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문제 정의
- 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 판들을 각 형상별로 균일하게 적층하여 제작된 마이크로 판형 열교환기에 대하여 정상상태 도달 후 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다. 정해진 일정 온도 내에서 유량 및 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 비교 분석하고자 한다.
제안 방법
- (1) 단면식각인 직관채널과 양면으로 식각하여 제작된 V, Y 형상의 마이크로 채널 판형 열교환기를 고온 전열판 6장, 저온 전열판 7장을 적층하여 진공 브레이징 접합 방법으로 제작하였다.
- 단순한 유동 패턴의 2차원적인 직관 채널 보다 3차원 공간상에서 유동 형태가 나타난다면 기존의 열교환기 보다 효율이 높은 열전달 특성을 나타낼 것이라 예상하여 제작하였다. 3차원 유동 패턴으로 위, 아래 유동장이 형성되면 2차유동 발생으로 인해 직관 채널보다 더 높은 열전달 효율을 나타내게 될 것이라 기대하여 V 형상과 Y형상의 마이크로 채널을 제작하였다. V 형상은 세브론각 80° 로 제작되었고 Y 형상은 분리 길이 700 μm, 섞임 길이 300 μm 로 제작하였다.
- 직관채널은 단면식각으로 상단부에서 200 ㎛ 깊이로 식각하였다. V, Y형상의 마이크로 채널경우 V, Y형상인 100 ㎛ 깊이로 식각된 면 반대편에 역방향으로 식각 하였다. 직관 채널은 단면으로만 식각되어져 분리판 없이 전열판 만으로도 적층이 가능하다.
- 저온 순환부에는 질량유량(Mass flow rate) 208 g/min에 해당하는 조건으로 유량이 흐르도록 고정하였으며 열교환기의 고온측 순환부 입구온도는 40℃, 저온측 순환부의 입구온도는 20℃로 실험을 수행하였다. 각 채널별 열교환기 마다 저온측 고정, 고온 측에서만 유량 변화시켜 가면서 174～1420 g/min, 레이놀즈수 63～500범위에 해당하는 유량범위의 조건으로 마이크로 채널 판형 열교환기의 열전달 성능 및 압력강하에 대한 실험 결과에 대하여 비교, 관찰하였다.
- 크게 두 부분으로 나누어 저온 유체 순환부와 고온 유체 순환부로 구성되어 진다. 고온부 유체와 저온 유체는 항온조로부터 시작하여 마이크로 펌프, 필터를 통과 후 유량계와 압력계를 거쳐 마이크로 판형 열교환기를 통과 후 다시 항온 조로 되돌아와 재순환 할 수 있도록 구성하였다. 대향류 조건으로 마이크로 판형 열교환기의 서로 반대되는 입, 출구 포트 부분을 통과하게 되며 이사이에 저온과 고온 유체의 열교환이 이루어진다.
- 직관 마이크로 채널 열교환기는 마이크로 단위 길이 특성의 유동 면적을 가지므로 직관을 지나는 유체의 속도가 빠르거나 적더라도 층류의 유동 특성을 지니고 있다. 단순한 유동 패턴의 2차원적인 직관 채널 보다 3차원 공간상에서 유동 형태가 나타난다면 기존의 열교환기 보다 효율이 높은 열전달 특성을 나타낼 것이라 예상하여 제작하였다. 3차원 유동 패턴으로 위, 아래 유동장이 형성되면 2차유동 발생으로 인해 직관 채널보다 더 높은 열전달 효율을 나타내게 될 것이라 기대하여 V 형상과 Y형상의 마이크로 채널을 제작하였다.
- 5에서와 같이 비슷한 열전달률 증가 추세를 보이며 레이놀즈수 비교에 대한 채널 형상별 수력직경 차이로 인한 변화 폭을 보이고 있다. 마이크로 채널의 단면적은 유체가 벽면에 닿은 안쪽부분의 가장 작은 면적으로 하였으며 V, Y 채널의 경우 유체와 직접 닿는 채널 핀(Pin)의 면적을 구하여 레이놀즈수를 계산하였다. 핀의 면적은 실제 형상과 같은 크기로 Solidworks 2006에서 모델링하여 계산 하였다.
- 본 연구에서는 I 형상의 직관 채널을 기준으로 2차원 평면상이 아닌 3차원 공간상에서의 혼합 효과를 고려한 마이크로 채널 V, Y 형상으로 양면 식각하여 진공 브레이징 접합기술로 제작하였다. 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 판들을 각 형상별로 균일하게 적층하여 제작된 마이크로 판형 열교환기에 대하여 정상상태 도달 후 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다.
