2.1 Low GWP 냉매 및 유하액막식 증발기

지구온난화 저감을 위하여 HFO(Hydrofluoro-olefin) 냉매들이 개발되었으며, R-1233zd(E) 및 R-1234ze(E)가 대표적인 냉매이다. 만액식 증발기가 주로 적용되는 터보냉동기 분야에서 기존에는 R-123(저압 냉매) 및 R-134a(중압 냉매)를 대부분 적용하고 있는데 이들을 각각 대체하는 냉매가 R-1233zd(E) 및 R-1234ze(E)이다. 고압 냉매인 R-410A의 대체냉매 후보에 대하여는 많은 의견들이 있으나 저압 냉매 및 중압 냉매의 대체 후보로는 이 두 가지 냉매가 가장 적합한 후보로 평가받고 있다.

구체적으로 R-1233zd(E) 냉매의 경우 저압 냉매로서 임계온도가 높아 ORC(Organic Rankine Cycle) 분야 및 산업용 히트펌프로의 적용이 가능하며, A1등급의 냉매로 가연성 규제에서 자유롭다. 또한 중압 냉매 대비 상대적으로 열역학적 물성이 우수하여 냉동기 표준 조건에서 R-134a 대비 열역학적 성능 계수도 5% 정도 우수⁽⁴⁾하다고 알려져 있다. 실제로 JCI(Johnson Control Incorporation)에서 가장 먼저 이를 적용하는 터보냉동기를 개발하여 양산화가 진행 중이다. 다만, 상대적으로 큰 비체적으로 인하여 압축기 임펠러 및 증발기의 크기가 크게 되는 단점이 있다.

기존 터보냉동기 분야에서 적용되는 만액식 증발기의 경우 쉘-튜브 열교환기 내의 전열관을 가득 채우도록 냉매가 충진 되어 있으며, 일반적으로 부하 변동에 우수하며 제어 대상이 많지 않아 대부분의 냉동기에 사용되었다. 하지만 Low GWP 냉매 단가가 현재 기존 HFC 계열의 냉매보다 높기 때문에 냉매 충진량을 줄이는 방식의 유하액막식 증발기에 대한 요구가 커지고 있다. 유하액막식 증발기는 기본적으로 만액식과는 달리 전열관 주위로 얇은 냉매 액막을 형성하여 증발이 일어나도록 하는 것으로 필요에 따라 팽창밸브를 지난 냉매가 트레이에 직접 유입되도록 하는 방식과 증발기 내의 액체 냉매를 펌프로 트레이에 공급하는 방식으로도 구분할 수 있다. 유하액막식은 기존 만액식 증발기 대비 냉매 충진량을 40% 정도 절감하면서 비슷한 성능을 낼 수 있다고 알려져 있으나, 증발기 설계/제작과 관련하여 기술적인 이슈는 해결해야 할 내용이 많다. 균일한 액체 냉매 공급을 위한 트레이 설계, 압축기로의 액적 유입 방지를 위한 기구적 설계 및 운전 제어 등이 이에 해당하며, 아래 Fig. 1은 만액식, 유하액막식 및 Mixed 방식의 유하액막식 증발기에 대한 개념도를 나타낸다.

2.2 시험 설비

Low GWP 냉매 R-1233zd(E)를 대상으로 유하액막식 증발 시험을 수행하였으며, 시험설비는 기본적으로 동일한 압력 범위에서 증발 및 응축이 발생하는 일반적인 증발열전달 시험설비로 구성하였다. 응축기에서 응축된 액체 냉매는 수액기에 공급이 되며 이 중 액체 냉매를 펌프로 이용하여 시험부의 트레이로 공급하였다. 트레이로 공급되는 냉매의 상태는 2-phase 상태(건도 = 0.1)가 되도록 Pre-heater에서 열량을 제어하였으며, 트레이를 지난 액적의 냉매는 전열관의 중심에 떨어지며 증발하지 못한 액적은 아래 전열관으로 떨어져 증발이 일어나도록 하였다. 시험부 전열관은 외경 18.88 mm, 두께 1.2 mm이며, 외측 및 내측이 가공된 국내에서 제작 가능한 양산 전열관을 사용하였다. 총 4개의 전열관이 in-line으로 구성(냉수 4pass) 되어 있으며 전열관의 길이는 500 mm, 전열관의 수직 피치는 57 mm로 구성하였다. Table 2는 시험설비를 구성하는 요소기기들의 사양을 나타내며, Fig. 2는 시험 설비 및 시험부의 개념도를 나타낸다.

