[논문]물의 증발잠열을 이용하는 미니채널 열교환기의 실험적 연구

이형주; 유영준; 민성기

문제 정의

또한, 열전달 효율이 높은 비등 현상을 이용함으로써 상대적으로 적은 열전달면적으로 고온부의 열을 흡수할 수 있으므로, 열교환장치 자체의 크기를 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 물의 증발잠열을 이용한 새로운 형태의 미니채널 열교환기의 제작 및 시험결과를 제시하였다.
따라서, 본 연구는 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 공간과 중량의 제한이 있는 이동 시스템에 열교환기를 장착함에 있어서 가능한한적은 양의 저온부 냉매로 일정 시간 동안 고온 부로부터 전달되는 열량을 흡수할 수 있도록 저온부 냉매의 증발 잠열을 이용하는 미세유로형 열교환기를 개발하는 것을 목적으로 한다. 특히, 물(또는 물 혼합물)을 저온부 냉매로 이용하는 경우 큰 비열과 증발잠열로 인해 적은 양을 탑재하고도 많은 열을 흡수할 수 있으므로 필요한 냉매의 양을 획기적으로 감소시킴으로써 냉매를 보관하거나 순환시키는데 필요한 중량과 공간을 절약할 수 있다.
또한, 열전달 효율이 높은 비등 현상을 이용함으로써 상대적으로 적은 열전달면적으로 고온부의 열을 흡수할 수 있으므로, 열교환장치 자체의 크기를 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 물의 증발잠열을 이용한 새로운 형태의 미니채널 열교환기의 제작 및 시험결과를 제시하였다.

