2.1 실험방법 및 조건

Fig. 1은 본 연구를 위한 실험장치의 개략도이다. 실험장치는 시험부, 응축부, 가열부로 구성되어있다. 시험부는 순수 및 불순물을 포함한 이산화탄소의 열전달계수 및 압력강하를 측정하기 위하여 1.2 inch, 4 m의 동관으로 제작되었고, 증발 열전달계수 측정을 위한 동관의 표면 온도를 측정하기 위해 총 7구간에 납땜을 이용하여 열전대를 부착하였다. 또한 수상 수송조건을 모사하기 위해 외측의 PVC관 내부에 브라인(EG, 40%)을 채운 후 브라인의 유속 및 온도 조건을 PVC관과 연결된 칠러로 조절하였다. Table 1은 본 실험의 실험조건을 나타낸다. 해수를 모사한 브라인의 온도와 속도는 일정하게 유지하였으며, 순수 및 불순물을 포함한 이산화탄소의 수송온도는 동일하게 유지하였다.

실험은 실험 전 실험장치의 불순물을 제거하기 위하여 진공펌프를 이용하여 불순물을 제거한 후, 공기압축기와 가스 부스터를 이용하여 이산화탄소를 약 40~50 bar로 가압하여 주입하였다. 동시에 증발용 칠러를 가동시켜 이산화탄소를 적정 온도로 설정한다. 이산화탄소가 일정압력까지 주입되었을 경우, 펌프를 가동하여 이산화탄소 혼합물을 액화상태로 만든다. 이산화탄소 혼합물의 양이 일정하다고 판단되었을 때, 가열부용 항온조의 펌프를 가동시킨다. 가열부용 항온조 내 브라인이 순환함에 따라 시험부의 온도가 증가하며, 이에 실험장치의 압력이 상승한다. 최종적으로 측정하고자 하는 증발 온도 및 압력조건에 도달하였을 때, 질량유속을 정밀하게 측정한다. 실험에 쓰인 측정장비의 상세 사항은 Table 2에 자세히 나타냈다.

2.2 데이터 처리 방법

순수 및 불순물을 포함한 이산화탄소의 증발 열전달 계수는 식(1)과 같이 열량과 관 표면과 유체간의 온도차, 관 내측 표면의 면적을 통하여 산출하였으며, 각 위치별 이산화탄소의 온도는 식(2)와 같이 보간법을 이용하여 계산하였다. 냉매의 질량유량 및 입․출구 온도는 실험을 통하여 측정된 데이터를 사용했으며, 냉매의 열역학적 특성은 REFPROP⁽⁷⁾에서 제공하는 데이터를 사용하였다. 본 실험에서는 EES(Engineering Equation Solver)에서 제공하는 오차해석 툴을 이용하여 실험값에 대한 불확실도를 계산하였다. 식(3)은 불확실도를 계산하기 위한 식을 나타낸다. X는 측정된값이며, Y는 계산된 값이다. 측정값의 오차는 계산값의 민감도와 계측기기의 오차의 곱으로 표현된다. 그 결과 식(1)에 제시된 열전달계수 h의 불확실도를 계산하였으며, 11.89%의 불확실도를 나타냈다. EES에서 사용되는 오차해석방법에 대한 자세한 내용은 NIST Technical Note 1297⁽⁸⁾에 기술되어있다.

2.3 열전달계수 및 압력강하 예측 모델

3.1 순수 및 불순물을 포함한 이산화탄소의 열전달계수 예측

Fig. 2와 Fig. 3은 순수 및 CO$_{2}$+N$_2$ 혼합물의 실험결과와 기존 모델을 이용하여 계산한 열전달계수를 나타낸다. 이때 해수를 모사한 브라인 온도는 20℃로 고정하였다. Fig. 2는 포화온도에 따른 순수 이산화탄소의 열전달계수를 나타낸다. 질량유속은 400 kg․m-2s-1로 고정하였다. 실험값은 포화온도가 감소함에 따라 열전달 계수 또한 감소하였다. 순수 이산화탄소의 열전달계수는 포화온도가 감소함에 따라 감소하였으며, 건도가 0.6 이상에서는 그 차이가 미미하였다.

포화온도가 10℃에서 0℃로 감소함에 따라 건도에 따른 열전달계수는 평균 20% 감소하였으며, Gungor and Winterton⁽⁹⁾ 모델은 평균 25%, Schrock and Grossman⁽¹⁰⁾은 평균 32%, Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 평균 20% 감소하였다. 이는 포화온도가 감소할수록 핵비등이 발달하지 못한 결과로 판단되며, 핵비등이 억제되는 건도인 X$_\text{SUP}$ 또한 포화온도가 감소함에 따라 감소하였다. 온도에 따른 X$_\text{SUP}$값을 Table 4에 기술하였다. Gungor and Winterton⁽⁹⁾ 모델과 Shrock and Grossman⁽¹⁰⁾ 모델은 건도가 증가함에 따라 열전달계수가 상승하는 반면, Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 감소하는 데, 이는 Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델이 수평관내의 임계건도(critical quality, xcr)를 계산하여 임계건도 전․후의 상관식을 다르게 적용하여 나타난 결과로 판단된다.