2.3 시험 조건

본 시험에서는 R-1233zd(E) 냉매에 대하여, Film Re수에 따른 열전달계수 및 열유속에 대한 열전달계수를 측정하였다. Table 3과 같이 Film Re에 따른 시험에서는 2가지의 포화온도에 대하여 측정하였으며 각 포화온도에 대응하는 냉수 입구 조건에서 첫 번째(상단) 튜브로 유입되는 냉매 유량의 변화에 따라 실험을 수행하였다. 열유속에 따른 성능 시험 역시 2가지의 포화온도에 대해 측정하였으며, 첫 번째 튜브의 열유속이 변화하도록 냉수 입구 온도를 조절하며 성능시험을 수행하였으며, 냉매 유량은 첫 번째 튜브가 충분히 젖는 조건($\Gamma_{L}$=0.023 kg/m·s)에서 수행하였다. 모든 시험조건에서 냉수 유량은 내부 속도가 2.0 m/s가 되도록 하였다.

2.4 Data Reduction

각 전열관에서 발생하는 냉각 열량은 각 전열관의 입·출구에 설치된 RTD 센서를 통하여 계산하였다. 전열관의 길이가 500mm로 각 전열관에서의 온도차는 최대 0.6 K 정도로 그리 크지 않아 시험 전 정밀한 온도 교정을 통하여 각 전열관의 온도가 0.02K 이내로 수렴하도록 하였다. 아래의 식(1) 및 식(2)는 각 전열관에서의 냉각 열량 및 총괄 열전달계수를 나타내며, 대수 평균 온도차(LMTD)는 식(3)과 같이 냉매의 포화온도를 기준으로 산출하였다. 냉매 열전달계수 (관 외측)의 경우 식(4)를 이용하여 계산하였고, 냉수 열전달계수 (관 내측)의 경우 Wilson plot으로 얻은⁽⁶⁾ 냉수의 내측 열전달계수($N u_{i}=0.0781Re^{0.8}Pr^{0.3}$)를 사용하였다.

유하액막식 증발 열전달에서 가장 중요한 변수인 Film Re의 경우 식(5)로 정의되며, 각 전열관으로 공급되는 냉매 유량은 전열관 상부에서의 열전달을 고려하여 식(6)과 같이 정의하였다. 또한, 냉매 및 냉수의 열전달 물성은 REFPROP⁽⁷⁾을 이용하여 계산하였다. 아래 Table 4는 냉매 측 및 냉수 측의 계측기 사양을 나타내며, 각 센서의 값은 Labview 프로그램을 이용하여 데이터를 취득하였다.

2.5 불확도 분석

주요 성능 지표인 냉각 열량 및 열전달계수에 대하여 ASHRAE Guide line⁽⁸⁾를 따라 표준 불확도 분석을 수행하였으며, Table 3에 나타난 온도, 유량 및 데이터 수집 구간에서의 random error를 계산한 후 열유속 및 총괄 열전달계수의 확장 불확도를 계산하였다. 확장 불확도는 온도계의 불확도에 지배적으로 영향을 받으며 random error의 영향은 거의 없었으며, 냉각열량이 작을수록 커지게 된다. 최상단 전열관 기준 열유속 및 총괄 열전달계수의 최대치는 12.5% 17.8%로 나타났다.

