기호설명

1. 서 론

에어컨, 냉장고, 화학 공정, 식품 건조기 등 여러 분야에서 열의 이송을 위해 휜-튜브 열교환기가 널리 사용되고 있다. 이 열교환기의 표면 온도가 어는점 이하일 때, 공기 내 수분이 표면에 응결되어 성에로 형성된다. 성에는 시간이 지남에 따라 열교환기 표면에 축적되어 성능을 악화시킨다. 성장한 성에는 공기측의 유로를 막아 압력손실을 증가시키고⁽¹⁾ 풍량을 감소시킨다.⁽²⁾ 또한 공기와 냉매 사이의 추가적인 열저항으로 작용하여 열교환기의 성능을 감소시킨다.⁽³⁾ 이러한 부정적인 영향은 시스템에서 팬과 압축기의 소비전력 증가를 초래한다.⁽⁴⁾ Yang et al.⁽⁵⁾과 Byun et al.⁽⁶⁾의 실험에 의하면 성에가 축적됨에 따라 열교환기의 열전달률과 시스템 COP가 대략적으로 각각 50%, 30%까지 감소하는 것으로 나타났다. 심지어 착상의 부정적인 영향이 심각해지면 높은 토출 온도와 낮은 흡입 압력에 의해 압축기가 파손되어 시스템이 더 이상 작동하지 않을 수 있다.⁽⁷⁾

착상에 의한 성능 악화를 줄이고 파손을 방지하기 위해 주기적으로 제상 과정이 수행되어야 한다. 그러나 제상 과정 동안에는 냉각하지 못할 뿐만 아니라 성에를 녹이기 위해 에너지가 요구되므로 빈번한 제상 과정의 수행은 시스템의 성능을 저하시킨다. 이 문제를 해결하기 위해 성에의 성장을 지연시킬 수 있는 발수 코팅 기술이 주목받고 있다. 발수 코팅 기술은 표면 에너지를 변화시킴으로써 표면과 물 사이의 접촉각을 변화시키는 표면 처리 방법이다. 이 방법은 성에 성장에 영향을 줄 뿐만 아니라 외부 전원이 필요 없고 제상 효율이나 응축수 배출에도 유리한 것으로 알려져 있다.⁽⁸⁾

표면 특성에 따른 성에의 변화는 대부분 두께와 밀도를 중요한 지표로 하여 비교되고 있다. 성에의 두께는 표면과 공기 사이의 열저항과 공기의 유동저항을 변화시킨다. 그리고 성에의 밀도는 성에의 열전도도를 변화시키고 제상 시 열전달에 영향을 미친다. 평판에서 실험한 기존 연구들에서 이 두 지표를 비교하였을 때, 표면 특성에 따른 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았다. Sommers et al.⁽⁹⁾의 실험에서 발수 표면은 친수 표면보다 성에 두께를 더 두껍게 성장하도록 하였으며 Seki et al.⁽¹⁰⁾의 실험에서는 발수 표면이 친수 표면보다 성에 두께를 더 얇게 성장하도록 하였다. 그리고 Liu et al.⁽¹¹⁾에서는 표면 특성에 따른 성에 두께의 차이가 거의 나타나지 않았다. Wang et al.⁽¹²⁾ 실험은 특이한 결과를 보여주었다. 성에 성장이 동시에 시작된 다른 연구들과 다르게 이 실험 결과는 발수 표면에서 성에 성장의 시작이 상당히 지연되었다.