- 3은 저온, 고온 유체의 유로 패턴과 V, Y 채널의 적층 형태를 나타낸다. 위와 같은 방식으로 각입, 출구의 유로 공간은 한 장씩 서로 다른 방향으로 엇갈려 적층한 후 엔드플레이트(End plate)를 결합하고 유입관 및 유출관 포트를 연결 하였다. 엔드플레이트를 결합한 이유는 입, 출구 연결 부분의 용이함과 마이크로 열교환기의 구조적 강도를 높이기 위해서이다.
- 엔드플레이트를 결합한 이유는 입, 출구 연결 부분의 용이함과 마이크로 열교환기의 구조적 강도를 높이기 위해서이다. 이렇게 배열된 마이크로 채널 판은 게스킷(Gasket)을 사용하지 않고 진공 브레이징(Vacuum brazing)을 이용하여 접합해서 마이크로 채널 판형 열교환기를 제작 하였다. 진공 브레이징은 섭씨 450° 이상의 녹는점 온도를 가진 용가재를 사용하여 진공상태에서 모재의 녹는점 이하의 열을 가하여 모재를 접합한다.
- 특히 낮은 유량에서는입, 출구 부분에 낮은 압력과 시스템 연결부의 높이 차로 인하여 발생하는 요인으로 유량이 빠져나가지 못하고 역류 하거나 정체되는 현상을 관찰 할 수 있다. 이를 방지하기 위해 마이크로 펌프에서 보내는 유량을 미세 조절 할 수 있는 밸브와 역류를 방지하기 위하여 체크(Check) 밸브를 설치하였다.
- 대향류 조건으로 마이크로 판형 열교환기의 서로 반대되는 입, 출구 포트 부분을 통과하게 되며 이사이에 저온과 고온 유체의 열교환이 이루어진다. 입, 출구 연결부 사이마다 압력계와 T형 열전대 (Thermocouple)를 설치하여 열교환이 이루어지는 전, 후의 온도와 압력을 측정하였고 저온부에는 압력계, 고온부 에는 차압계를 설치하여 작동유체의 유, 출입 시 생기는 압력차를 측정하였다. 작동유체는 DI-Water를 사용 하였고 마이크로 채널 특성상 채널 단면적이 매우 작으므로 막힘을 방지하기 위해 1 ㎛까지 여과 할 수 있는 마이크로 필터를 사용하였다.
- 입, 출구 연결부 사이마다 압력계와 T형 열전대 (Thermocouple)를 설치하여 열교환이 이루어지는 전, 후의 온도와 압력을 측정하였고 저온부에는 압력계, 고온부 에는 차압계를 설치하여 작동유체의 유, 출입 시 생기는 압력차를 측정하였다. 작동유체는 DI-Water를 사용 하였고 마이크로 채널 특성상 채널 단면적이 매우 작으므로 막힘을 방지하기 위해 1 ㎛까지 여과 할 수 있는 마이크로 필터를 사용하였다. 밸브로 유량을 조절할 수있는 동관 연결부위 사이에 체크 밸브를 고온, 저온부에 각각 설치하였다.
- 4에 나타내었다. 저온 입구의 유량은 208 g/min 에 해당하는 유량에 맞춰 흐르게 하였으며, 고온 입구측 에서는 174～1420 g/min, 레이놀즈수 63～500범위에 해당하는 유량범위로 변화 시켜가며 열전달률에 대한 변화를 관찰하였다. 직관 채널과 V, Y 형상 채널의 전열판 적층수는 모두 동일하게 비교하였으며 직관 채널의 경우에서 유량이 174 g/min인 경우 열전달률은 122 W로 가장 낮은 열전달률을 나타내었다.
- 작동 유체가 흐르는 모든 연결 부위는 6mm 동관을 사용하였으며 열손실을 고려하여 모두 단열 처리하였다. 저온, 고온부의 펌프 유량을 조절하고 항온조의 온도가 실험 조건에 맞도록 설정된 후 정상 상태에 도달하였다고 판단되면 데이터를 수집하기 시작하였다. 저온 순환부에는 질량유량(Mass flow rate) 208 g/min에 해당하는 조건으로 유량이 흐르도록 고정하였으며 열교환기의 고온측 순환부 입구온도는 40℃, 저온측 순환부의 입구온도는 20℃로 실험을 수행하였다.