3.1 Film Re에 따른 R-1233zd(E) 열전달계수

전열관 내부로 흐르는 냉수의 유속을 일정하게 유지하면서, 냉매의 순환 유량에 따른 R-1233zd(E)의 냉매 열전달계수는 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있다. Fig. 3의 상단에 표시된 바와 같이, 냉매 순환 유량의 증가와 함께 식(5)와 같이 정의된 각 전열관의 Film Re이 증가에 따라 총괄 및 냉매 열전달계수가 증가하다가 특정 Film Re 조건 이후에서는 수렴하는 형태로 나타나며, 이는 냉매를 사용하는 유하액막식의 일반적인 증발열전달 성능 특성을 보인다. 낮은 Film Re 조건에서는 전열관이 충분히 젖지 못하여 열전달 면적이 작은 상태가 되다가 젖기 시작하면 열전달계수가 수렴하는 결과가 나타난다. 높은 Film Re 조건에서는 두꺼운 액막이 열전달을 방해하여 열전달계수가 감소한다는 이론도 유하액막식 연구에서는 일반적인 이론이나, 이러한 현상은 물을 냉매로 활용하는 흡수식 냉동기 연구⁽⁹⁾에서 주로 확인 가능하다. 냉매는 물과 비교하면 상대적으로 표면장력이 작고 전열관의 형상이 상대적으로 복잡하여 전열관으로 쉽게 스며들어 액막이 두껍게 유지되는 현상이 나타나지 않아 높은 Film Re 조건에서도 열전달계수가 일반적으로 감소하지 않는다. 전열관 위치별 열전달계수는 트레이 기준 2, 3열에서 가장 높은 값을 나타내며 최상단 및 최하단에서는 상대적으로 낮은 값을 확인하였다. 본 실험에서 사용한 트레이의 경우 흡수식 냉동기에서 보편적으로 사용하는 톱니 형태의 트레이로 전열관 길이 방향으로 약 10 mm의 간격을 두고 액적이 공급되는 바 냉매 자체의 퍼짐 현상이 우수함에도 불구하고 상대적으로 작은 면적에서만 열전달이 이뤄지기 때문에 2, 3열 대비 열전달계수가 낮게 되며, 4열에서는 건조부(dry patch)의 면적 증가와 함께 상대적으로 열전달계수가 낮음을 확인할 수 있다. Fig. 3의 하단에는 전체 전열관(4 ea)의 면적을 기준으로 열전달계수의 성능을 나타낸 것으로 Film Re의 증가와 함께 열전달계수가 증가하다가 특정 Re에서 완만하게 상승하며 수렴하는 현상을 나타낸다.

Fig. 4에는 포화온도 10.0℃ 조건에서의 냉매 열전달계수를 나타내고 있다. 일반적으로 포화 온도의 증가에 증발열전달계수는 커지고 이는 냉매의 열전달물성이 우수하기 때문으로 알려져 있다. Fig. 3과 비교하여 포화온도 차이가 그리 크지 않기 때문에 열전달계수는 큰 차이가 없으며, 각 전열관 위치에 따른 성능 차이의 경향도 유사함을 확인할 수 있다. 다만, 냉수 입구 온도와 냉매 포화온도의 차이(6.5 K)가 포화온도 6.0℃ 시험조건(5.5 K) 보다 1K 정도 높아 상부의 전열관에서 냉각 열량이 컸으며, 이에 따라 최 하단부에서는 건조부의 면적이 넓어 Film Re가 커지는 조건에서 건조부의 면적이 줄어들어 열전달계수가 증가하였다.

