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문제 정의
- 본 실험에서 항온조는 저온 유체 및 고온 유체를 원하는 온도로 일정하게 유지하기 위해 사용하였다. 작동유체는 DI-Water를 사용하였고 마이크로 채널은 단면적이 매우 작으므로 이물질 방지를 위해 1㎛까지 여과할 수 있는 필터를 사용하였다.
- 본 연구에서는 직관 채널과 3차원 공간상 혼합 유동을 고려 할 수 있는 S 형상의 마이크로 채널을 가진 마이크로 판형열교환기에 대하여 열전달 및 압력강하를 실험하였다. 정상상태에서 대향류유동조건 아래 물을 작동유체로 사용하였고, 직관형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 총 25장을 적층하였고, S 형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 13장, 25장을 적층하여 제작하였다.
- 직관채널과 S 형상의 마이크로 채널을 이용한 마이크로 채널 판형열교환기를 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 특성 및 압력강하를 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- (1) S 형상의 마이크로 채널과 직관채널을 금속박판에 식각을 통해 제작하였으며 고진공 브레이징 접합기술을 이용하여 마이크로 판형열교환기를 제작하였다.
- Rachkovskij et al.(2)은 마이크로채널을 갖는 열교환기를 20개의 단으로 쌓아 제작한 직교류(Cross Flow) 열교환기에 대한 연구를 하였는데 작동유체를 공기 대 공기로 하고 온도차가 5℃로 매우 작은 경우에도 4,200kW/m3℃의 체적 열전달계수(Volumetric heat transfer coefficient)를 얻었다. Choi et al.
- 직관형상의 마이크로 채널은 단면식각을 이용하여 금속박판을 제작하였다. S 형상의 마이크로 채널로 식각된 판과 역 S 형상으로 식각된 판이 서로 맞닿도록 양면식각을 하였다.
- 각 채널 및 엔드플레이트의 접합기술은 고진공 브레이징 기술을 이용하여 일체형 마이크로 열교환기를 제작하였다. Fig.
- 저온 순환부에 레이놀즈수 200에 해당하는 조건으로 유량이 흐르도록 고정하였으며 열교환기의 저온측 입구 온도는 20℃로 하였다. 고온순환부로 들어가는 작동유체의 입구 온도는 50℃로 하였으며 레이놀즈수 150~300범위에 해당하는 유량조건을 부여하여 마이크로 채널 판형 열교환기의 열전달 및 압력강하에 대한 실험 결과에 대하여 관찰하였다.
- 따라서 채널의 형상을 바꾸어 유동이 혼합에 의해 난류화 되도록 한다면 보다 높은 열전달 성능을 나타낼 것이다. 난류가 발생되는 형상을 갖는 마이크로 채널을 만들기 위해서는 2차원의 평면상에서만 채널의 형상을 변화시키는 것 보다 3차원 공간상에서 채널의 형상 변화를 고려해보는 것이 효과적이라 판단하여 S 형상의 마이크로 채널을 제작하였다. 마이크로 채널형상은 젖음 식각(Wet etching)방법을 이용하여 금속박판을 제작하였다.
- 일정한 유량을 보내주기 위해 정량펌프를 사용하였고 대부분 다소간 맥동을 가지고 유량을 보내주기 때문에 맥동 방지를 위해 댐퍼를 사용하였다. 마이크로 채널 판형열교환기를 통과하는 저온 유체의 입구와 출구, 고온유체가 통과하는 입구와 출구에 각각 T형 열전대(Thermocouple)를 사용하여 온도를 측정하였다.
- 직관 채널형상은 단면 식각으로 분리판 없이 전열판만을 적층하였고 S 형상의 마이크로 채널 판형열교환기는 전열판과 분리판으로 구성되었다. 마이크로 채널에 유체를 공급하기 위한 관을 설치하기 위하여 적층한 양부분에 스테인레스강의 엔드플레이트(End plate)를 결합하고 유체의 유입관 및 유출관을 연결하였다.