- 직관채널과 세브론각 80°의 V 형상, 분리길이 700 μm, 섞임길이 300 ㎛ 의 Y 형상 채널 마이크로 판형 열교환기를 질량유량비 및 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 I 형상의 직관 채널을 기준으로 2차원 평면상이 아닌 3차원 공간상에서의 혼합 효과를 고려한 마이크로 채널 V, Y 형상으로 양면 식각하여 진공 브레이징 접합기술로 제작하였다. 고온부 채널 6장과 저온부 채널 7장, 총 13장의 마이크로 채널 판들을 각 형상별로 균일하게 적층하여 제작된 마이크로 판형 열교환기에 대하여 정상상태 도달 후 대향류 조건 아래 물을 작동 유체로 실험을 수행하였다. 정해진 일정 온도 내에서 유량 및 레이놀즈수 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 비교 분석하고자 한다.
데이터처리
-
4.1 무차원 변수
수집한 데이터는 산술 평균하여 평균값을 대표 값으로 하였다
. 마이크로 판형 열교환기의 수력직경과 레이놀즈수는 식(1)과 식(2)로부터 구할 수 있다.
이론/모형
- V 형상은 세브론각 80° 로 제작되었고 Y 형상은 분리 길이 700 μm, 섞임 길이 300 μm 로 제작하였다. 채널은 젖음식각(Wet etching)방법을 이용하여 금속박판에 채널 형상을 제작하였다. 직관채널은 단면식각으로 상단부에서 200 ㎛ 깊이로 식각하였다.
- 마이크로 채널의 단면적은 유체가 벽면에 닿은 안쪽부분의 가장 작은 면적으로 하였으며 V, Y 채널의 경우 유체와 직접 닿는 채널 핀(Pin)의 면적을 구하여 레이놀즈수를 계산하였다. 핀의 면적은 실제 형상과 같은 크기로 Solidworks 2006에서 모델링하여 계산 하였다. V, Y채널의 전열면적이 직관채널보다 넓고 3차원 유동으로 위, 아래 혼합 형태로 채널을 통과하기 때문에 열전달 성능이 직관채널보다 높게 나타난 결과이다.
성능/효과
- (2) Y 형상의 마이크로 채널이 가장 우수한 열전달 성능을 나타내었다. 직관 채널의 마이크로 판형 열교환기와 비교시 V, Y 형상의 채널을 가진 마이크로 판형열교환기가 약 1.
- (3) 각 채널별 동일유량으로 압력강하량 비교시 직관채널이 가장 높은 압력강하량을 나타내었다. V, Y 형상 채널보다 낮은 전열면적과 직관 형태의 단순한 유로 패턴으로 입, 출입 속도차에 의한 압력강하 손실이 V, Y 형상보다 더 크게 작용하였음으로 판단된다.
- (4) 레이놀즈수와 압력강하량 비교를 통해 Y 형상 채널이 V 형상보다 약간 높은 압력강하량을 보이며 직관 채널이 가장 낮은 압력강하량을 나타냈다. 레이놀즈수 비교시 형상별 수력직경 길이 변화로 인하여 유량결과 비교시와 현저한 결과 차이를 나타낸다.
- 이는 채널을 일직선으로 펴놓은 상태라고 가정하여 비교 하였을 때 V, Y 채널이 직관채널보다 길며 또한 형상이 복잡한 이유로 유체가 통과하는 속도는 직관채널보다 느리다. 모든 동일 유량의 조건으로 비교 할때 V, Y 채널의 3차원적인 유동패턴의 형상으로 유체가 위, 아래를 통과시 생기는 압력강하 손실과 직관채널특성의 짧고 단순한 유동 흐름으로입, 출구를 통과하는 빠른 유체의 속도차에 기인하여 생기는 압력강하 손실이 더 크다는 결과를 나타내고 있다. 유량 증가와 함께 압력강하량은 더욱 큰 차이를 보였다.
- 저온 입구의 유량은 208 g/min 에 해당하는 유량에 맞춰 흐르게 하였으며, 고온 입구측 에서는 174～1420 g/min, 레이놀즈수 63～500범위에 해당하는 유량범위로 변화 시켜가며 열전달률에 대한 변화를 관찰하였다. 직관 채널과 V, Y 형상 채널의 전열판 적층수는 모두 동일하게 비교하였으며 직관 채널의 경우에서 유량이 174 g/min인 경우 열전달률은 122 W로 가장 낮은 열전달률을 나타내었다. 유량의 증가에 따라 517 g/min 까지 뚜렷한 열전달 상승률을 보이지만 이후 점차 완만하게 상승한다는 결과는 마이크로 채널 특성상 층류에 대한 영향이 크다는 것을 짐작할 수 있다.
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