3.1 실험장치

Fig. 4에 실험장치의 개략도를 나타내었다. 시험부는 직경 150 mm, 길이 350 mm의 동관으로 제작되어 일단에는 시험전열관이 장착되고 다른 단에는 관측창을 설치하여 비등현상을 관측하고 수위를 계측할 수 있도록 하였다. 시험부에서 증발한 증기는 상부에 위치한 응축기에서 응축된 후 시험부 하부로 되돌아온다. 응축기는 쉘-튜브형 열교환기로 관 내측에는 3 RT급 항온수조로부터 공급되는 브라인이 흐르며 관 외측의 냉매증기를 응축시킨다. 실험은 터보냉동기용 증발기의 작동온도인 포화온도 4.4℃에서 수행되었다.

Fig. 4. Schematic drawing of the test apparatus.

시험 전열관의 상세도가 Fig. 5에 보여진다. 전열관의 비등성능을 알기 위해서는 관벽 온도를 측정하여야 한다. 관벽온도는 일반적으로 관벽에 열전대를 심고 이로부터 측정된 온도를 외삽하여 구한다. 하지만 실제 성형가공관의 경우는 관벽 두께가 얇고 관 내측에 조도가 형성되어 있기 때문에 열전대를 장착할 수 없다. 본 연구에서는 전열관 내측을 드릴링하여 평활 표면으로 만들고 환형 동봉을 전열관 내측에 끼워 맞춤하여 열전대를 설치하였다. 환형 동봉 외측에는 은납을 코팅하고, 끼워 맞춤 후 은납을 녹여 두 관의 접촉을 강화하였다. 시험 후 전열관을 커팅하여 접촉 상태를 확인한 결과 만족할 만 하였다. 시험 전열관의 내측에는 외경 13.45 mm의 히터를 장착하였다. 히터는 발열부가 시험 전열관과 길이와 일치하도록 특별 제작하였다. 히터 삽입시 전열관과 히터 사이에는 thermal epoxy를 발라 열전달이 원활히 이루어지도록 하였다. 또한 시험 전열관의 앞 뒤는 테프론 마개와 링으로 측부 열손실을 최소화하였다. 열전대 구멍은 시험부 상부로부터 1.3 mm 떨어진 지점에 직경 1.0 mm, 깊이 85 mm로 상하좌우 네 곳에 가공되었다. 구멍에 열전대를 삽입할 때는 열전대를 thermal epoxy에 충분히 묻힌 후 삽입하여 열전대와 구멍 사이에 빈 공간이 없도록 하였다. 냉매 액의 온도와 증기온도는 각각 두 곳씩 네 곳에서 측정하였다. 액의 온도는 전열관 상하 각각 20 mm 떨어진 곳에서, 증기온도는 시험부 상부에서 측정되었는데 시험 중 이 네 온도는 0.2℃ 이내에서 일치하였다. 또한 압력 트랜스듀서로 측정된 압력으로부터 환산된 포화온도와 비교하였을 때 이들은 0.3℃ 이내에서 일치하였다. 온도 측정은 직경 0.13 mm의 가는 Cu-Co 열전대로 이루어졌다.

Fig. 5. Detailed sketch of the test tube.

