기호설명

1. 서 론

기후변화에 대응하기 위해 높은 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)를 가지는 기존 냉매에 대한 규제가 강화되고 있다. 특히 유럽연합의 F-Gas 규제는 2025년부터 GWP 150을 초과하는 냉매의 산업용 냉동 냉장 장치 신규 적용을 제한함에 따라, 현재 상용 시스템에서 널리 사용되는 R410A(GWP ≈ 2088)와 같은 고 GWP 냉매를 대체할 저 GWP 냉매의 필요성이 커지고 있다.⁽¹⁾

저 GWP 냉매 후보로는 HFO 계열 냉매와 자연 냉매가 연구되어 왔다. 그러나 대부분 약간의 인화성을 가지며, 적용 가능한 선택지는 제한적이라는 한계를 지니고 있다. 특히 HFO 계열 냉매는 과불화화합물(PFAS) 환경오염 문제로 인해 규제의 위험이 있다.⁽²⁾ 따라서 환경성과 안정성을 동시에 만족할 수 있는 새로운 대체 냉매의 개발이 여전히 중요한 과제로 남아 있다.⁽³⁾

본 연구에서는 이러한 맥락에서 개발된 저 GWP 냉매 혼합물 CF₃I와 R1132a를 대상으로 하였다. Table 1은 연구 대상인 CF₃I + R1132a 혼합 냉매의 조성 및 주요 열역학적 특성을 나타내며, 특히 낮은 GWP와 높은 온도 글라이드를 가지는 것이 특징이다. 그러나 현재까지 이 혼합 냉매의 증발 열전달 특성에 대한 실험적 데이터는 보고된 바가 없다.

따라서 본 연구에서는 내경 4.6 mm의 소구경 구리관을 사용하여 CF₃I + R1132a 혼합 냉매의 증발 열전달 특성을 평가하였다. 이를 통해 저 GWP 혼합 냉매의 증발 특성 실험을 진행하고, 차세대 대체 냉매로서의 활용 가능성을 검토하고자 한다.

2. 실험 장치 및 실험방법

실험에 사용한 시스템은 냉매의 증발 열전달 계수와 압력 강하를 측정하기 위해 설계되었으며 Fig. 1에는 시스템의 개략도를, Fig. 2에는 시스템의 사진을 나타내었다. 실험 장치는 테스트 섹션, 판형 열교환기, 수액기, 서브 쿨러, 마그네틱 기어 펌프, Coriolis 질량유량계, 프리 히터, 압력 및 온도센서로 구성되어 있다. 액체 상태의 냉매는 인버터로 제어할 수 있는 펌프에 의해 순환되며, 질량 유량계가 유량을 측정한다.

실험에 사용된 테스트 섹션은 Fig. 3에 도시하였다. 내경 4.6 mm의 수평 구리관으로 구성된 1 m 길이의 테스트 섹션은 1 m의 길이를 입구와 출구에 설치된 RTD 센서를 통해 냉매의 온도를 측정한다. 또한, 압력 센서와 차압 센서를 통해 테스트 섹션의 압력 및 압력 강하가 측정된다. 테스트 섹션의 외벽 온도는 냉매 흐름 방향을 따라 3개의 구간에 4개씩 설치된 T형 열전대를 통해 측정한다.

테스트 섹션을 흐르는 냉매의 증발에 필요한 열은 테스트 섹션에 설치된 히터를 통해 공급한다. 이 히터는 니크롬 선을 구리관에 감아 제작하였다. 히터를 통해 전달한 열은 전력계를 통해 측정하였다. 열 유속은 회로의 전류를 조절하여 정밀하게 제어하였다.

Fig. 1 Experimental setup.

Fig. 2 Schematic of experimental setup.

Fig. 3 Schematic of test section.

혼합 냉매의 증발 열전달 성능을 실험하기 위해 다양한 작동 조건에서 실험을 진행하였다. 실험은 수평 구리관으로 구성된 테스트 섹션에서 진행, 측정되었다. 주요 변수로는 질량 유속, 열 유속, 포화 온도, 건도를 설정하였다. 실험 조건은 Table 2와 같이, 질량 유속 200 - 400 kg/m²·s, 열 유속 5 - 15 kW/m², 건도는 0.1에서 0.9까지 변화시켰으며, 포화 온도는 10 - 20℃ 조건에서 진행하였다. 테스트 섹션의 입구 건도를 제어하기 위해 프리히터에 공급되는 전류의 크기를 조절하였으며, 공급한 전력계를 통해 측정하였다.

