정현준
(Hyun Joon Chung)
1
강훈
(Hoon Kang)
1
김용찬
(Yongchan Kim)
1†
이광진
(Kwangjin Lee)
2
이동균
(Dongkyun Lee)
2
이원희
(Wonhee Lee)
2
신완순
(Wan-Soon Shine)
3
-
고려대학교 기계공학부
(Department of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul, 02841, Republic of
Korea)
-
LIG 넥스원
(Mechanical Engineering R&D lab, LIG Nex1, SeongnamSi, 13488, Republic of Korea)
-
국방과학연구소
(Agency for Defense Development, Daejeon, 34186, Republic of Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
에틸렌 글리콜 수용액(Ethylene-glycol water), 열전달(Heat transfer), 판형 열교환기(Plate heat exchanger), 압력강하(Pressure drop)
기호설명
A：전열 면적 [m2]
b：전열판 골 깊이 [mm]
Bo：Boiling 수 [-]
Cp：비열 [J/kg·K]
Dh：수력직경 [m]
ΔP：차압 [kPa]
ΔTLMTD：대수평균 온도차 [℃]
f：마찰계수 [-]
G：질량유속 [kg/m2-s]
h：대류 열전달계수 [W/(m2·K)]
k：열전도도 [W/m·K]
m：질량유량 [kg/s]
Nu：Nusselt 수 [-]
P：압력 [kPa]
L：전열판 길이 [mm]
W：전열판 너비 [mm]
그리스문자
β：쉐브론 각도 [°]
φ：확장인자, 전개면적/투영면적
ρ：밀도 [kg/m3]
λ：전열판 골 간격 [mm]
μ：점성계수 [N·s/m2]
하첨자
EG：에틸렌글리콜 수용액
i：입구
l：액상
Pr：Prandtl 수 [-]
Q：열전달량 [W]
Re：Reynolds 수 [-]
T：온도 [℃]
U：총괄 열전달계수 [W/(m2·K)]
m：평균
o：출구
r：냉매
w：물
wall：벽면
1. 연구배경 및 목적
최근 전자 및 기계기술이 발전함에 따라 전자부품들은 정보처리의 고속화뿐 아니라 소형화 및 경량화 되는 방향으로 발전되어 왔으며, 이에 따라 내부에서
발생하는 단위 체적당 발열량도 계속 증가되어 왔다.
(1) 발열량이 증가되어 장비 내부의 온도가 증가하면, 수많은 전자부품으로 구성된 전체 시스템은 전자적인 연결이 불안정하게 되어 신뢰성이 감소한다. 따라서
장비의 신뢰성을 위해서는 전자부품에서 발생되는 열을 효율적으로 외부로 방출시키는 것이 필수적이며, 이를 위해 여러 냉각 기술이 개발되어 왔다. 공기를
이용한 냉각 방식은 다른 방식들에 비해 경제적이며 적용이 쉽기 때문에 주로 사용된다. 그러나, 외부공기에 섞여 유입되는 먼지가 장비 내부에 쌓이면
이로 인해 회로에 단선이 생기거나, 공기유로가 막혀 열 방출 효율이 감소하기 때문에, 세심한 관리가 요구되는 정밀 장비에서는 수냉각 방식이 주로 사용되고
있다. 이러한 수냉각 방식에서 전자장비로부터 흡수한 열은 추가적인 냉동사이클의 증발기에서 냉매와의 열교환을 통해 외부로 방출된다. 수냉각 방식에서
열전달 유체로 물을 사용하는 경우 영하의 온도에서 결빙이 발생하고 이로 인해 내부 유로가 막히는 문제가 발생하기 때문에, 사용온도가 영하로 내려가는
조건에서는 어는 온도가 낮고 끓는 온도가 높은 우수한 열적 물성치를 가지고 있는 에틸렌글리콜 수용액이 많이 사용된다.
(2)
냉동사이클의 증발기로는 고효율 고밀도 열교환기인 판형 열교환기가 주로 사용된다. 판형 열교환기는 다른 열교환기에 비해 가격이 저렴하고 크기도 1/5
이하로 작으며 열교환 효율도 높기 때문에 19세기 말에 처음 개발된 이후로 사용범위가 확대되고 있다.
