현대는 기술의 고도화와 생활 수준의 향상으로 냉동공조 시스템을 포함한 에너지 시스템의 사용이 점차 증가하고 있으며, 이에 따른 에너지 수급과 환경문제가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 에너지 시스템 중 냉동공조 시스템의 환경 영향은 시스템의 작동물질과 운전에 필요한 전력을 생산하는 데 발생하는 지구온난화효과가 문제되고 있다¹⁾. 따라서 지구온난화지수가 작은 대체냉매와 이산화탄소 등 친환경 자연냉매의 사용과 시스템의 에너지 효율을 증대시키는 것은 매우 중요하다. 이산화탄소 냉매는 임계온도와 압력이 각각 31℃, 7.4 MPa²⁾로 온도는 상대적으로 매우 낮고 압력은 높다. 이러한 특성을 반영한 시스템과 열교환기와 같은 구성 부품의 설계를 위해서는 운전조건에서의 관내 열전달계수를 정확하게 평가하는 것이 중요하다. 대류열전달 계수를 측정하기 위해서는 주어진 열교환기의 기하학적 형상에 대해 운전조건에 따른 작동유체의 온도와 전열관의 벽면 온도를 측정해야 한다. 이로부터 뉴턴의 냉각법칙을 이용하여 대류열전달계수를 구할 수 있다. 그러나 열교환기의 전열관의 벽면 온도를 정확히 측정하는 것은 간단하지가 않다. 그 이유는 사용되는 관의 외경이 9.52 mm 이하의 소구경 전열관이 많이 사용되고 미세핀관의 경우 벽면의 두께가 매우 작으며³⁾, 전열관 벽면의 온도가 위치에 따라 변하고 온도 측정 센서에 의해 유동이 교란될 수 있기 때문이다. 따라서 벽면 온도를 직접 측정하지 않고 관내의 대류열전달계수를 평가하기 위해 대수평균온도차(log mean temperature difference, LMTD)를 이용하는 방법을 사용한다. 관내의 대류열전달계수의 평가는 주로 동심이중원관 실험장치를 구성하여 실험하게 되는데, LMTD 방법을 이용하기 위해서는 먼저 환상유로의 대류열전달상관식의 수립이 필요하다⁴⁾. 즉, 관내의 대류열전달계수는 총괄열전달계수를 LMTD를 이용하여 구하고 환상유로와 관벽의 전도 열저항값을 제외하여 계산한다. 따라서 환상공간의 대류열전달계수의 정확한 평가는 관내의 대류열전달계수 측정에 매우 중요하며, 주로 Wilson plot이나 modified Wilson plot 방법을 사용하여 구한다^5-9).

본 논문의 목적은 지구온난화 지수가 작은 대체냉매와 초임계 이산화탄소 냉매의 관내 열전달특성을 평가하기 위해 구성된 동심이중원관의 시험부를 구비한 실험장치에 대한 환상공간에서의 대류열전달계수를 구하는 것이다. 동심이중원관의 환상공간의 대류열전달계수는 레이놀즈수와 Prandlt수 및 환상공간에 대한 직경비의 함수로 표시할 수 있는데¹⁰⁾, 본 연구에서는 환상공간의 대류열전달계수를 Wilson plot 방법을 이용하여 구한다.

Fig. 4는 관 내경 D_i=8 mm 전열관을 시험부에 설치했을 경우에 대한 Wilson plot이다. 환상유로의 유량을 100 kg/h부터 100 kg/h씩 증가시키면서 800 kg/h까지의 자료를 수집한 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 전열부의 총 열저항(1/U_oA_o)은 관내 유속(V)의 함수로 잘 표현되고 있다. 총 열저항값은 동일 관내 유량에서 환상공간의 유량의 증가에 따라서 감소하는데, 이는 유량의 증가에 따라 환상유로의 열전달계수가 증가하기 때문이다.

Fig. 4. 
Wilson plot for tube diameter of Di=8.0 mm

Fig. 5는 시험부의 총 열저항값(1/U_oA_o)을 Fig. 4의 수평축을 관내 열저항(1/h_iA_i)의 함수로 나타낸 것이다. Fig. 6은 환상유로의 열전달계수(1/h_oA_o)를 환상공간의 질량유량의 함수로 표시하였다. 따라서 전열관 내의 작동물질이 물이 아닌 냉매를 사용할 경우에도 식 (3)을 사용하여 관내 열전달계수를 결정할 수 있게 된다. 그림에서 알 수 있듯이 환상유로의 열전달계수는 환상공간의 직경비(a=D₂/D_o)에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 Dirker와 Meyer¹⁰⁾ 가 밝힌 바와 같이 환상유로의 직경비가 감소함에 따라서 열전달계수는 질량유량(레이놀즈수)에 대한 지수가 증가하는 것과 일치한다.

Fig. 5. 
Wilson plot (a) Di=8.0 mm, (b) Di=7.0 mm

Fig. 6. 
Heat transfer coefficient for annular side vs. mass flow rate (a) Di=8 mm, (b) Di=7 mm

대체냉매의 관내 열전달특성을 평가하기 위한 실험장치를 구성하고 동심이중원관 형식의 시험부에 대한 환상유로의 열전달계수를 구하는 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 환상유로의 열전달 계수는 기존의 Wilson plot 방법으로 잘 예측할 수 있으며, 주어진 운전조건과 환상유로의 직경비에 대해서 상관식을 제시하였다.

2) 환상유로의 열전달계수는 환상유로의 직경비의 감소에 따라서 증가하며, 환상유로에서의 질량유량(레이놀즈수)의 지수형태의 함수로 표시할 수 있다.