3. 데이터 처리

열역학 및 물성은 NIST에서 개발한 REFPROP 10.0⁴을 이용해 계산하였다. 테스트 섹션에서 냉매의 열전달 계수는 식(1)을 사용하여 계산하였다. 여기서 열 유속 q는 내부 벽에서의 열 유속으로 식(2)을 사용하여 계산하였다. $T_{wi}$는 테스트 섹션의 내부 벽의 온도이며 식(3)을 통해 계산되었다. $T_{sat}$는 테스트 섹션에 부착된 압력센서에서 측정된 압력에 따른 냉매의 포화 온도이다. 식(4)과 같이 테스트 섹션의 평균 외벽 온도 $T_{wo}$는 상부, 하부, 좌측, 우측 네 지점에서 측정된 외벽온도의 평균값으로 사용하였다. 외벽 온도를 측정하기 위한 열전대는 테스트 섹션의 위, 아래, 그리고 양 옆면에 부착되어 있다.

여기서 내벽 온도 $T_{wi}$는 정상상태 열전도 방정식 식(3)을 적용하여 계산되며, 단일 유동 방향의 열전달을 가정하였다.

건도 $x$는 식(5)를 통해 계산되며 $i$는 측정부의 냉매 엔탈피이다. $i_f$는 측정 압력에서의 포화액 냉매의 엔탈피이고, $i_{fg}$는 증발 잠열이다.

식(6)에서 $i_{inlet}$는 테스트 섹션 입구에서의 엔탈피로 $q$는 열 유속, $A$는 테스트섹션의 내부 표면적, $G$는 냉매의 질량 유속을 나타낸다.

4. 실험 결과

CF₃I + R1132a 혼합 냉매 실험에 앞서, 실험 결과의 정확도를 검증하기 위해 두 사전 실험을 진행하였다. 첫 번째로는 열전달 성능 실험 이전에 전기적 출력과 냉매가 흡수한 열량을 비교하는 에너지 밸런스 시험을 진행하였다. 실험은 R410A 냉매를 통해 진행하였으며 실험 결과 약 5% 이내의 차이를 보였다. 마찬가지로, R410A 냉매를 사용하여 테스트 섹션의 예측된 열전달 계수와 단상 실험에서의 측정된 값을 비교하였다. 측정된 테스트 섹션 열전달 계수의 신뢰성을 확인하기 위하여 진행되었으며, Gnielinski⁽⁵⁾ 상관식을 이용하였다. 실험 결과 5% 이내의 일치를 보였다.

Fig. 4 Variation of HTC with Mass flux.

Fig. 5 Variation of Pressure drop with Mass flux.

Fig. 6 Variation of HTC with Heat flux.

Fig. 7 Variation of HTC with Saturation temperature.

포화 온도 15℃, 열 유속 15 kW/m² 조건에서 냉매의 질량 유속을 200 kg/m²·s 에서 400 kg/m²·s 로 증가시켰을 때 건도에 따른 열전달 계수의 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 해당 조건에서 건도가 증가함에 따라 열전달 계수가 증가하는 추세를 나타내었다. 동시에 질량 유속이 높아질수록 열전달 계수의 증가 폭도 커졌다. 질량 유속이 높을수록 대류 열전달의 기여가 커지며, 관 내 증기와 액체 사이의 속도 차이로 인한 전단력이 벽면의 액막을 교란시킨다. 이로 인해 혼합과 난류가 촉진되어 열전달 계수가 향상된다.⁽⁶⁾ 질량 유속이 200 kg/m²·s에서 400 kg/m²·s로 증가하였을 때, 건도 x = 0.9에서 열전달 계수는 200 kg/m²·s 조건에서보다 약 107% 높았다.