- 실험을 시작하기 전에 설정된 온도로 펌프의 최대유량을 열교환기의 고온측과 저온측에 장시간 흐르게 하였다. 열교환기의 설치시 실험장치내로 들어간 기포를 제거할 수 있도록 하였으며 이 과정 중 실험장치에 누설이 없는지 검사하였다. 그리고 모든 정량펌프의 유량과 항온조의 온도가 실험조건에 맞도록 설정한 후 정상상태 조건에 도달했다고 판단되면 데이터를 수집하였다.
- 정상상태에서 대향류유동조건 아래 물을 작동유체로 사용하였고, 직관형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 총 25장을 적층하였고, S 형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 13장, 25장을 적층하여 제작하였다. 일정한 작동온도에서 마이크로 채널형상과 적층수, 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 분석하였다.
- 본 실험에서 항온조는 저온 유체 및 고온 유체를 원하는 온도로 일정하게 유지하기 위해 사용하였다. 작동유체는 DI-Water를 사용하였고 마이크로 채널은 단면적이 매우 작으므로 이물질 방지를 위해 1㎛까지 여과할 수 있는 필터를 사용하였다. 일정한 유량을 보내주기 위해 정량펌프를 사용하였고 대부분 다소간 맥동을 가지고 유량을 보내주기 때문에 맥동 방지를 위해 댐퍼를 사용하였다.
- 4 에 나타내었다. 저온 입구측에 레이놀즈수 200에 해당하는 유량조건을 주었고 고온입구측은 레이놀즈수 150~300의 범위로 변화를 주어 총괄열전달계수에 대한 변화를 관찰하였다. 대향류 조건하에서 총괄열전달계수는 레이놀즈수 300일 경우 S 형상에 대해 전열판 6장은 약 9071 W/m2K이고 전열판 12장은 7265W/m2K 로 전열판 6장이 전열판 12장보다 더 높은 값을 나타내었다.
- 저온 유체는 항온조로부터 펌프, 댐퍼를 지난 후 필터를 통과한다. 필터를 통과한 후 마이크로 채널 판형열교환기를 지나며 열 교환을 한 후 유량계를 거쳐 항온조로 다시 돌아와 재순환 하도록 구성하였다. 고온 유체도 같은 방법으로 순환하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 열교환기의 설치시 실험장치내로 들어간 기포를 제거할 수 있도록 하였으며 이 과정 중 실험장치에 누설이 없는지 검사하였다. 그리고 모든 정량펌프의 유량과 항온조의 온도가 실험조건에 맞도록 설정한 후 정상상태 조건에 도달했다고 판단되면 데이터를 수집하였다. 열교환기의 입구 및 출구의 각 온도 값이 평균값으로부터 0.
- 작동유체는 DI-Water를 사용하였고 마이크로 채널은 단면적이 매우 작으므로 이물질 방지를 위해 1㎛까지 여과할 수 있는 필터를 사용하였다. 일정한 유량을 보내주기 위해 정량펌프를 사용하였고 대부분 다소간 맥동을 가지고 유량을 보내주기 때문에 맥동 방지를 위해 댐퍼를 사용하였다. 마이크로 채널 판형열교환기를 통과하는 저온 유체의 입구와 출구, 고온유체가 통과하는 입구와 출구에 각각 T형 열전대(Thermocouple)를 사용하여 온도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 직관 채널과 3차원 공간상 혼합 유동을 고려 할 수 있는 S 형상의 마이크로 채널을 가진 마이크로 판형열교환기에 대하여 열전달 및 압력강하를 실험하였다. 정상상태에서 대향류유동조건 아래 물을 작동유체로 사용하였고, 직관형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 총 25장을 적층하였고, S 형상의 마이크로 채널을 가지는 금속박판은 13장, 25장을 적층하여 제작하였다. 일정한 작동온도에서 마이크로 채널형상과 적층수, 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 분석하였다.