(3) 판형 열교환기의 구조는 순서대로 적층된 전열판으로 구성되며, 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 열전달은 각각의 전열판과 전열판 사이에 형성되는 유로를
통해서 두 유체가 교대로 흐르며 발생한다. 전열판에 성형되는 주름 형상은 전열면적을 증대시키기는 역할을 함과 동시에, 판의 강도 증가를 통하여 압력차가
발생할 때 전열판의 간격을 유지시키는 역할을 한다.
판형 열교환기에서 유체의 열전달 및 압력강하에 대한 연구는 오랫동안 지속되어 왔다. Gut과 Pinto
(4)는 전열판의 형상, 유로 특성에 따른 열전달 및 압력강하 특성에 대한 연구를 제시하였다. Longo와 Gasparella
(5)도 Wilson plot 방법을 이용하여 질량 유속, 열 유속, 포화 증발 온도, 그리고 출구조건에 따른 열전달 특성을 고찰하였다. 판형 열교환기내
증발열전달 특성 해석의 정확성에 있어 Joachim
(6)은 대수온도차에 대한 수정계수r를 제시하였으며, Dutto
(7)와 Fernando
(8)는 증발기에서의 열전달을 증발구간과 과열구간으로 나누어 변형된 대수온도차 법을 제시하였다.
그러나, 판형 열교환기에서 에틸렌글리콜 수용액의 열전달 성능 특성에 관한 기존 연구는 거의 없기 때문에 에틸렌글리콜 수용액을 이용한 판형 열교환기의
설계는 어려운 상황이다. 본 연구에서는 에틸렌글리콜의 열전달 및 압력강하 성능특성을 분석하기 위하여, 에틸렌글리콜 수용액을 주 유체로, R410A
냉매를 이차유체로 사용하는 판형 열교환기를 갖는 냉동사이클의 실험장치를 설계 및 제작하였다. 실험장치를 이용하여 에틸렌글리콜 수용액의 유량, 온도,
그리고 농도에 따른 성능특성을 분석하였고 이를 물의 성능특성과 비교하였다. 또한, 계산된 에틸렌글리콜 수용액의 열전달 및 마찰계수를 이용하여 새로운
실험상관식을 제시하였다.
2. 실험장치 및 방법
Fig. 1은 연구에 사용된 대항류 판형 열교환기 형상으로, 전열판 개수 20장에 너비(W) 78 mm, 높이(L) 172 mm, 전열판 골 깊이(b) 2 mm,
쉐브론 각(β) 45°로 제작되었다.
Table 1은 판형 열교환기의 상세사양을 나타낸다.
Fig. 1. Schematic view of the plate heat exhanger.
Table 1. Geometrical characteristics of the plate heat exchanger
|
Parameters
|
Values
|
|
Plate material
Plate length, L(mm)
Plate width, W(mm)
Unit Heat exchanging area A(m2)
Corrugation type
Angle of chevron β(o)
Corrugation amplitude, b(mm)
Corrugation pitch, λ(mm)
Number of plates
Channels on refrigerant side
Channels on EG side
|
304 Stainless steel
172
78
0.014
Herringbone
45
2.0
8.0
20
9
10
|
Fig. 2는 본 연구에서 사용된 에틸렌글리콜 수용액의 성능 평가 장치를 나타낸다. 항온조에는 전력제어기(Silicon Controlled Rectifier)가
연결된 히터가 설치되어 전자장비에서 발생되는 열량을 모사하여 판형 열교환기 입구에서의 에틸렌글리콜 수용액 온도를 조절하였다. 에틸렌글리콜 수용액의
유량은 정속운전 펌프와 레귤레이터를 이용하여 제어하였다. 냉동사이클은 왕복동식 압축기, 핀튜브 열교환기 방식 응축기, 판형 열교환기 방식 증발기,
전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve)로 구성되었다. 압축기는 정속운전을 하였으며, 냉매유량의 제어를 위한 전자팽창밸브는 스텝모터와
니들밸브로 구성되었으며 최대 개도는 500 스텝이다. 응축기의 팬 회전수는 인버터로 제어하여 냉매의 온도와 압력을 조절하였다. 증발기로 사용된 판형
열교환기는 냉매 R410a와 에틸렌글리콜 수용액이 대항류로 흐르면서 열교환을 하도록 구성하였다. 시스템의 여러 변수에 따른 판형 열교환기에서의 열전달특성을
알아보기 위해 주요 요소기기의 입․출구 위치에 압력센서와 온도센서를 설치하여 온도 및 압력을 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 응축기 출구에 질량유량계를
장착하여 시스템의 냉매유량을 측정하였다.
Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup.
히터의 열량은 디지털 파워미터(WT310-F-C2, accuracy ±0.1%)로 측정하였다. 열교환기 압력강하는 열교환기 입·출구에 설치한 차압계(EJ110,
accuracy ±0.065%)를 이용하여 측정하였다. 시험부 입·출구와 수액기 입구, 그리고 가열히터의 입구에서 냉매의 온도를 온도센서(Omega
A class, accuracy ±0.05℃)를 이용하여 측정하였다. 시험부 내 냉매와 에틸렌글리콜 수용액의 유량은 여과기를 거쳐 각각 냉매측 질량유량계(Yokogawa,
RCCX34, 0~977 kg/hr, accuracy ±0.52%)와 에틸렌글리콜 수용액측 질량유량계(Yokogawa, AXF0254, 0~100
kg/hr, accuracy ±0.35%)로 측정하였다. 측정장비 오차분석을 통하여 예측한 열전달계수의 오차는 약 ±2.7%이며 압력강하의 오차는
±0.5%였다.
실험은 냉매의 입구온도는 5.0℃, 입구건도는 0.3으로 유지한 상태에서 에틸렌글리콜 수용액과 물의 입구온도를 12.0~30.0℃, 유량을 4.9~26.8
lpm까지, 에틸렌글리콜 수용액의 농도를 30%와 55%로 변화시키며 수행하였다. 실험과정에서 냉매의 출구온도를 일정하게 유지하기 위하여 냉매의 유량을
조절하였으며,
Table 2에 실험조건을 나타내었다. 실험의 신뢰성을 확인하기 위하여 냉매측과 에틸렌글리콜 수용액측의 열전달량을 비교하였으며, 각각의 열전달량은 ±3.0% 이내에서
일치하였다.
Table 2. Experimental conditions
|
Parameters
|
Values
|
|
Inlet temperature of EG [℃]
|
12.0 to 30.0
|
|
Volumetric flow rate of EG [lpm]
|
4.9 to 26.8
|
|
Composition of EG [%]
|
30 to 55
|
|
Inlet quality of R410a [-]
|
0.3
|
|
Inlet temperature of R410a [℃]
|
5.0
|
3. 실험데이터 처리
총괄열전달계수를 계산하기 위해서 에틸렌글리콜 수용액측 열전달량은
식(1)을 적용하여 구하였다.
총괄 열전달계수는 대수평균 온도차 방법인
식(2)로 나타낼 수 있다.
식(2)의 총괄 열전달계수는 에틸렌글리콜 수용액과 냉매의 열전달계수와 전열판의 전도도를 이용하여
식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
냉매측 열전달계수는 Hsieh와 Lin
(9)이 제안한
식(4)와
식(5)로부터 계산된다.
상대적으로 작은 열전도 항을 무시하면 에틸렌글리콜 수용액측 열전달계수는
식(6)으로부터 구한다.
에틸렌글리콜 수용액의 마찰계수는
식(7)로부터 구한다.
실험결과로부터 얻은 계산에 필요한 냉매 및 부동액의 물성은 EES 프로그램을 통해서 구하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 열전달 성능특성
에틸렌글리콜 수용액과 물의 입구 온도를 15.0℃로 고정하고 유량을 변화시키며 열전달 특성을 관찰하였다.