3.2 실험방법

비등 현상은 전열 표면의 상태에 매우 민감하게 반응하므로 매 실험시 표면의 상태를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 Bergles and Chyu(23)가 제안한 방법을 따랐다. 우선 시험 전열관을 최대 열유속(약 50 kW/m²)에서 한 시간 가량을 비등시켜 전열관과 액 중의 잔류가스를 제거한 후 열유속을 천천히 0 kW/m²까지 감소시킨다. 다음 30분간 냉동기를 가동시켜 포화온도를 4.4℃로 유지시킨다. 그 후 시험 전열관의 열유속을 천천히 증가시켜 최대 열유속까지 증가시킨다. 최대 열유속에서 정상상태가 되면 벽면 온도와 포화액, 포화증기온도 그리고 포화압력을 측정한다. 이 후 열유속을 감소시켜가며 온도와 압력을 측정한다. 열유속을 변화시킨 후 정상상태까지는 대략 5분 정도 소요되었다. 시험 중 액의 수위는 전열관 상부 5 cm를 유지하도록 하였다. 시험 전열관은 시험 전 아세톤으로 깨끗이 닦은 후 실험에 임하였다. 본 실험에서 시험 전열관의 관 벽 온도는 관 내벽에 심은 4곳의 열전대로부터 측정된 온도를 외삽 하여 구하였다. 관 벽 온도를 정확하게 알기 위해서는 가능한 한 많은 곳에서 온도를 측정하면 좋지만, 이 경우 열전대 구멍을 너무 많이 가공하면 관의 열전도에 영향을 미치므로 일반적으로 서너 군데에서 측정한다. 관 벽 온도 측정 시 한 가지 유의해야 할 사항은 관의 길이 방향으로의 온도 변화이다. 관 양단에서는 측부 열손실에 따라 관 벽 온도가 다소 내려갈 수 있다. 이를 확인하기 위하여 열전대 위치를 길이 방향으로 변화시키며 온도 변화를 측정하였는데 열전대의 위치가 열전달계수에 미치는 영향은 6% 이내로 무시할 만 하였다. 따라서 본 연구에서는 열전대를 관의 중심부에 위치하고 온도를 측정하였다. 본 실험에서 열전달계수는 다음 식으로 정의된다.

여기서 T_w는 관 벽 온도를 평균 낸 값이고 T_sat은 포화액과 증기의 온도를 평균 낸 값이다. 열전달 면적 A는 전열관의 최외각직경 D로 정의되는 공칭면적(A = πDL)을 사용하였다. 실험의 오차해석을 Kline and Mclintock(24)의 방법에 따라 수행하였다. 열전달계수의 오차는 열유속 40 kW/m²에서 ±3.2%, 10 kW/m²에서 ±7.4%가 되었다.

4.1 평활관

실험의 신뢰도를 확인하고 성형가공관과의 비교를 위하여 평활관에 대한 실험을 수행하였다. 평활관의 경우 표면을 가는 사포(입도 1,000)로 갈아 일정한 표면 거칠기가 되도록 하였다. 일반적으로 구리관의 표면은 검붉은 색을 띄고 있는데 이는 표면이 공기 중의 산소와 반응하여 산화막을 형성하기 때문이다. 이 표면을 사포로 갈아내면 반짝이는 구리 표면이 되는데, 이 경우 비등성능은 산화막이 형성된 후의 비등성능과 다를 수 있다.(25) 본 연구에서는 산화막의 영향을 살펴보기 위하여 사포질한 평활관에 대하여 반복 실험을 수행하였는데 시간이 갈수록 비등성능이 감소하다 수 일 후에야 일정한 값을 유지하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 비등표면을 충분히 산화시킨 후 실험에 임하였다.

Fig. 6에 포화온도 4.4℃에서 평활관의 비등성능이 나타나있다. 또한 실험자료를 Cooper(26)의 상관식과 비교하였다. 이 그림은 Cooper 상관식이 실험결과를 적절히 예측하는 것을 보여준다. Cooper의 상관식은 다음과 같다.

Fig. 6. Smooth tube heat transfer coefficients compared with those by Cooper(25)correlation.

여기서 m = 0.12 - 0.2 log₁₀R_ρ이며 R_ρ = 0.3 μm를 사용하였다.

