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공학교육의 현장 Part 3 우수 연구실 소개
40·공학교육
한양대학교 기계공학과 학사/석사/ 박사한국과학기술연구원 Postdoc일본 동경 농공대 Postdoc㈜LG전선 기계연구소 책임 연구원대한 기계학회 플랜트부문 임원(현)전북대학교 기계설계공학부 교수관심분야: 열공학, 냉동공조, 열물질전달 촉진
박 찬 우전북대학교 기계설계공학부 교수[email protected]
전북대학교 에너지 & 물질 순환 시스템 연구실
에너지와 물질 순환 시스템 연구
본 연구실 (Energy Material Circulation System
Laboratory, EMCSL)은 국제 기술동향에 활용 가능한
친환경 및 에너지 절약에 대응한 냉동 및 열시스템 설계
기술을 개발하고 이를 다양한 분야에 적용하고 있으며,
열전달 연구 및 유체 유동의 관련 분야의 연구들도 활발
히 진행 중에 있다. 최근 열전달 연구 및 유체 유동에 대
한 연구로서 CFD 해석을 병행하며 연구에 대한 신뢰성
및 정확도를 높이고 있다. 에너지와 물질 순환에 대한 연
구로서 흡수식/ 흡착식 냉동기, 태양열 에너지, 산업폐열
등을 활용한 효율 향상 시스템을 연구하고 있으며 열·유
체역학 지식과 연구 기술을 기반으로 다양한 분야에 접
목하여 연구개발을 이뤄나가고 있다. 아울러 신소재인 탄
소 나노 섬유와 탄소나노 튜브등을 이용한 열 및 물질
전달 촉진에 관한 연구를 활발히 수행하고 있어 기존의
열·유체 공학에 신 소재 공학의 융합적인 연구를 수행하
고 있다. 다음 장에서는 최근에 2-3년동안 수행중인 연
구내용을 소개하려고 한다.
신소재를 이용한 열전달 촉진 기술 개발
- 탄소 소재 코팅을 이용한 비등 열전달 촉진 연구
금속 표면에서 비등 열전달을 촉진을 위하여 CNT를
기존방식과 다른 방법으로 금속 표면위에 코팅한다. 이
를 위하여 attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/
구리입자복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후
입자들을 소결 코팅하였다. CNT/금속 복합재료의 소결
코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리그림 1. 박찬우 교수와 연구원들
전북대학교 에너지 & 물질 순환 시스템 연구실
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한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다.
그림2 에서 보듯이 CNT/Cu 다공성 코팅의 단면을 볼
수 있는데 이들의 비등 열전달은 기존의 평판대비 매우
높은 열전달 계수를 나타내고 있다.
- Cold spray coating 열전달 촉진 및 기능성 코팅 연구
본 연구실에는 Cold spray coating 시스템 구성되
어 있어 기능성 코팅을 연구하고 있다. 저온분사(Cold
spray)이란1-50㎛(최대 200㎛) 사이즈의 금속, 복합재료
또는 고분자 분말을 N₂, Air, He 혹은 혼합가스와 같은
압축가스를 이용하여 가속된 가스 기류에 분말을 혼합한
후 Laval 타입의 노즐을 통하여 초음속(300~1200m/
sec)으로 가속하여 대상물에 분사함으로써 분말의 용융
에 의한 코팅이 아닌 운동에너지에 의한 소성변형으로
고상상태의 코팅이 이루어지는 기술이다. 특히, 분말을
고온으로 용융시키지 않고 입자를 고착시킬 수 있으므로
플라즈마 코팅법을 포함한 기존 용사코팅 공정에서 문제
될 수 있는 산화에 의한 물성변화, 상변화, 상분해, 결정
립 성장 등 단점들을 극복할 수 있어 준안정, 나노 결정
소재 및 이들의 복합소재 코팅 제조법으로의 가능성이
새롭게 부각 되고 있다.