Fig. 3에서 나타난 바와 같이 에틸렌글리콜 수용액 유량이 증가함에 따라 총괄 열전달계수와 에틸렌글리콜 수용액 측 열전달계수는 모두 증가하였다. 이는 유량이
증가함에 따라 유체의 속도가 증가하여 난류도가 증가하고 열전달이 활발히 이루어지기 때문이다. 에틸렌글리콜 수용액의 농도가 증가함에 따라 밀도와 점성은
모두 증가하지만 밀도의 증가보다 점성의 증가가 더 크기 때문에 점성력의 영향이 증가하게 된다. 이로 인해, 동일한 유량에서 에틸렌글리콜 수용액의 농도가
증가할수록 열전달계수는 감소하였다. 또한, 유량이 증가함에 따라 농도에 따른 열전달계수의 차이는 더 크게 나타난다. 유량이 약 5.0 lpm인 경우에
30% 및 55% 에틸렌글리콜 수용액의 열전달계수는 각각 1,234.8 W/m
2-K 및 852.2 W/m
2-K로서 물의 열전달계수인 1,642.5 W/m
2-K보다 각각 24.8% 및 48.1% 작지만, 유량이 약 25.0 lpm인 경우에는 각각 3,952.5 W/m
2-K 및 2,663.5 W/m
2-K로서 5,668.32 W/m
2-K보다 각각 26.8% 및 50.7% 작게 나타난다.
Fig. 3. Variations of (a) overall and (b) EG side heat transfer coefficients with inlet flow rate.
온도에 따른 열전달계수의 영향을 알아보기 위하여 유량을 10.0 lpm으로 고정하고 입구 온도를 12.0℃에서 30.0℃까지 변화시키며 실험을 수행하였다.
Fig. 4는 입구 온도에 따른 총괄 열전달계수와 물과 에틸렌글리콜 수용액 측 열전달계수를 나타낸다. 온도가 증가함에 따라 밀도와 점성은 모두 감소하지만 점성의
감소가 더 크게 나타나기 때문에 점성력의 영향은 감소하게 된다. 이로 인해, 물과 에틸렌글리콜 수용액 측 열전달계수는 온도가 증가함에 따라 증가하게
되고, 총괄 열전달계수도 증가하는 경향을 나타낸다. 동일한 온도에서 에틸렌글리콜 수용액의 농도가 증가할수록 점성력의 영향이 증가하여 열전달계수는 감소한다.
입구 온도 12.0℃에서 30% 및 55% 에틸렌글리콜 수용액의 열전달계수는 각각 1,997.6 W/m
2-K 및 1361.5 W/m
2-K로서 물의 열전달 계수인 2,604.7 W/m
2-K보다 각각 23.3% 및 47.7% 작게 나타난다. 입구 온도 30.0℃에서 30% 및 55% 에틸렌글리콜 수용액의 열전달계수는 물의 열전달계수에
비해 각각 23.8% 및 47.5% 작게 나타나 입구 온도의 변화에 따른 열전달계수의 차이는 크게 나타나지 않음을 알 수 있었다.
Fig. 4. Variations of (a) overall and (b) EG side heat transfer coefficients with inlet temperature.
Nusselt 수를 예측하는 기존의 상관식은 Nu = C1Re
C2Pr
C3의 형태로 나타나며 C3은 (1/3)의 값을 갖는다.
(10) 에틸렌글리콜 수용액의 열전달계수 계산에 있어서 Mulley와 Manglik
(10)의 상관식의 정확성을 확인하기 위하여
Fig. 5에 Nu/Pr
1/3를 Reynolds 수에 대하여 나타내었다. 에틸렌글리콜 수용액의 농도는 30%에서 55%까지, 입구 온도는 12.0℃에서 30.0℃까지, 그리고
유량은 4.9 lpm에서 26.8 lpm까지 변화시키며 데이터를 취득하였다. 동일한 Reynolds 수에서 에틸렌글리콜 수용액의 Nu/Pr
1/3은 농도에 관계없이 유사한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 그러나 물의 Nu/Pr
1/3은 에틸렌글리콜 수용액의 Nu/Pr
1/3에 비하여 더 작은 값을 나타내며 그 차이가 Reynolds 수가 증가함에 따라 점점 증가하는 경향을 나타내었다. 이로 인해 에틸렌글리콜 수용액의
열전달계수 상관식은 Mulley와 Manglik의 상관식과 다른 C3 값을 가지져야 함을 알 수 있었다.