4.2 성형가공관

Fig. 7에 성형가공관의 열전달계수를 나타내었다. 실험은 포화온도 4.4℃에서 수행되었다. 이 그림은 2,047 fpm 전열관의 열전달계수가 가장 큼을 보여준다. 그 이유는 핀 밀도와 미세 공동의 형상 때문으로 판단된다. 2047 fpm 전열관의 핀 밀도는 5종의 전열관 중 가장 크다. 핀 밀도가 증가하면 이에 비례하여 미세 기공의 개수도 증가하게 된다. 또한 Fig. 3(a)는 2,047 fpm 전열관에 핀 사이 간격 0.21 mm인 미세 기공이 잘 형성되어 있음을 보여준다. 두 번째로 큰 열전달계수는 1,890 fpm 전열관에서 얻어졌다. 이 관의 핀 밀도는 5종의 전열관 중 두 번째로 크다. Fig. 7은 1,890 fpm 전열관의 열전달계수 증가율이 높은 열유속에서 현저히 감소함을 보여준다. 이는 미세 기공의 크기가 작은 경우에 나타나는 현상이다.(5,6) 성형가공관에서 증기는 미세 기공 하부의 터널에서 액막의 증발에 의해 형성되고 이 증기는 미세 공동을 통해 기포 형태로 배출된다.(8,9) 미세 기공의 크기가 너무 작으면 증기의 배출이 원활치 않아 터널에 드라이 아웃이 생겨 열전달계수가 감소한다. 반대로 미세 기공의 크기가 너무 크면 터널에 액체의 공급이 너무 많아 열전달계수가 감소된다.(6,7) 따라서 최적의 미세 기공 크기가 존재하게 된다. table 1에 나타나 있듯이 1,890 fpm 전열관의 핀 사이 간격은 0.17 mm로 5종의 전열관 중 가장 작다. Kim and Choi(12)는 삼차원 조도를 가진 성형가공관에 대한 일련의 시험을 통하여 최적 핀 사이 간격은 냉매의 종류에 따라 다르고 R-134a의 경우 0.1 mm임을 보고하였다. 이 값은 본 연구 성형가공관의 핀 사이 간격(0.17 mm~0.37 mm) 보다 작다.

Fig. 7. Heat transfer coefficients of the structured enhanced tubes.

1575 fpm 전열관의 열전달계수는 5종류의 전열관 중 가장 낮게 나타났다. 이는 1,575 fpm 전열관의 핀 밀도가 가장 작고 미세공동의 크기도 0.36 mm로 상대적으로 커 기포 형성이 원활하지 않기 때문이다. 특히 높은 열유속에서는 평활관보다도 열전달계수가 작게 나타났다. 이는 높은 열유속에서 기포 이탈이 원활하지 않기 때문으로 유추되는데 그 원인은 명확치 않다. 1654 fpm 전열관 두 종류에서 핀 사이 간격은 0.37 mm와 0.34 mm로 유사하고 핀 높이는 0.58 mm와 0.84 mm로 서로 다르다. Fig. 7은 두 전열관의 열전달계수가 유사함을 보여준다. 이로부터 핀 높이가 삼차원 조도관의 풀비등 성능에 미치는 영향은 미미함을 유추할 수 있다. 열유속 10 kW/m2에서 2,047 fpm 전열관의 열전달계수는 평활관보다 5.5배 크고 1,890 fpm 전열관은 2.6배, 1,654 fpm 두 종류 전열관은 2.0배와 1.7배, 1,575 fpm 전열관의 열전달계수는 평활관의 값과 유사하다.

Fig. 8에 본 연구의 최적 성형가공관의 열전달계수와 기존 상용 성형가공관의 열전달계수를 비교하였다. 이 그림은 본 성형가공관의 열전달계수가 Thermoexel-E, Gewa-B보다는 작고 Turbo-B, Gewa-SE와 유사함을 보여준다. Thermoexel-E와 GEWA-B의 핀 밀도는 1,968 fpm이고 Turbo-B는 1,650 fpm, GEWA-SE는 1,024 fpm이다. 본 연구의 성형가공관은 핀 밀도가 2047 fpm로 Thermoexel-E, GEWA-B보다 다소 큼에도 불구하고 열전달계수는 작다. 이는 본 연구 성형가공관의 핀 사이 간격이 최적화되지 않았기 때문으로 판단된다. 본 연구 성형 가공관의 핀 사이 간격은 0.21 mm로 Kim and Choi(12)가 제시한 1.0 mm보다는 상당히 크다.

Fig. 8. Heat Transfer coefficients of the 2047 fpm tube compared with those of commercial enhanced tubes.