1. 서론

최근 들어, 밀집형 열교환기의 성능 향상 및 예측을 위해 열교환기 내 헤더에서의 유동 분배에 대한 관심이 높아지고 있다. 보통의 경우, 열교환기 각 유로 내 유량이 균일하지 않고, 심할 경우 유체가 흐르지 않는 유로도 존재하게 되어 의도한 열교환기의 성능을 발휘할 수 없게 된다. 이와 같은 유동 분배 문제와 관련한 연구는 근래에 활발히 연구가 수행되었으며, Lee,(1) Lee and Lee,(2) Webb and Chung,(3) Hrnjak(4)은 이 분야에 대한 전반적인 리뷰 논문을 발표하였다. Dairo(5)의 리뷰 논문에서는 근래에 활발히 수행된 유동분배와 관련된 실험 조건과 결과를 정리하였는데 간략이 정리하면, 유동 분배에는 헤더의 기울기(수직, 수평),(6) (7) (8) 채널의 기울기(수직, 수평),(6) (7) 헤더의 단면적크기,(9) 헤더의 입구부 단면 형상,(10) (11) 채널 돌출길이,(12) (13) 헤더내 유량 입력 위치 등이 유동분배에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 그 외에 헤더 크기, 입구유량, 채널의 수, 길이 및 채널간격(13) 등이 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

이러한 기존 연구에서 보듯이 헤더에서의 2상 유동 분배는 헤더의 형상뿐만 아니라 입구 유동 조건 등 많은 인자들의 영향을 받고, 헤더 내 유동형태에 따른 분배 메커니즘을 명확히 밝혀내지 못했기 때문에 여전히 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 특히 동일한 열교환기라도 설치에 따라 헤더-채널의 각도변화는 다양하게 나타나며, 동일 헤더-채널 모델에 대한 헤더-채널의 각도변화가 유동분배에 어떠한 영향을 주는 지에 대한 전반적인 연구가 부족한 실정이다. 이에 Lee(15)는 헤더-채널 각도변화의 다양한 운용조건에 대해 실험을 수행하였고, 같은 입구 조건에 대해 VM-HC(Vertical Main-Horizontal Channel)형태가 유동분배의 균일도가 높음을 보고하였다.

이에 본 연구에서는 기존 연구(15)에서 더 나아가 헤더내의 유동 분배를 개선하기 위해 수직헤더-수평채널에 대해 채널 돌출길이가 유동분배에 미치는 영향이 크다는 연구(12) (13)를 바탕으로 헤더-채널 각도와 채널의 돌출길이를 변화시키며 실험을 수행하고, 헤더 각도와 채널의 돌출길이에 대한 영향을 종합적으로 분석하여 균일 유동을 얻을 수 있는 조건을 제안하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

Fig. 1은 실험장치의 개략도이다. 물과 공기를 작동 유체로 하였으며, 물은 펌프를 거쳐 혼합부로 유입되고, 기체는 압축기로부터 필터를 거쳐 혼합부로 유입되며 각각은 미터링 밸브(metering valve)로 양이 조절된다. 각 상은 보정된 유량계로 측정된다. 2상 유동 현상을 만들어 주기 위해 기체는 동심관 내부를 따라, 액체는 혼합부 아래 네 부분에 유입되어 동심관 외부를 따라 흘러가도록 제작되었다. 또한 헤더-채널이 회전할 수 있도록 로테이션기어(rotation gear)를 장착하였다. Fig. 2는 본 실험에서 사용한 헤더의 형상을 나타내고 있다. 단면이 정사각형이며(16 mm×16 mm, Dh = 16 mm), 유동의 가시화를 위해 아크릴로 제작하였고, 헤더와 연결된 유로는 소형 사각 유로(12 mm×1.8 mm)이며, 알루미늄으로 만들어졌다. 유로 간 거리는 9.8 mm로 헤더 단면 수력 직경보다 작다. 본 연구에서는 15개의수평 사각 유로가 수직 헤더에 연결되어 있고, 이는 대부분의 밀집형 열교환기에서, 하나의 헤더에 10~20개의 유로가 연결되어 있는 경우가 보통이기 때문이다.

Fig. 1. Experimental setup.(15)

Fig. 2. Test section.(15)

또한 헤더-채널의 위치변화에 따른 영향을 살펴보기 위해서 Fig. 3과 같이 가장 많이 사용되는 형태인 수직 헤더에 수평 채널(Case VM-HC, Fig. 3(a))과 수평 헤더 수평 채널(Case HM-HC, Fig. 3(b))로 조건을 설정하였다. 그리고, 채널의 깊이에 따른 영향을 살펴보기 위해 Fig. 4(H = 0 mm, H = 2 mm, H = 4 mm)와 같이 채널 깊이를 조정하였다. 헤더-채널의 각도변화와 채널 깊이의 영향을 알아보기 위해서 동일한 입구의 기체, 액체 유량을 입구조건으로 작동조건이 주는 영향에 대해서만 실험을 수행하였다.

Fig. 3. Operating conditions of header-channel geometry.(15)

Fig. 4. Channel intrusion depth condition of header.