Fig. 5. Variation of Nu/Pr1/3 with Reynolds number.
4.2 압력강하 성능 변화 실험
Fig. 6은 유량에 따른 물과 에틸렌글리콜 수용액의 압력강하량을 나타내며, 유량이 증가함에 따라 유속이 증가하여 물과 에틸렌글리콜의 압력강하량이 모두 증가하였다.
에틸렌글리콜 수용액의 농도가 증가함에 따라 밀도가 증가하여 질량유량이 증가하고 점성 또한 증가한다. 이로 인해, 에틸렌글리콜 수용액의 압력강하량은
물보다 크게 나타나며, 에틸렌렌글리콜 수용액의 농도가 증가함에 따라 압력강하량은 증가하는 경향을 나타낸다. 또한, 온도가 증가함에 따라, 동일한 유량에서의
압력강하량은 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 밀도가 감소하여 질량유량이 감소하였기 때문으로 판단된다.
Fig. 6. Variation of pressure drop with flow rate.
Fig. 7은 Reynolds수에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. 에틸렌글리콜 수용액의 농도는 30%에서 55%까지, 입구 온도는 12.0℃에서 30.0℃까지,
그리고 유량은 4.9 lpm에서 26.8 lpm까지 변화시키며 데이터를 취득하였다. 에틸렌글리콜 수용액의 마찰계수는 동일한 Reynolds수에서 농도에
관계없이 유사한 값을 나타내지만, 물의 마찰계수보다는 큰 값을 나타낸다. 이를 통해, 에틸렌글리콜 수용액의 마찰계수를 예측하기 위해서는 새로운 상관식의
개발이 필요함을 알 수 있었다.
Fig. 7. Variation of friction factor with reynolds number.
4.3 열전달 및 압력강하 상관식
열전달 및 압력강하 실험결과를 바탕으로 상관식을 개발하였다. Muley와 Manglik
(10)의 열전달 및 압력강하 상관식을 기반으로 실험으로 얻은 데이터를 이용하여 에틸렌글리콜 수용액의 상관식을 개발하였으며 이를
식(8)과
식(9)에 나타내었다.
Fig. 8은 본 연구에서 제안된 열전달계수 상관식을 실험 데이터와 비교한 것이다. 제안된 상관식은 실험값과 비교하였을 때 90% 이상의 데이터가 ±10% 이내에서
일치하였다.
Fig. 9는 제안된 마찰계수 상관식을 실험 데이터와 비교한 그림으로 95% 이상의 데이터가 ±10% 이내에서 일치하였다.
Fig. 8. Comparison of the correlation for Nusselt number with the measured data.
Fig. 9. Comparison of the correlation for friction factor with the measured data.
5. 결 론
본 연구에서는 판형 열교환기에서 에틸렌글리콜 수용액의 운전변수인 온도, 농도, 그리고 질량유속 조건을 변화시켜가며 열전달계수 및 압력강하 특성을 실험적으로
고찰하였고 새로운 상관식을 제시하였다.
(1) 유량이 증가함에 따라 유속이 증가하여 난류의 정도가 더 심해지기 때문에 열전달계수 및 압력강하량이 증가한다.
(2) 농도가 증가할수록 열전달계수는 감소하고 압력강하량은 증가하는 경향을 보인다. 농도가 증가함에 따라 밀도와 점성이 모두 증가하지만, 점성의 증가가
더 크기 때문에 점성력의 영향이 증가하여 열전달계수는 감소하고 압력강하량이 증가한다.
(3) 실험결과를 바탕으로 판형 열교환기에서 에틸렌글리콜 수용액의 응축열전달계수 및 압력강하 상관식을 제시하였다. 제안한 상관식과 실험결과를 비교한
결과 90% 이상의 데이터가 실험결과가 오차범위 10% 이내의 범위에 존재하였다.
후 기
본 연구는 LIG Nex1과 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(No. 2017202010 8580)을 받아 수행한 연구과제입니다.
References
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