLER, PA-21SR, 0-100 bar)를 설치하여 온도와 압력을 측정하였다. 또한 시험부에서 작동유체의 가열을 위해 평판형 세라믹히터(BACH· RC, FLH-30, 230 V, 600 W)를 부착 후 AC 전력공급기(0-240 V, 0-8.
- 따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 하여 단일 채널의 형상별 열전달 및 압력강하 특성에 대해 실험적으로 비교․조사하였다. 실험 데이터를 바탕으로 기존 상관식과 비교하였고 새로운 상관식을 제안하였다.
- 펌프 전단에 실험 루프 내부의 오염을 방지하기 위해 필터를 설치하였다. 유체의 순환 및 유량조절을 위해 마그네틱 기어펌프(Micropump, GC-M35, 0-14 LPM)를 사용하였으며 펌프 후단에는 질량유량의 측정을 위하여 코리올리형(Coriolis type) 질량유량계(RHEONIK, RHM 03, 0-5 kg/min)를 설치하였다. 시험부 입, 출구에는 T형 열전대(T-type Thermocouple, OMEGA, TMQSS-062U-6, 350℃)와 압력 센서(Pressure Transmitter, KELLER, PA-21SR, 0-100 bar)를 설치하여 온도와 압력을 측정하였다.
- 구리 블록 측면에는 채널 밑면의 온도를 계산하기 위해 두 줄의 열전대 삽입 구멍을 가공하였다. 작동 유체를 가열시키기 위해 블록 밑면에는 평판형 세라믹 히터를 유체의 흐름 방향과 동일하게 부착시켜 AC 전력공급기를 통해 전력의 공급 및 조절을 수행하였다.
- 33 A)를 통해 전력 공급 및 조절을 하였다. 전력량은 디지털 전력계(YOKOGAWA, WT230)를 이용하여 전력량을 측정하였다. 시험부 후단에는 이중관 열교환기(1/2 in.
대상 데이터
- 5 mm이다. 시험부는 원활한 열전달과 고압의 환경을 견디기 위해 단일 구리 블록으로 제작되었다.
- 실험은 일정 실내 온도가 유지되는 밀폐된 실험실 내에서 진행하였다. 각 채널에서의 질량유속과 공급열량을 동일하게 하여 열전달실험을 진행하였다.
- 22에 나타내었다. 실험조건은 5,500 kg/m2 ․s의 질량유속으로 동일하며 채널 단면 형상은 Shape#1이다. Fig.
- 4에 나타내었다. 채널 최상단의 폭은 1 mm이고 수력직경을 모두 1 mm로 동일하게 하여 기계적으로 가공하여 채널을 제작하였으며 채널 길이는 73.5 mm이다. 시험부는 원활한 열전달과 고압의 환경을 견디기 위해 단일 구리 블록으로 제작되었다.
데이터처리
- (3) 본 실험에서 측정된 열전달계수를 설명하기 위해 기존 열전달 상관식과 비교하였다. 단상 열전달계수 예측을 위해 개발된 Gnielinski(5) 상관식은 열전달계수를 전반적으로 낮게 예측하였으며 Yoon et al.
- 시험부 입, 출구를 비롯하여 루프의 주요부분의 입, 출구에도 T형 열전대와 압력 센서를 설치하여 온도와 압력을 측정하였다. 각각의 센서에서 측정된 데이터는 DAQ(Data Acquisition) 장치에서 수집되어 Labview(Labview 2015) 프로그램을 통해 처리되었다.
이론/모형
- 10에 실제 압력강하량과 상관식으로 예측한 압력강하량의 비교 결과를 나타내었다. 상관식은 Petukhov(4) 마찰인자 상관식인 식(5)를 사용하였으며 상관식으로 예측한 값들은 실제 실험값보다 최소 16%에서 최대 47% 높은 값을 보였다.
- (2)의 상관식을 사용하였으며 사용된 두 상관식을 식(6)과 식(7)에 나타내었다. 식(6)은 Gnielinski(5)가 제시한 식으로 레이놀즈 수가 큰 범위에 걸쳐 적용될 수 있으며 균일 표면 열유속과 균일 표면온도 모두에 대해 적용 할 수 있기 때문에 선정되었으며 여기서 마찰인자 는 Petukhov(4) 상관식인 식(5)를 사용하였다. Yoon et al.
- 5초 간격으로 5분 이상 수집되었다. 이산화탄소의 열역학적 물성치는 NIST REFPROP 9.0(3)을 이용하였다. 실험조건은 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 이산화탄소의 열전달계수는 실험이 수행된 임계점 영역에 따라 상반된 경향을 보였다. 열전달계수의 증감 경향은 주어진 압력에서 비열이 변화하는 경향과 매우 유사하게 나타났다.
- (2) 일정한 압력에서 질량유속의 증가에 따라 압력강하량이 증가하였으며 아임계(subcritical) 조건에 비해 천이임계(transcritical) 조건에서 압력강하량이 감소하였다. 채널 형상별 비교에서는 동일한 수력직경이지만 면적이 변화함에 따라 압력강하량이 증가하였다.