평판이 아니라 열교환기에서도 연구들이 수행되었다. 대부분 자연 대류 조건에서 실험한 평판 실험 결과와 다르게 열교환기 실험은 비교적 고풍속 조건에서 실험이 수행되었다. 그리고 열교환기는 평판에 비해 공기측 유로 형상이 복잡할 뿐 아니라 성에가 공기와 먼저 닿는 전면 부의 앞 열에서 성에가 많이 성장하는 에지 효과(leading-edge effect)가 두드러지게 나타난다. 이러한 특징을 가지는 조건에서 Wang et al.⁽³⁾ 실험은 발수 표면에서 성에 두께가 감소하는 것으로 타나났다. 반면에 Jhee et al.⁽¹³⁾ 실험에서는 표면 특성 변화가 성에 두께에 미치는 영향이 작았으며 발수 표면에서 오히려 유로 폐색이 증가하는 것으로 나타났다. 추가적으로 Kim and Lee,⁽¹⁴⁾ Wang et al.⁽³⁾ 실험들은 발수 표면에서 성에 성장에 의한 열전달률 악화가 줄어드는 것으로 나타났다. 표면 특성에 의한 성에 지연 연구는 여러 실험들의 경향이 일치하지 않으며 열교환기에 적용한 연구들은 매우 적다. 그리고 대부분의 기존 연구들은 성에 성장 과정 동안 공기측의 어떤 파라미터를 고정하였는지 또는 어떻게 제어하였는지 제시하지 않고 있다. 성에 실험은 성에가 성장함에 따라 공기측의 유량, 압력손실 등의 유동 특성이 변화하는 과도 조건에서 수행된다. 성에 성장 과정 동안 공기측의 제어 방법에 따라 다른 결론이 도출될 수 있다. 평판 및 열교환기에서 표면 특성과 성에 성장 지연 사이의 일관성 없는 경향이나 공기측 정보 제시의 부족을 고려하면, 이 현상을 이해하기 위해 더 많은 연구가 필요하다고 생각된다. 또한 서술한 연구들의 대부분은 접촉각이 아주 크지 않은 발수 표면에 대해 조사하였으며 150° 이상의 초발수 표면에 대해서는 연구가 거의 수행되지 않았다.

성에가 성장함에 따라 열교환기 성능을 조사한 Ye and Lee⁽¹⁵⁾에 따르면, 착상에 의한 열교환기 성능 악화의 주요 요인은 착상에 의한 공기 유로 막힘이며, 이 공기 유로가 막힘에 따라 열교환기를 통과하는 풍량이 줄어드는 것이 열교환기의 열전달 성능 감소에 큰 영향을 미친다고 제시하였다. 그러므로 착상 과정동안 풍량을 일정하게 제어하는 조건보다 팬 rpm을 일정하게 제어하는 조건에서 실험결과값을 도출하는 것이 더 적절하다고 판단되었다.

본 연구에서는 최근 냉동냉장 유니트의 신규냉매로 적용되고 있는 R-448A를 작동유체로 휜-튜브 열교환기에 발수 및 초발수 코팅을 적용하여 표면 특성 변화가 착상에 의한 열교환기 성능 악화 및 제상 과정에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 하였다. 착상 지연 성능은 동일한 풍량 감소까지 걸리는 시간을 지표로 하여 판단하였다. 그리고 착상 과정 동안의 열전달률 변화나 제상 과정에 소요되는 에너지를 측정하여 코팅의 적용이 열교환기 성능에 얼마나 영향을 미치는지 조사하였다.

2. 코팅시료 및 시험조건

실험에 사용된 열교환기 시료는 냉동 및 냉장을 위해 산업용 유니트 쿨러에 사용되는 열교환기이며 사진은 Fig. 1(a)에 나타나 있다. Fig. 1(a)에 제시된 열교환기는 표면 처리가 되지 않은 알루미늄 표면을 가진다. 8단 and 4열의 튜브가 엇갈리게 배열되어 있고 웨이브 휜이 사용된다. 이 열교환기의 더 자세한 사양은 Table 1에 제시하였다. 관과 휜에 발수 및 초발수 표면 처리를 통해 표면 에너지가 다른 시료들을 준비하였다. 노-코팅(bare), 발수(hydrophobic), 초발수(super-hydrophobic) 표면의 열교환기는 대략적으로 각각 72°, 117°, 160°의 접촉각을 가진다. 여기서 발수 표면은 trimethoxy(1H,1H,2H, 2H-heptadecafluorodecyl)silane(FTS) 물질로 표면을 코팅하여 제조하였으며, 초발수 표면은 FTS로 코팅되기 전 강산 용액에 의해 표면이 거칠게 되도록 식각시켰다.