제안 방법

서로 다른 세가지 형태의 물 유로를 가지는 열교환기를 제작하여 주어진 설계조건에서 실험을 통해 서로간의 냉각성능 및 압력손실 효과를 확인하였다. 고려된 세가지 형태의 물 유로 형상 중 Type 2만이 실제 식각에 의한 제작 결과 아무 문제가 발견되지 않았으며, Type 1과 3의 경우에는 완전식각이 불가능하여부분식각으로 처리하여 제작하였다. 세가지 형태의 열교환기에 대한 실험 결과 설계조건에서는 완전식각된 Type 2 열교환기의 공기 냉각성능이 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 따라서 향후 제작성 및 성능을 고려하면 Type 2를 채택하는 것이 타당할 것으로 생각된다.
첫 번째 시험조건을 기준으로 공기 및 물 유량을 20%씩 증가시키고 공기 공급 온도를 40 °C 상승시킨 조건을 두 번째 시험조건으로 설정하였으며, 세 가지 파라미터 각각에 대해 두 조건을 조합하면 총 8가지 경우로 시험 조건이 결정되지만, 본 연구에서는 그 중 Table 3에 나타낸 바와 같이 4가지 경우에 대한 실험을 실시하였다. 따라서 물 유로가 다른 세 가지 형태의 열교환기에 대해 Table 3의 네 가지 조건으로 실험을 수행하였으므로 다음 절에서는총 12회의 시험결과를 제시하였다.
5와 같이 식각 후 유로를 형성하는 구조물의 살 두께가 너무 가늘어서 설계된 형상을 유지하지 못하고 구조물이 처짐 및 비틀림으로 변형되는 문제점이 발견되었다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 Type 1 및 Type 3물 유로판은 반식각(half- etching)으로 처리하여 유로의 형태가 설계된 대로 유지되도록 조치하였다.
본 연구에서는 물의 증발잠열을 이용한 새로운 형태의 미니채널 열교환기의 제작 및 시험결과를 제시하였다. 서로 다른 세가지 형태의 물 유로를 가지는 열교환기를 제작하여 주어진 설계조건에서 실험을 통해 서로간의 냉각성능 및 압력손실 효과를 확인하였다. 고려된 세가지 형태의 물 유로 형상 중 Type 2만이 실제 식각에 의한 제작 결과 아무 문제가 발견되지 않았으며, Type 1과 3의 경우에는 완전식각이 불가능하여부분식각으로 처리하여 제작하였다.
서론에서 언급했듯이 본 증발열교환기는 항공기용 환경조절장치 탑재를 목적으로 개발 중인 구성품으로서, 적용 시스템의 열교환기에 대한 요구성능 분석결과 다음 Table 1과 같은 운용 조건을 도출하였다. 표에 보이는 바와 같이 두가지 대표적인 운용 조건에 대해 출구 공기온도 요구조건은 물 증발온도에 근접한 110 °C로 설정되었다.
8과 같이 시험장치를 구성하였다. 압전식 (piezo-electric type) 압력센서와 K-type 열전대를 이용하여 공기 입출구 및 물 입출구 온도와 압력을 계측하였고, 저유량 계측용 유량계들로 각각의 유량을 측정하였다. 데이터 획득은 이동식 계측시스템인 YOKOGAWA MV1024 모델을 이용하여 초당 2개(2 Hz)의 데이터를 획득하여 저장하였다.
6과 같이 물 유로- 격판 - 공기 유로 - 격판의 순으로 반복 적층하여 제작된다. 이 때 적층 수는 설계시 각 채널당 공기유량에 따라 결정되는데, 본 연구에서는 Table 1의 성능 요구조건을 만족하는 열교환기의 1/3 축소형 모델을 제작하기로 결정하여 총적층수 5층으로 제작하였다. 제작에 사용된 각 유로판 및 격판은 알루미늄 재질이며 고온 제작로에서 브레이징으로 접합하였다.
2 ㎜로 모두 1 ㎜ 내외이므로 미니채널로 볼 수 있다. 주어진 설계 조건과 장착 공간을 만족시키는 미니채널 열교환기의 상세설계 과정은 별도로 정리해서 발표할 예정이며, 본 논문에서는 생략하기로 한다.
첫 번째 시험조건을 기준으로 공기 및 물 유량을 20%씩 증가시키고 공기 공급 온도를 40 °C 상승시킨 조건을 두 번째 시험조건으로 설정하였으며, 세 가지 파라미터 각각에 대해 두 조건을 조합하면 총 8가지 경우로 시험 조건이 결정되지만, 본 연구에서는 그 중 Table 3에 나타낸 바와 같이 4가지 경우에 대한 실험을 실시하였다.
한편, 본 연구에서는 물의 증발에 의한 열교환 효과가 저온측 유로 형상에 따라 얼마나 영향받는지를 실험적으로 확인하기 위하여 아래의 Fig. 3과 같이 고정된 형상의 유로 판에 채널의 수와 경로를 조정하여 서로 다른 세가지 형상의 유로를 설계하였다.

대상 데이터

압전식 (piezo-electric type) 압력센서와 K-type 열전대를 이용하여 공기 입출구 및 물 입출구 온도와 압력을 계측하였고, 저유량 계측용 유량계들로 각각의 유량을 측정하였다. 데이터 획득은 이동식 계측시스템인 YOKOGAWA MV1024 모델을 이용하여 초당 2개(2 Hz)의 데이터를 획득하여 저장하였다.
이 때 적층 수는 설계시 각 채널당 공기유량에 따라 결정되는데, 본 연구에서는 Table 1의 성능 요구조건을 만족하는 열교환기의 1/3 축소형 모델을 제작하기로 결정하여 총적층수 5층으로 제작하였다. 제작에 사용된 각 유로판 및 격판은 알루미늄 재질이며 고온 제작로에서 브레이징으로 접합하였다. Fig.