Fig. 3은 증발온도 10℃, 질량유속 500 kg․m-2s-1, 열유속 17 kW․m-2의 조건에서 몰농도가 1~5%로 증가할 때, 건도에 따른 열전달계수 예측값을 나타낸다. 실험값은 몰농도가 증가함에 따라 증발 열전달계수가 감소하였으며, 몰농도가 1%인 경우와 비교하여 3%, 5%의 경우 각각 14.5%, 38.8% 감소하였다. 반면 Gungor and Winterton⁽⁹⁾ 모델은 각각 1.9%, 5.1% 증가하였으며, Schrock and Grossman⁽¹⁰⁾ 모델은 3.7%, 11% 증가하였고, Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 각각 10, 15% 증가하였다. Gungor and Winterton⁽⁹⁾ 모델은 불순물이 1%, 3%, 5% 포함된 이산화탄소의 건도에 따른 열전달계수 값을 각각 64%, 44%, 38% 과소 예측하였으며, Shrock and Grossman⁽¹⁰⁾ 모델은 불순물이 1%, 3%, 5% 포함된 이산화탄소의 건도에 따른 열전달계수 값을 각각 60%, 50%, 27% 과소 예측하였다. Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 각각 17% 과소 예측, 4.6%, 54% 과대 예측하였다. 이는 각각의 상관식이 혼합물의 열역학적 물성을 충분히 고려되지 않아 생긴 결과로 판단된다. 또한 이산화탄소 및 이산화탄소 혼합물이 다른 냉매와 비교하여 낮은 점성을 가지고 있어 실험값과 예측값의 차이가 커진 것으로 판단된다. 이는 Table 9에 정량적으로 기술하였다.

또한 CO$_{2}$+N$_2$ 혼합물은 건도가 증가함에 따라 열전달 계수가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 증발이 진행됨에 따라 액상의 혼합물이 기상으로 변하고 이에 따라 기상의 혼합물이 관벽에 직접 접촉하는 드라이아웃 현상에 의해 열전달이 저하되기 때문으로 판단된다. 이산화탄소 및 CO$_{2}$+N$_2$ 혼합물의 물성은 Table 5에 기술하였으며, Table 7에 오차율을 기술하였다.

3.2 순수 및 불순물을 포함한 이산화탄소의 압력강하 예측

Fig. 4와 Fig. 5는 순수 및 CO$_{2}$+N$_2$ 혼합물의 압력강하 예측이다. 이때 해수를 모사한 브라인의 온도는 20℃로 고정하였다. Fig. 4는 순수 이산화탄소의 증발온도에 따른 압력강하 예측이며, 실험조건은 질량유속 400 kg․m-2s-1, 열유속 15 kW․m-2의 조건이다. 증발온도가 0℃에서 10℃로 증가함에 따라 압력강하는 평균 12.5% 감소하였다. 이는 포화온도가 증가할수록 CO$_{2}$의 밀도비가 감소하기 때문이다. Table 6에서 알 수 있듯 액상의 밀도는 포화온도가 증가할수록 감소하지만, 기상의 밀도는 증가하는 경향을 보인다. 이는 냉매가 증발과정을 거치면서 액상의 유속은 저하되고 기상의 유속은 증가하여 압력강하가 증가되는 현상을 야기시킨다. Müller- Steinhagen and Heck⁽¹²⁾ 모델은 본 실험값을 평균 약 65.1% 과소 예측하였으며, Chisholm⁽¹³⁾ 모델은 본 실험결과를 평균 약 55.8% 과소 예측하였고, Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 평균 약 96% 과대 예측하였다.

Fig. 5는 불순물의 농도에 따른 압력강하 예측이다. 이때 증발온도는 10℃로 고정하였으며, 질량유속 500 kg․m-2s-1, 열유속 17 kW․m-2의 조건이다. 불순물의 농도가 1%에서 5%로 증가함에 따라 건도에 따른 평균 압력강하는 67.7% 감소하였다. 반면 Chisholm⁽¹³⁾ 모델은 불순물의 농도가 증가함에 따라 6.1% 감소하였으며, Müller-Steinhagen and Heck⁽¹²⁾ 모델은 9.2% 감소하였고, Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 18% 감소하였다.

Chisholm⁽¹³⁾ 모델과 Müller-Steinhagen and Heck⁽¹²⁾ 모델은 불순물을 1% 포함하는 이산화탄소의 압력강하를 각각 36.5%, 27% 과소 예측하였으며, 불순물을 각각 3%, 5% 포함하는 이산화탄소의 압력강하를 Chisholm⁽¹³⁾ 모델과 Müller-Steinhagen and Heck⁽¹²⁾ 모델은 각각 25.3%와 53.1%, 199%와 245% 과대 예측하였다. 또한 Yoon et al.⁽¹¹⁾ 모델은 각각 193%, 451%, 1088% 과대예측 하였다. 이는 각각의 상관식이 불순물의 농도에 따른 액상과 기상의 밀도 변화를 고려하지 못하여 생긴 결과로 판단된다. 이는 Table 8에 기술하였다.