3. 시험방법

Fig. 1(b)은 실험 장치의 계통도를 보여준다. 시험부로 유입되는 공기의 온습도를 일정하기 유지하기 위해 시험부는 항온항습챔버 내에 설치된다. 시험부 입구에서 에어 샘플러를 통해 공기의 온습도가 측정되며 카메라로 성에의 착제상 과정이 촬영된다. 공기측 유량은 팬의 rpm에 의해 제어되며 노즐 차압 유량계에 의해 유량이 측정된다. 착상 시험을 위해 R-448A 냉매가 작동 유체로 사용되었다. 펌프 rpm과 바이패스 라인의 밸브를 통해 시료로 공급되는 냉매 유량이 제어되었고 두 항온수조와 히터에 의해 시료로 공급되는 냉매의 온도 등의 조건이 제어되었다. 실험과정은 준비 단계와 측정 단계로 나뉜다. 준비단계에서 우선 표면이 마른 열교환기 시료가 시험부에 설치된다. rpm을 제어하여 시료로 들어가는 풍속이 요구되는 값으로 조정된다. 본 연구에서는 1.0, 1.5, 2.0 m/s 풍속이 조사되었다. 시험부로 들어가는 공기의 건구온도와 습구온도는 항온항습챔버에 의해 2℃와 1.38℃(90%)로 조정된다. 공기 측의 모든 파라미터가 원하는 값으로 제어되고 안정화되면 시험 준비가 완료된다. 측정단계는 펌프를 작동시킴으로써 시작된다. 냉매 유량이 240 kg/h이 되도록 제어되며 항온수조와 히터로 시료로 유입되는 냉매 온도는 -20℃로 제어된다. 착상 시험 동안 착상의 유로 막힘에 의해 공기측의 유동 특성이 변하더라도 팬 rpm을 일정하게 유지시켰다. 일정한 팬 rpm으로 제어함에 따라 착상에 의한 풍량 감소가 나타난다. 풍량이 초기의 50%에 도달하면 착상 시험이 종료된다. 열교환기의 열전달률은 다음의 식처럼 공기측과 냉매 측의 평균값으로 평가된다.

착상 시험이 끝나면 제상 시험이 시작된다. 고온의 핫가스 이용 제상방식을 모사하기 위해 약 30℃의 냉매가스가 열교환기의 관내로 들어가도록 장치들을 제어하였다. 펌프 후단에 있는 판형 열교환기에 고온의 브라인이 흐르도록 고온항온수조 라인의 밸브를 조작하고 시험부 전단의 전열히터의 열량을 제어하였다. 그리고 팬을 정지시킨 상태에서 대부분의 성에가 녹는 약 210초 동안 제상 과정을 수행하였다. 제상 시의 에너지는 식(2)에 의해 계산된다. 제상 시험이 끝나면 다음 단계의 시험을 위해 열교환기를 건조시킨다. 즉, 본 연구에서는 풍량을 기준으로 유로폐색이 50%가될 때까지 착상 과정이 수행되었으며, 동일한 유로폐색 상태에서 210초간의 제상 과정이 수행되고 성능이 비교되었다. 온도, 차압, 공기 유량, 냉매 유량, 열전달률의 불확실도는 각각 ±0.3도, ±0.81 Pa, ±0.064 CMM, ±0.67 g/s, ±42.2 W이다.

4. 결과 및 토론

여러 초기 풍속 조건에서 표면 특성에 따른 착상 지연 영향을 Fig. 2(a)에 나타내었다. 각각의 라인은 서로 다른 조건에서 공기 유량이 초기의 50%로 감소할 때까지의 데이터를 나타낸 것이다. 더 긴 시간 동안 수행된 데이터는 착상이 지연됨에 따라 풍량이 천천히 감소함을 나타낸다. 착상 초기에는 천천히 감소하고 시간이 지남에 따라 풍량이 급격히 감소하는 경향이 나타났다. 이 경향 하에서 접촉각이 큰 표면일수록 성에 성장에 의한 풍량 감소가 지연되었다. 발수 표면은 노-코팅 표면보다 착상시간을 평균적으로 약 7%만큼 지연시켰고 초발수 표면의 착상 시간은 약 61%만큼 지연되었다. 한편, 초기 풍속 조건이 착상 지연에 미치는 영향은 잘 드러나지 않았다. 노-코팅과 발수 표면에서는 초기 풍속이 2.0 m/s일 때 착상 시간이 가장 길었으나 초발수 표면에서는 초기 풍속이 1.0 m/s일 때 착상 시간이 가장 길었다. Fig. 2(a)의 데이터를 동시간대에 대해 비교하면 접촉각이 큰 표면일수록 풍량이 크다. 더 자세히 살펴보기 위해 Fig. 2(a)의 데이터 중 초기 풍속 조건이 1.5 m/s일 때의 성에 성장 모습을 Fig. 2(b)에 나타내었다. 이 사진은 열교환기 전면부의 성에 성장 모습을 보여주며 관 두 개와 다수의 휜이 보이도록 보정되어 있다. 성에는 밝은 색으로 나타나며 공기측 유로는 어두운 색으로 나타난다. 시험 전의 0 min에서 시료들은 성에가 형성되지 않았고 시험 후 50 min이 지난 열교환기 표면은 성에에 의해 완전히 덮혀있다. 100 min이 지나면 노-코팅, 발수, 초발수 표면을 가지는 시료의 풍량은 초기에 비해 각각 49.7, 43.3, 31.2% 감소한다. 초발수 코팅은 열교환기 전면부의 공기 유로 막힘을 지연시켜 풍량 감소를 줄이는 것으로 나타났다.