- 마이크로 채널형상은 젖음 식각(Wet etching)방법을 이용하여 금속박판을 제작하였다. 직관형상의 마이크로 채널은 단면식각을 이용하여 금속박판을 제작하였다. S 형상의 마이크로 채널로 식각된 판과 역 S 형상으로 식각된 판이 서로 맞닿도록 양면식각을 하였다.
데이터처리
-
4.1 무차원 변수
수집한 데이터는 산술 평균하여 평균값을 대표값으로 하였다
. 마이크로 판형 열교환기의 수력직경과 레이놀즈수는 식(1)과 식(2)로부터 구할 수 있다.
이론/모형
- 난류가 발생되는 형상을 갖는 마이크로 채널을 만들기 위해서는 2차원의 평면상에서만 채널의 형상을 변화시키는 것 보다 3차원 공간상에서 채널의 형상 변화를 고려해보는 것이 효과적이라 판단하여 S 형상의 마이크로 채널을 제작하였다. 마이크로 채널형상은 젖음 식각(Wet etching)방법을 이용하여 금속박판을 제작하였다. 직관형상의 마이크로 채널은 단면식각을 이용하여 금속박판을 제작하였다.
성능/효과
- (2) S 형상의 마이크로 채널이 직관채널보다 열전달률이 크게 상승하였다. S 형상의 경우 서로 뒤집어져 맞붙어있는 형상으로 전열면적의 증가와 함께 유동이 상하좌우 형태로 흘러 유동 혼합으로 열전달이 상승하였다.
- (3) Nu수 비교를 통해 S 형상의 마이크로 채널이 직관채널보다 2~3배정도 높게 나타났다. 이는 S 형상이 전도에 의한 열전달보다 대류에 의한 열전달이 크기 때문에 열전달 성능이 우수하다고 판단되어진다.
- Choi et al.(3)은 마이크로채널의 층류유동에 대한 연구에서 내경이 10 ㎛이하 크기를 갖는 경우, 마찰계수와 Re의 곱이 기존의 이론에서 얻어지는 값인 64와는 다른 결과인 53을 얻었다. 또한 난류유동에 대하여 f=0.
- (4) S 형상의 경우 전열판 6장보다 전열판 12장의 마이크로 판형열교환기가 높은 압력강하량 나타내었다. 또한, 직관채널의 전열판 12장보다 높은 압력강하를 나타내었다.
- 5에 나타내었다. S 형상의 전열판 12장이 직관 채널의 전열판 12장보다 전열면적의 증가로 더 높은 열전달률을 나타내었다. S 형상의 마이크로 채널의 경우 동일한 레이놀즈수 적용을 위해 전열판 12장은 체적유량이 0.
- 마이크로 채널 판형 열교환기의 가장 큰 특징으로 볼 수 있는 최소의 용적으로 최대 전열 면적을 얻을 수 있고 기존에 사용 되어져 왔던 상용크기의 열교환기에 비해 부피 면에서 상당히 작은 크기로 줄일 수 있다. 따라서, 기존의 열교환기가 차지하고 있었던 공간을 획기적으로 축소시킬 수 있어 시스템 전체의 소형화와 경량화에 도움을 줄 수 있다. 마이크로 채널 판형 열교환기는 금속박판을 여러 층으로 쌓아 진공 브레이징(Vacuum brazing)으로 제작했기 때문에 높은 압력에도 견딜 수 있고 또한 고압 운전에도 가능하다는 장점을 가지고 있다.
- (3)은 마이크로채널의 층류유동에 대한 연구에서 내경이 10 ㎛이하 크기를 갖는 경우, 마찰계수와 Re의 곱이 기존의 이론에서 얻어지는 값인 64와는 다른 결과인 53을 얻었다. 또한 난류유동에 대하여 f=0.140Re-0.182인 결과를 얻었고 이 상관관계는 Blasius에 의한 이론치보다 10~30% 정도 작은 결과를 제시하였다. 마이크로채널을 이용한 열교환기의 압력강하에 대한 연구 Gromoll(4)은 공기를 작동유체로 마이크로채널 냉각기에서 체적유량의 증가에 따라 압력강하가 선형적으로 증가함을 보였으며, 체적유량이 0.