성능/효과

고려된 세가지 형태의 물 유로 형상 중 Type 2만이 실제 식각에 의한 제작 결과 아무 문제가 발견되지 않았으며, Type 1과 3의 경우에는 완전식각이 불가능하여부분식각으로 처리하여 제작하였다. 세가지 형태의 열교환기에 대한 실험 결과 설계조건에서는 완전식각된 Type 2 열교환기의 공기 냉각성능이 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 따라서 향후 제작성 및 성능을 고려하면 Type 2를 채택하는 것이 타당할 것으로 생각된다. 그러나 고온조건에서의 실험 결과 Type 1의 성능이 뛰어난 것으로 확인되었으므로 향후 고온조건의 운용을 고려할 경우에는 Type 1에 대한 추가의 성능 및 특성 확인시험을 수행하여 Type 1에 대한 보다 면밀한 분석이 필요하다.
따라서 현재로서는 수치 자체의 의미보다는 세가지 모델에 대한 상대비교의 의미를 가지며, 향후 실제 크기의 열교환기에 대하여 정확한 압력손실 값을 확인해야 한다. 실험 결과 공기측 압력손실은 모든 경우에 대해서 열교환기 Type 2가 가장 낮은 것으로 확인되 었다. 그런데 모든 열교환기는 같은 공기측 유로 판을 가지고 있으므로 이 결과는 공기측 열교환기의 형상에 따른 차이가 아니라, Type 2의 냉각 성능이 가장 우수하여 내부 평균 공기온도가 가장 낮기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.
Figure 15에는 각 시험조건 및 열교환기 타입에 따른 물측 압력손실이 비교되어 있다. 예상했던 바와 같이 물 유로면적이 가장 넓은 Type 2의 압력손실이 가장 적음을 알 수 있으며, 수증기가 과열되어 배출되는 Case III과 IV의 경우에도 출구 압력이 3 kPa 미만인 것으로 보아 수증기 배출에는 전혀 문제가 없음을 알 수 있다. 한편 부분식각된 Type 1과 3을 비교해 보면 Type 1의 유로가 단순하기 때문에 수증기 배출이 상대적으로 원활하여 압력손실이 훨씬 적음을 알수 있다.