Fig. 3은 착상 지연이 열교환기의 열전달률과 압력강하에 미치는 영향을 나타낸다. 접촉각이 큰 표면일수록 열전달률 감소와 압력강하 증가가 지연되고 있다. 실험 초기와 종료 시점에서 시료의 성능은 표면 특성과 관계없이 비슷하므로, 총 착상 시간에 대해 평균하여 비교하면 각 표면의 성능 차이가 잘 드러나지 않는다. 그러므로 표면 특성이 열교환기 성능에 미치는 영향은 같은 시간 간격에 대해 평가하였다. 노-코팅 표면의 시험이 끝나는 100분의 착상 시간 동안 비교하면, 노-코팅, 발수, 초발수 표면의 평균 열전달률은 각각 867.6, 887.2, 903.9 W로 측정되었다. 즉, 발수 및 초발수 표면의 평균 열전달률은 노-코팅 표면보다 약 2.3, 4.2%만큼 증가하였다. 표면 특성에 따른 압력강하도 100분 동안의 데이터를 평균하여 비교하였다. 성에가 성장함에 따라 노-코팅 표면의 압력강하는 210 Pa까지 증가하였으며 100분 간의 평균값은 98.4 Pa이다. 발수와 초발수 표면의 평균 압력강하는 노-코팅 표면보다 각각 9.7%, 24.2% 작게 나타났다.

다른 풍속 조건에 대한 열전달률과 압력강하도 살펴볼 필요가 있다. Table 2는 모든 풍속 조건에 대해 초기부터 100분간의 착상 시간 동안 평균 열전달률과 압력강하를 나타낸 것이다. 발수 및 초발수 코팅을 적용할 시, 모든 조건에서 평균 열전달률이 증가하였다. 발수 표면은 노-코팅보다 열전달률이 평균적으로 약 1.93% 증가하였고 초발수 표면은 열전달률이 평균적으로 6.73% 증가하였다. 발수 및 초발수 코팅을 적용할 시, 모든 조건에서 압력강하가 낮아짐을 확인하였다. 발수 표면은 노-코팅보다 압력강하가 평균적으로 약 9.13% 감소하였고 초발수 표면은 압력강하가 평균적으로 약 41.6% 감소하였다. 풍량의 변화는 일반적으로 열전달률보다 압력강하에 미치는 영향이 더 크다. 그러므로 코팅 적용에 의한 유로 막힘 지연의 영향도 열전달률보다 압력강하에서 더 큼을 볼 수 있다.

Fig. 4(a)는 제상 과정 동안의 열전달률의 변화를 나타낸다. 그리고 Fig. 4(b)는 몇몇 시점에서 녹고 있는 성에의 모습을 보여준다. 초기 구간(0~70초)에는 열전달률이 상당히 증가하다 감소한다. 이 기간에 냉매의 열은 성에를 녹이는 것뿐만 아니라 열교환기의 튜브와 휜 등의 구조물 온도를 올리는 데도 사용되므로 열전달률이 크다. 이 기간이 지나면 표면 특성에 따라 열전달률의 차이가 더 두드러지게 나타난다. 특히, 초발수 표면에서 열전달률이 작으며 Fig. 4(b)처럼 성에가 녹고 있는 모습도 다르다. 초발수 표면과 성에의 접촉력은 작은 것으로 생각되며 성에는 녹기보다 부서지고 떨어져 나가는 현상이 두드러진다. 따라서 더 작은 제상 에너지로도 성에가 제거되었다. 노-코팅, 발수, 초발수 표면의 제상 에너지는 약 210초간의 열전달률을 적산하여 각각 90.0, 73.1, 66.2 Wh으로 평가되었다. 즉, 초발수 표면이 노-코팅 표면보다 약 26%만큼 제상 에너지가 절약되는 것으로 나타났다. Table 3에는 다른 풍속 조건에서 성장한 성에를 녹이는데 소모된 에너지를 정리하여 나타내었다. 모든 풍속 조건에서 발수 및 초발수 코팅된 표면은 제상 에너지를 감소시키는 것으로 나타났다. 발수 표면은 노-코팅보다 제상 에너지가 평균적으로 약 17.7% 감소하였고 초발수 표면은 제상 에너지가 평균적으로 24.9% 감소하였다.