3.2 열유속에 따른 R-1233zd(E) 열전달계수

냉매의 Film Re뿐 아니라 열전달계수에 큰 영향을 미치는 열유속에 따른 열전달계수 성능 시험의 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 3~4를 바탕으로 최상부 관이 충분히 젖어있는 Film Re = 250 조건($\Gamma_{L}$ = 0.023 kg/m·s)에서 포화온도를 유지하며 냉수의 입구 온도를 변화시켜 열유속에 따른 성능 시험을 수행하였다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 열유속에 따라 냉매 측 열전달계수는 증가하는 것을 확인하였다. Cooper⁽¹⁰⁾ 등이 제안한 평활관의 풀 비등 상관식 역시 열전달계수는 열유속의 지수(n<1) 함수 형태로 나타낸바 있으며, 이후 후속 연구에서 Cooper 식을 활용하여 수정 상관식⁽¹¹⁾들을 나타낸바 있다. R-134a를 유하액막식에 적용한 Bock⁽¹²⁾ 등의 연구에서는 열유속에 따른 열전달계수의 경향은 풀 비등의 결과와 유사히 열전달계수의 증가폭이 열유속에 따라 작아진다고 말하였고, 이 원인은 높은 Film Re 조건에서도 발생하는 부분적인 드라이아웃(dryou) 때문이라 말한바 있다. 열유속에 따라 열전달계수가 증가하는 근본적인 원인은 핵비등(nucleate boiling) 발생 농도의 증가 때문이며, 낮은 열유속에서는 핵비 등이 전열관의 하부에서 발생하다 높은 열유속이 되었을 때는 관의 상부에서도 발생하기 때문이라고 알려져 있다.⁽¹²⁾ 또한, Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 포화온도가 증가함에 따라 냉매 열전달계수가 평균 6.7% 정도 증가함을 확인하였다. 풀 비등에서는 환산압력(Psat/Pc)의 증가로 인한 밀도비 $\rho_{v}$/$\rho_{l}$ 증가가 비등 발생농도의 증가⁽¹³⁾로 이어져 열전달계수가 증가하는 것이 일반적인 설명이며, 유하액막식에서는 온도의 증가와 함께 점도 감소로 인한 얇은 액막이 긍정적인 영향을 미친 것으로 알려져 있다.⁽¹⁴⁾ 열유속이 낮은 조건일수록 포화온도에 따른 증가율이 더 크며 열유속이 큰 조건에서는 증가폭이 작아진 것으로 확인되었다.

최상단 전열관의 열유속(냉수 입구온도)의 변화에 따른 결과 외에 Fig. 3~4에서의 결과를 바탕으로 열유속별 열전달계수의 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 냉매 유량에 따라 열유속(냉각열량)의 변화가 크지 않은 최상단 및 2열 전열관에서는 열전달계수가 열유속에 독립적인 형태의 결과를 확인하였으며, 상대적으로 젖음성이 약한 3열 및 최하단 전열관에서는 냉매 유량에 따라 열유속(냉각열량)의 변화가 커 열전달계수가 열유속에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 참고로 열유속은 시험 결과로 나온 계산 값으로, 냉매 젖음성이 약한 하단부에서는 냉매 유량변화에 따라 젖음 정도의 변화가 커 열전달량 및 이에 따른 열전달계수의 값도 크게 변화하였다.

유하액막식 열전달 분야에서는 열유속에 따라 열전달계수의 변화가 없는 조건을 흔히 “convective condition”이라 칭하며 이는 전열관이 완전히 젖은 조건(completely wetted)에서 발생한다. 이와는 반대로 “boiling dominated condition”으로 불리는 조건에서는 열유속에 따라 열전달계수가 증가하는 조건을 의미하며, 이런 현상이 근본적으로 생기는 이유는 핵비 등이 발생하는 구간의 증가 때문으로 알려져 있다.⁽¹⁴⁾

Fig. 6에 $\Gamma_{L}$ = 0.023 kg/m·s으로 표기된 시험조건이 열유속(냉수 입구온도)의 변화에 따른 결과이며, 기존의 시험결과와 중첩하여 보았을 때 첫 번째 전열관에서 비슷한 조건의 열유속 및 열전달계수를 확인할 수 있었다.