- 대향류 조건하에서 총괄열전달계수는 레이놀즈수 300일 경우 S 형상에 대해 전열판 6장은 약 9071 W/m2K이고 전열판 12장은 7265W/m2K 로 전열판 6장이 전열판 12장보다 더 높은 값을 나타내었다. 또한, 직관 채널의 경우보다 전열면적의 증가로 인해 S 형상의 채널이 높은 총괄 열전달계수를 나타내었다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 총괄 열전달계수의 증가폭이 서로 증가한다는 것을 알 수 있고 S 형상의 채널에 대해 전열판 6장이 전열판 12장보다 약 1446.
- 7에 나타내었다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 압력강하량이 크게 증가하였으며 S 형상의 전열판 12장이 가장 높은 압력강하량을 나타내었다. S 형상에서 전열판이 증가할수록 압력이 크게 증가하는 이유는 마이크로 채널 내에서 동일한 레이놀즈수로 설정하여 많은 유량이 유입되어져 상승한다.
- 또한, 직관 채널의 경우보다 전열면적의 증가로 인해 S 형상의 채널이 높은 총괄 열전달계수를 나타내었다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 총괄 열전달계수의 증가폭이 서로 증가한다는 것을 알 수 있고 S 형상의 채널에 대해 전열판 6장이 전열판 12장보다 약 1446.5W/m2K로 총괄열전달계수가 높게 나타났다. 전열판 12장에 대해 열전달 촉진을 기대하였으나 전열면적이 작은 전열판 6장보다 총괄열전달계수가 낮다는 것은 채널의 특성상 형상비에 대한 유체혼합의 열전달 촉진효과보다 전체 질량유량이 크고 입 출구의 온도차가 높다는 결과이다.
- 마이크로 채널 판형 열교환기의 가장 큰 특징으로 볼 수 있는 최소의 용적으로 최대 전열 면적을 얻을 수 있고 기존에 사용 되어져 왔던 상용크기의 열교환기에 비해 부피 면에서 상당히 작은 크기로 줄일 수 있다. 따라서, 기존의 열교환기가 차지하고 있었던 공간을 획기적으로 축소시킬 수 있어 시스템 전체의 소형화와 경량화에 도움을 줄 수 있다.
- 열교환기의 입구 및 출구의 각 온도 값이 평균값으로부터 0.2℃이상 변하지 않고 고온부 및 저온부의 유량이 평균값에서 ±2% 이상 변하지 않으며 저온측과 고온측의 입 출구 온도로 계산한 열량의 평균값과 ±5% 이하의 차이를 보이면 정상상태로 판단하였다.
- 전열판 12장에서 더 높은 열전달률을 갖는 것은 마이크로 채널내의 유동혼합으로 여러 채널을 통과하여 열전달을 촉진시킨 원인으로 볼 수 있다. 전열판 증가수와 비례하게 열전달률은 전열판수 12장이 6장보다 두 배로 증가하였다.
후속연구
- 기존의 직관 마이크로 채널 열교환기는 채널을 지나는 유동이 마이크로 단위의 특성길이를 가지므로 직관채널을 지나는 유체의 속도가 큰 경우에도 그 유동의 형태는 층류가 되어 대류의 효과가 줄어드는 단점을 가지고 있다. 따라서 채널의 형상을 바꾸어 유동이 혼합에 의해 난류화 되도록 한다면 보다 높은 열전달 성능을 나타낼 것이다. 난류가 발생되는 형상을 갖는 마이크로 채널을 만들기 위해서는 2차원의 평면상에서만 채널의 형상을 변화시키는 것 보다 3차원 공간상에서 채널의 형상 변화를 고려해보는 것이 효과적이라 판단하여 S 형상의 마이크로 채널을 제작하였다.
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