한편, 실제 냉동 시스템에서 착상에 의한 성능 악화는 제상 과정의 수행에 의해 제어된다. 제상 과정은 주기적으로 수행되거나 제상이 필요한 시점을 탐지하여 수행된다. 그리고 본 실험 조건에서 초발수 코팅을 적용함으로서 노-코팅 표면보다 착상 시간은 평균적으로 61% 지연되고 평균 열전달률은 6.73% 증가하였다. 이 사항들을 고려하면 초발수 코팅은 주기적으로 제상되는 시스템이 아니라 제상이 필요한 시점을 탐지하는 시스템에 적용하는 것이 더 적절할 것으로 판단된다. 시스템의 운전 사이클에서 풍량이 초기의 50%가 되면 제상 과정이 수행된다고 가정하여 코팅의 적용이 시스템에서의 열교환기 성능에 미치는 영향을 계산하여 보았다. 아래의 식으로 한 사이클 동안의 열교환기 평균 열전달률을 계산할 수 있다.

착상 과정 동안의 열량에 제상 과정에 요구되는 에너지를 빼고 한 사이클의 시간으로 나누어 계산하고 Table 4에 정리하였다. 코팅이 적용됨에 따라 착상 시간이 증가하고 제상에너지가 감소하여 한 사이클 동안의 평균 열전달률이 증가함을 알 수 있다. 발수 코팅과 초발수 코팅을 적용시, 노코팅 표면보다 열전달률이 평균적으로 2.6, 7.0% 각각 증가하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 휜-튜브 열교환기에서 초발수 코팅의 적용이 착제상 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위해 약 72, 117, 160°의 접촉각을 가지는 노-코팅, 발수, 초발수 표면 열교환기를 대상으로 실험을 수행하였다. 코팅된 표면은 풍량이 감소되는 정도를 완화시키고 착상 시간을 지연시켰다. 착상에 의한 유로 막힘에 의해 노-코팅 표면의 풍량이 약 50% 감소하였을 때, 발수와 초발수 표면의 풍량은 43.3, 31.2% 감소하였다. 풍량이 초기값의 반으로 감소하는데 걸리는 시간을 비교하였을 때, 수행된 모든 조건에서 발수 및 초발수 코팅된 표면들은 착상 시간을 지연시켰다. 발수와 초발수 표면은 노-코팅 표면에 비해 대략적으로 7%, 61% 만큼 착상을 지연시켰다. 추가적으로, 표면 특성이 착상을 지연시키는 경향은 잘 드러났으나 초기 풍속과 착상 지연 사이의 관계는 잘 드러나지 않았다.

성에가 성장함에 따라 열전달률과 공기측 압력강하 등의 성능이 악화되었다. 접촉각이 더 큰 표면을 사용할수록 이 성능 악화가 완화되어 평균 열전달률이 증가하고 평균 압력강하량이 감소하였다. 발수 표면은 노- 코팅보다 열전달률이 평균적으로 약 1.93% 증가하였고 초발수 표면은 열전달률이 평균적으로 6.73% 증가하였다. 또한 발수 및 초발수 코팅의 적용은 압력강하의 증가를 완화시켰다. 발수 표면은 노-코팅보다 압력강하가 평균적으로 약 9.13% 감소하였고 초발수 표면은 압력강하가 평균적으로 약 41.6% 감소하였다. 제상 과정에서 초발수 표면인 경우, 성에가 녹는 모습이 크게 달랐다. 노-코팅, 발수 표면에서는 성에가 젖고 녹아가는 거동이 두드러지게 보였지만, 초발수 표면에서는 성에가 부서지고 떨어져 나가는 거동이 두드려졌다. 초발수 표면의 경우 제상 과정에서 열전달률이 작았으며 노-코팅 표면보다 제상 에너지가 약 24.9%만큼 덜 소요되는 것으로 나타났다.