Fig. 5는 포화 온도 10℃, 열 유속 15 kW/m² 조건에서 질량 유속을 200 kg/m²·s 에서 400 kg/m²·s 로 증가시켰을 때 압력 강화의 변화를 나타낸다. 실험 결과 냉매의 질량 유속이 증가할수록 압력 강하는 함께 증가하였다. 질량 유속의 증가는 유체의 평균 유속이 증가함을 의미한다. 이에 따라 벽면과의 마찰력이 증가하며 이는 더 큰 전단력을 유발하여 압력 강하의 증가로 이어진다. 건도가 증가함에 따라서도 압력 강하는 증가하였다. 건도의 증가는 관 내 유체에서 증기의 비율이 증가하면서 유속이 증가하고, 이 또한 압력 강하의 증가로 이어지기 때문이다.

포화 온도 15℃, 질량 유속 300 kg/m²·s 조건에서 열 유속을 10 kW/m²에서 20 kW/m²로 증가시켰을 때 건도에 따른 열전달 계수 변화는 Fig. 6과 같다. 열 유속이 10 kW/m²에서 20 kW/m²로 증가하였을 때, 열전달 계수는 전반적으로 증가하였다. 열 유속이 증가하면 관 벽면의 과열도가 증가하여 기포 발생이 활발해지며, 이는 핵비등 열전달을 촉진하여 열전달 계수를 향상시킨다. Fig. 6에서 열 유속을 10 kW/m²에서 20 kW/m²로 증가시켰을 때, 열전달 계수는 건도 x = 0.3에서 약 31% 증가하였다. 반면 압력 강하에 대해서는 열 유속 변화의 영향이 미미하였다.

포화 온도가 CF₃I + R1132a 혼합 냉매의 증발 열전달 계수에 미치는 영향은 Fig. 7에 나타내었다. 실험은 질량 유속 400 kg/m²·s, 열 유속을 15 kW/m²조건에서 진행되었다. 실험 결과 포화 온도 15℃ 조건과 20℃ 조건에서 두 조건 모두 열전달 계수가 건도의 증가에 따라 상승하였다. 또한, 포화 온도의 영향을 확인하였을 때, 낮은 건도(x < 0.3)에서 포화 온도 15℃ 조건이 포화 온도 20℃ 조건의 경우보다 열전달 계수가 높게 나타나 포화 온도의 영향이 관찰되었다. 그러나 건도가 x=0.4 이상으로 증가하면 두 조건 간의 차이가 점차 감소하여 포화 온도의 영향이 무시할 수 있는 수준까지 감소하였다. 포화 온도의 증가는 액체/증기 밀도비를 증가시켜 상간 상대 속도를 감소시킨다. 이는 대류 열전달의 기여를 약화시켜 열전달의 저하로 이어질 수 있다.⁽⁷⁾ 반면 이 조건에서 압력 강하의 경우 포화 온도 변화의 영향이 미미하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 CF₃I(95%)와 R1132a(5%)로 구성된 저 GWP 혼합 냉매의 증발 열전달 계수와 압력 강하 특성을 소구경 수평관에서 실험적으로 평가하였다. 두 성분 모두 GWP가 1 이하로, 환경적 측면에서 기존 고 GWP 냉매 대비 뚜렷한 장점을 가진다. 따라서 본 실험은 저 GWP 냉매의 차세대 대체 가능성을 평가하기 위한 기초 자료를 제공한다.

실험의 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 질량 유속이 증가할수록 열전달 계수는 상승하였으며, 압력 강하 역시 질량 유속의 증가에 따라 증가하였다. 대표적으로 포화 온도 15℃, 열 유속 15 kW/m² 조건의 건도 x = 0.9일 때 약 107%의 열전달 계수 증가가 관찰되었다. 둘째, 열 유속 증가 시 핵비등 기여가 강화되어 전반적인 열전달 성능이 향상되었으며, 포화 온도 15℃, 질량 유속 300 kg/m²·s 조건의 건도 x = 0.3에서 약 31%의 열전달 계수 증가를 보였다. 압력 강하의 경우 열 유속 변화의 영향이 미미하였다. 셋째, 포화 온도가 증가하였을 때, 저건도 영역에서 열전달 계수가 감소하는 영향을 보였다.

본 연구는 특정 조성비(95/5)와 제한된 실험 조건에서 수행되었으므로, 상용 냉매를 완전히 대체하기 위한 냉매의 개발을 위해 다양한 저 GWP 혼합 냉매 및 다양한 혼합 조성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.