유로를 지나온 물/공기 혼합물은 대기압 상태의 기/액 분리기(air/liquid separator)로 유입된다. 실제 열교환기의 경우 하류에도 헤더가 설치되어 있으나, 본 연구의 열교환기 형태와 같이 채널의 길이가 비교적 긴 경우, 하류 헤더의 영향이 유동분배에 미치는 영향이 적음을 보고하였고,(8) 본 연구에서는 대기압 상태로 두고 실험을 진행하였다. 액체의 경우 일정 시간 동안 받은 후 질량을 측정함으로써 질량 유량을 구하였다. 그리고 공기의 유량은 기액분리기의 상부에 설치된 수축노즐(converging nozzle)을 나오는 공기의 속도를 피토튜브와 연결된 마노미터(FCO12, Furness Co.)를 이용하여 측정하여 구하였다. 노즐 단면에 대한 기체 속도 변화는 0.7% 미만이었다.

기/액 혼합 유체의 입구 질량 유속은 40~150 kg/㎡s이며, 대부분의 2상 유동 불균일 문제가 증발기의 입구부에서 많이 발생함을 감안하여 건도는 0.1~0.4로 설정하였다. 이러한 범위에서 입구의 유동 양식은 환상류와 처언류를 가지며, 이는 유동가시화 및 Troniewski and Ulbrich(14)의 유동양식 선도를 통하여 확인하였다. 측정 불확실도의 경우, 기체와 액체 질량 유량의 경우 ±7%, ±5%의 오차 범위를 가진다.

3. 채널삽입깊이 변화에 따른 실험결과

3.1 수직 헤더 수평 채널(Case VM-HC)

수직 헤더 수평 채널에 대한 헤더 내부의 2상 유동의 특성 파악을 위해 동일한 입구유량에 대해서 채널 깊이를 조정해 실험을 수행하였고, 액체와 기체의 분기유량을 Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)에 나타내었다. 채널 돌출길이가 없는 경우(H = 0 mm), 헤더 상류의 경우 뒤쪽 유로로 갈수록 감소하는 경향을 보이며, 중간부터는 하류로 갈수록 다시 증가하는 반대의 경향을 가진다. 하지만 헤더의 하류 쪽에서는 다시 액체의 분기가 감소하는 경향을 볼 수 있다. 하지만 채널의 돌출길이가 커질수록 헤더의 상류에서 분기되는 액체양은 감소하며, 하류에서 분기되는 액체 약이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 기체의 유동분배는 액체 유동분배의 반대 경향을 보인다. 이러한 현상에 대한 이해를 위해, 초고속 카메라(Motion Pro Y-Series3, ITD Co.)를 사용하여 유동 가시화를 수행 하였으며(1,000 frame/sec), 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 채널 돌출길이가 없는 경우, 헤더 상류 부분에서는 하류로 갈수록 액체의 분기양이 작아지는 영역이 발생한다. 그러나 헤더 내의 액체가 헤더의 끝부분(end plate)에 부딪히며 발생하는 재순환으로 인해, 중간영역에서는 헤더 끝으로 이동하는 액체와 재순환에 의해 액체가 만나는 부분이 발생하여, 그에 의해 유량이 증가하는 경향을 가진다. 그리고 헤더 하류의 재순환이 발생하는 영역의 경우는 액체 분기가 다시 감소하는 경향을 가진다. 따라서 재순환 영역과 교란 영역(하류), 교란 및 재순환에 영향을 받지 않는 영역(상류)으로 유동의 형태를 나눌 수 있음을 알 수 있었다. 하지만 채널 돌출길이가 증가할수록 돌출된 채널로 인해 액체의 채널로의 유입이 방해를 받게 되고, 액체 분기가 잘 일어나지 않게 된다. H가 2 mm인 경우에 대해(Fig. 6(b)) 각 채널 유입 부분에 액체 유입의 방해가 관찰되고 있으며 그로인해 액체분기의 지연이 발생하게 됨을 확인할 수 있다. 채널 돌출길이가 큰 경우(H = 4 mm, Fig. Fig. 6(c)), 상류에서는 채널 입구에서 액막흐름에 대한 방해가 관찰이 되며 헤더 하류에서는 액막이 각 채널돌출길이 사이에 누적이 되면서 하류에서의 액체분기가 크게 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Effect of intrusion depth on liquid flow distribution(Case VM-HC).(15)

Fig. 6. Flow visualization of channel intrusion depth (Case VM-HC).

여러 조건에 대한 유동분배 경향을 보다 면밀히 파악하기 위해 유동분배 결과의 표준편차를 다음과 같이 정의하였고, 그 값이 적을수록 균일분배경향을 가진다고 할 수 있다.

입구 액체유량 값(W_f,in)이 유동분배에 미치는 영향이 다른 입구조건에 비해 크다는 결과(1) (2) (3) (4) (5) (15)를 바탕으로 대해서 입구 액체유량을 바꾸어가며 실험을 수행하였으며, 그 결과를 다음의 식(1)에 대입하여 유동균일도를 비교해보았다.