후속연구

세가지 형태의 열교환기에 대한 실험 결과 설계조건에서는 완전식각된 Type 2 열교환기의 공기 냉각성능이 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 따라서 향후 제작성 및 성능을 고려하면 Type 2를 채택하는 것이 타당할 것으로 생각된다. 그러나 고온조건에서의 실험 결과 Type 1의 성능이 뛰어난 것으로 확인되었으므로 향후 고온조건의 운용을 고려할 경우에는 Type 1에 대한 추가의 성능 및 특성 확인시험을 수행하여 Type 1에 대한 보다 면밀한 분석이 필요하다. 본 연구를 통해 공간과 중량의 제한이 있는 이동시스템 내에서 유한한시간동안 외부로부터 냉매의 추가 공급 없이 많은 열을 흡수해야 하는 경우 사용 가능한 물의 증발잠열을 이용한 미니채널 열교환기 개념이 실제로 구현 가능함을 실험적으로 확인하였으며, 향후 공기 및 물유로 최적화 설계와 실물 크기의 열교환기 제작 및 실험을 수행하여 실제 환경조절장치의 적용성을 면밀히 평가할 예정이다.
그러나 본 열교환기 실험에서 계측된 압력손실은 미니채널에서의 순수한 압력손실이 아니라 입출구 포트를 포함한 전체 압력손실이므로, 대부분의 압력 손실은 축소형 모델 제작에 따른 축소형 입출구 포트 크기에 기인한다. 따라서 현재로서는 수치 자체의 의미보다는 세가지 모델에 대한 상대비교의 의미를 가지며, 향후 실제 크기의 열교환기에 대하여 정확한 압력손실 값을 확인해야 한다. 실험 결과 공기측 압력손실은 모든 경우에 대해서 열교환기 Type 2가 가장 낮은 것으로 확인되 었다.
그러나 고온조건에서의 실험 결과 Type 1의 성능이 뛰어난 것으로 확인되었으므로 향후 고온조건의 운용을 고려할 경우에는 Type 1에 대한 추가의 성능 및 특성 확인시험을 수행하여 Type 1에 대한 보다 면밀한 분석이 필요하다. 본 연구를 통해 공간과 중량의 제한이 있는 이동시스템 내에서 유한한시간동안 외부로부터 냉매의 추가 공급 없이 많은 열을 흡수해야 하는 경우 사용 가능한 물의 증발잠열을 이용한 미니채널 열교환기 개념이 실제로 구현 가능함을 실험적으로 확인하였으며, 향후 공기 및 물유로 최적화 설계와 실물 크기의 열교환기 제작 및 실험을 수행하여 실제 환경조절장치의 적용성을 면밀히 평가할 예정이다.
한편 부분식각된 Type 1과 3의 성능 비교 결과 공기 공급온도가 160 °C인 경우에는 Type 3이 우수하지만 200°C 로 상승한 경우에는 Type 1이 더 우수하다. 이는 입구 공기온도가 고온으로 올라갈수록 Type 1이 우수함을 의미하므로 고온조건에서 운용시에는 추가시험을 통해 그 원인을 확인할 필요가 있다.
그리고, 동일하게 부분식 각(half-etching)된 Type 1과 3을 비교해 보면 공기 입구온도가 160 °C일 때에는 Type 3가, 200°C일 때에는 Type 1이 각각 더 나은 냉각 성능을 보이고 있다. 특히 Case IV의 경우에는 세가지 종류 중에서 Type 1이 가장 뛰어난 냉각 성능을 보이고 있는데 그 이유에 대해서는 차후에더 면밀한 분석이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온부 냉각성능에 영향을 미치는 요소로 무엇이 필수적인가?	이때 저온부 냉매의 출구온도는 열교환장치의 배치 및 설계결과에 크게 좌우되지만 어떠한 경우에도 고온부 유체의 입구 온도까지로 제한되고, 비열은 물질 자체의 물성치이므로 냉매를 결정할 때 가능한 큰것으로 선정하여야 하며, 모든 조건이 결정된 후 능동적으로 제어 가능한 유일한 변수는 냉매의 유량이 된다. 따라서 고온부 유체를 충분히 냉각 시키기 위해서는 효과적인 유로설계와 적당한 저온부 냉매의 유량이 필수적이다.
	항공기에 적용되는 환경조절장치는 무엇으로 구분할 수 있는가?	일반적으로 항공기에 적용되는 환경조절장치는 냉매의 상변화 과정을 이용하는 Vapor Cycle 방식과 엔진블리드공기의 단열팽창효과를 이용 하는 ACM(Air Cycle Machine) 적용형으로 구분될 수 있다[1-3]. 어떤 방식을 사용하든 시스템 내부에서 고온의 작동유체를 냉각하기 위한 열교환기가 필수적으로 요구되는데, 대부분의 열교환기들은 고온의 유체를 냉각하기 위해서 저온 부에 냉각용 공기 또는 별도의 냉매(예를 들면, 물)를 공급하며 열교환을 일으키는 방식을 사용한다.
	대부분의 열교환기들은 고온의 유체를 냉각할 때 무슨 방식을 사용하는가?	일반적으로 항공기에 적용되는 환경조절장치는 냉매의 상변화 과정을 이용하는 Vapor Cycle 방식과 엔진블리드공기의 단열팽창효과를 이용 하는 ACM(Air Cycle Machine) 적용형으로 구분될 수 있다[1-3]. 어떤 방식을 사용하든 시스템 내부에서 고온의 작동유체를 냉각하기 위한 열교환기가 필수적으로 요구되는데, 대부분의 열교환기들은 고온의 유체를 냉각하기 위해서 저온 부에 냉각용 공기 또는 별도의 냉매(예를 들면, 물)를 공급하며 열교환을 일으키는 방식을 사용한다.

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