- Yoon et al.(2)은 초임계 이산화탄소의 냉각과정의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험을 내경과 길이가 각각 7.73 mm, 500 mm인 동관을 사용하여 수행하였으며 실험 데이터를 바탕으로 열전달 및 압력강하에 대해 기존의 상관식과 비교하였고 초임계 이산화탄소의 냉각과정 특성을 유사임계 온도를 기준으로 형태가 다른 두 개의 새로운 상관식을 제안하였으나 수력직경이 커서 PCHE 설계에 적용하기에는 차이가 있을 것으로 예상되었다.
- 단상 열전달계수 예측을 위해 개발된 Gnielinski(5) 상관식은 열전달계수를 전반적으로 낮게 예측하였으며 Yoon et al.(2)의 상관식은 초임계(supercritical) 영역에서는 상대적으로 잘 예측하였으나 아임계(subcritical) 영역에서는 차이를 보였다. 따라서 Yoon et al.
- 각 질량유속에서 실제 압력강하량은 Shape#2가 Shape#1에 비해 평균 10% 증가한 값을 보였다. 각 채널 형상과 질량 유속에서 상관식으로 예측한 값들은 실제 압력강하량에 비해 Shape#1에서 약 13%(j = 5,500 kg/m2․s)와 약 6%(j = 5,833 kg/m2․s), Shape#2에서는 약 8%(j = 5,500 kg/m2․s)와 약 4%(j = 5,833 kg/m2․s)의 낮은 값을 보였다. 이는 서로 다른 채널 형상에서 수력직경을 동일하게 하였으나 채널의 단면적의 차이 때문으로 고려된다.
- 18에 나타내었다. 각 채널 형상에서 질량유속이 높은 경우에 대해 그렇지 않은 경우에 비해 평균 4~5% 증진되어 큰 차이를 보이지 않았다.
- 천이임계(transcritical) 조건에서는 열전달계수가 증가하였으며 아임계(subcritical)와 초임계(supercritical) 조건에서는 최대값을 보인 이후 열전달계수가 감소하였다. 동일한 질량유속에서 채널 형상 변화에 따른 열전달계수는 Shape#2가 Shape#1에 비해 평균 21~22% 높게 나타났다. 한편 각각의 채널 형상에서 질량유속의 변화에 따른 열전달계수의 차이는 평균 4~5% 차이로 큰 차이를 보이지 않았다.
- 한편, 질량유속이 증가하면 Reynolds 수가 증가하고, 일반적으로 열전달효과가 향상되는 것으로 알려져있다. 본 실험의 경우에도 질량유속의 증가에 따라 열전달계수는 증가하였으며 최대 질량유속의 열전달계수는 최저 질량유속에 비해 평균 32% 높은 값을 보였다.
- 상관식을 이용하여 구한 압력강하량은 아임계(subcritical) 조건인 69, 70 bar에서는 각각 약 24%, 18% 증가한 값을 보였으며 천이임계(transcritical) 조건인 74 bar에서는 실험값에 비해 약 31% 낮은 값을 보였다. 이 같은 차이는 Petukhov(4) 상관식은 직경이 매우 작은 마이크로채널에 비해 상대적으로 직경이 큰 기존의 원형관을 대상으로 하였으며 또한 매끈한 표면조건을 대상으로 개발 된 것이므로 이와 같은 차이가 발생된 것으로 고려된다.
- 채널 형상별 비교에서는 동일한 수력직경이지만 면적이 변화함에 따라 압력강하량이 증가하였다. 실험값은 Petukhov(4) 마찰인자 상관식과 비교하였는데 최대 47%에서 최소 4%의 절대평균 오차를 보였다.
- 14는 각 입구압력의 변화에 따른 실제 압력강하량과 Petukhov(4) 마찰인자 상관식을 이용하여 구한 계산값의 비교 결과를 나타낸 그래프이다. 아임계(subcritical) 조건인 69 bar에서 70 bar로 변할 때 압력강하량이 증가 하였으나 천이임계(Transcritical) 조건인 74 bar에서는 최고 압력강하량을 나타내는 70 bar에 비해 약 18% 감소 하였다. Fig.
- 9에 시험부의 입, 출구에서 측정된 압력을 이용하여 계산한 유체의 압력강하 실험 결과를 나타내었다. 질량유속의 증가에 따라 압력강하 또한 증가하였으며 최대 질량유속의 압력강하량은 최저 압력강하량에 비해 약 28% 높은 값을 보였다.
- 또한, 열전달계수가 최대가 되는 점은 비열이 최대가 되는 점과 매우 일치하였다. 천이임계(transcritical) 조건에서는 열전달계수가 증가하였으며 아임계(subcritical)와 초임계(supercritical) 조건에서는 최대값을 보인 이후 열전달계수가 감소하였다. 동일한 질량유속에서 채널 형상 변화에 따른 열전달계수는 Shape#2가 Shape#1에 비해 평균 21~22% 높게 나타났다.
- 동일한 질량유속에서 채널 형상 변화에 따른 열전달계수는 Shape#2가 Shape#1에 비해 평균 21~22% 높게 나타났다. 한편 각각의 채널 형상에서 질량유속의 변화에 따른 열전달계수의 차이는 평균 4~5% 차이로 큰 차이를 보이지 않았다.
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