(1)

$\sigma =\sqrt{\raisebox{1ex}{$\left\{{\displaystyle \sum _{i=1}^N}{\left({\left(W_{p,c}\right)}_i/W_{p,in}-\overline{{\left(W_{p,c}\right)}_i/W_{p,in}}\right)}^2\right\}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.}$

(p = liquid and gas)

Fig. 7(a)의 액체에 대한 그래프를 보면 채널의 돌출이 없는 경우에 대해 2 mm인 경우(H/D_h = 1/8)의 유동분배가 균일하며, 4 mm인 경우(H/D_h = 1/4)는 유동균일도가 낮아진다. 이는 균일유동분배를 얻기 위한 최적돌출길이가 존재함을 의미하며, Lee and Lee(12)와 Lee(13)의 연구결과에서도 같은 경향을 언급하고 있다. 그에 반해 Fig. 7(b)는 기체의 표준편차를 나타내었으며, 액체의 경우와 동일한 경향을 보이나, W_f,in값의 변화에도 큰 차이가 나지 않는 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 7. Effect of inlet liquid flow rate(Case VM-HC).

3.2 수평 헤더 수평 채널(Case HM-HC)

수평 헤더-수평 채널에 대해 채널 돌출길이의 2상 유동 분배에 대한 영향을 파악하기 위해 VM-HC의 경우와 동일한 입구유량에 대해서 채널 돌출길이를 바꾸어가며 실험을 수행하였으며, 액체와 기체의 분기유량을 Fig. 8(a)관 Fig. 8(b)에 나타내었다. 채널 돌출길이가 없는 경우, 상류에서 분기되는 액체는 하류로 갈수록 감소하다가, 하류에서 다시 급증하는 것을 볼 수 있다. 채널 돌출길이가 증가하는 경우, 상류에서 분기되는 액체양은 줄어들고, 하류부분에서의 분기되는 액체양은 증가하여, 하류영역으로 액체분기량이 집중되는 것을 볼 수 있다. 또한 기체의 유동분배는 액체 유동분배의 반대의 경향을 보인다. 이러한 경향의 이유는 Fig. 9의 유동 가시화 결과를 통해 파악할 수 있는데, VM-HC의 경우와 마찬가지로 돌출된 채널은 헤더의 입구에서 유입되는 액체의 분기를 지연시킨다. 이로 인해 상류에서 분기되는 액체양이 감소하고, 상류에서 분기되지 못한 액체는 헤더 밑면을 따라서 흘러 하류의 헤더 끝부분에 축적되어 하류에서의 액체 분기량이 증가된다.

Fig. 8. Effect of intrusion depth on liquid flow distribution(Case HM-HC).(15)

Fig. 9. Flow visualization of channel intrusion depth (Case HM-HC).

입구 액체유량 값을 변화시켜 실험을 추가하였고, Fig. 10에 유동분배의 표준편차 결과를 나타내었다. 채널 돌출길이가 커질수록 분배균일도가 나빠짐을 볼 수 있으며, 이에 대한 원인은 유동가시화를 통해 살펴보았다(Fig. 9 참조). 특히 돌출길이가 없는 경우에도 하류에서의 액체 분기가 높은데, 돌출길이가 있음으로 해서 액체 분기의 지연을 더욱 높여 유동균일도가 크게 나빠진 것으로 판단된다. 따라서 HM-HC의 경우는 채널의 돌출길이외의 다른 방법을 이용하여 상류에서의 유동분배를 높이는 방향으로 분배균일도를 개선해야 할 것이다.

Fig. 10. Effect of inlet liquid flow rate(Case HM-HC).

4. 결 론

본 논문에서는 2가지 형태의 헤더-채널 각도를 가진 헤더에 대해 채널의 돌출길이가 유동분배에 미치는 영향을 실험적으로 파악하였다.

(1) 헤더-채널의 각도변화와 채널깊이가 유동분배에 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 통해서, VM-HC 경우에 대해 채널의 돌출이 유동분배균일도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 HM-HC의 경우는 채널돌출길이가 증가할 경우 유동의 불균일이 커짐을 확인 하였다.

(2) 채널의 돌출길이를 증가시킬 경우 헤더-채널의 각도변화에 관계없이 모두 헤더 하류에서 액체 분기가 집중되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 초고속 카메라를 이용한 유동가시화를 통해서 채널의 돌출길이가 액체 분기를 지연시켜 발생하는 현상을 확인 할 수 있었다.

(3) 대부분의 경우에 대해 입구 액체 유량을 증가시키는 경우 유동균일도가 나빠짐을 확인하였으며, 이는 액체의 모멘텀이 커져 하류에서의 액체분기가 증가하기 때문으로 판단된다.

(4) 향후에는 보다 다양한 헤더-채널 조건(수평 헤더-수직상향 및 수직하향 채널 등)과 입구 조건에 대한 실험을 수행하고, 유동분배 결과를 비교하여 균일한 유동분배를 비교적 많이 획득할 수 있는 헤더-채널 형상을 제시할 것이다.