본 연구에서는 sus 재질 판형 열교환기에 해수용 항부
식 특성을 부여하기 위하여 해수가 닫는 부분에 항부식
특성이 강한 Ti 파우더를 코팅하였다. Ti은 열전도성이
낮아 열도성을 높이기 위하여 Ti/CNT 복합재료를 저온
분사를 이용하여 코팅하여 열전도성과 항부식성이 우수
한 열교환기를 구현할 수 있었다.
그림 3. Cold spray coating 시스템 구성
그림 4. 저온 분사의 여러 가지 코팅 예
그림 5. Ti 코팅 sus 판형 열교환기 전열판
그림 2. CNT/Cu 다공성 코팅 및 비등 열전달 특성
공학교육의 현장 Part 3 우수 연구실 소개
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신소재 적용 냉동기용 열교환기 성능 촉진 연구
- 흡수식/ 흡착식 냉동기용 증발기
흡수식/ 흡착식 냉동기는 산업 폐열을 이용하여 냉방
을 할 수 있는 시스템으로서 전기를 적게 사용하기에 친
환경 시스템으로 큰 주목을 받고 있다. 냉동기 구성요소
중 증발기는 냉방을 직접적으로 일어나는 곳으로 열 및
물질전달 과정이 발생되어지는 부분이다. 이러한 증발기
는 물의 증발 잠열을 효과적으로 이용하기 위하여 모세
관 현상 적용하면 높은 냉각 성능을 발휘 할 수 있다. 이
러한 반만액식 증발기는 기존의 유하액막식 증발기보다
액막 두께가 작아 낮은 포화 증기압을 이용하고, 열/물질
이동 저항이 크지 않다. 이러한 반만액식 증발 열전달을
촉진시키기 위해서는 열전달 표면에 모세관 현상이 잘 일
으키는 표면 구조로 이루어져야한다. 따라서 기계적인 가
공 구조와 화학적인 표면 특성이 잘 조화가 되어야한다.
기계적인 구조는 표면에 미세 가공과 다공성 입자 코팅을
통하여 이루어질 수 있으며 화학적인 표면특성은 열전달
촉진을 위한 탄소나노 튜브와 친수성 코팅을 통하여 이
루어 질 수 있었다. 그림 6은 친수성 코팅에 따른 CNT/
Cu 다공성 입자 코팅에서 물 접촉각 변화를 나타낸다.
그림에서 보듯이 친수성 코팅 시 접촉각도가 매우 작고
모세관 현상도 활발히 일어남을 알 수 있다. 이러한 코팅
을 전열관에 적용하면 보다 기존 전열관 보다 높은 열전
달 성능을 나타낸다. 그림 7은 증발실험을 위한 가공 전
열관과 그림 8은반만액식 실험 장치를 나타낸다. 가공 전
열관의 표면 형상과 친수성 코팅의 유무에 따라 성능차
이가 매우 큼을 알 수 있다. 결론적으로는 친수성 코팅
전열관의 열전달 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.
- 터보 냉동기용 증발기
터보 냉동기는 압축기가 임펠러 형태로가공 되어있
으며 중대형 건물의 냉방에 적용되는 중대형급 용량의
증기 압축식 냉동기를 지칭한다. 이러한 냉동기의 만
액식 증발기는 전열관 내부로 냉수가 지나가고 전열관
외부에는 냉매가 풀비등 형태로 증발하게 된다. 본 연
그림 6. 반만액식 증발과 모세관 현상의 개념
그림 7. 친수성 코팅에 따른 물/접촉각 변화 및 모세관 형상 차이
그림 8. 반만액 증발기 실험 장치
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구실에서는 증발기 전열관 표면에 탄소나노튜브 코팅
하여 증발 열전달 촉진을 하였다. 이러한 경우에는 기
존의 방식의 기계적 가공을 한 전열관 보다 매우 높은
열전달 성능을 달성하였는데 이러한 현상은 그림 2의
결과에서도 유래가 된다.
열전도성 폴리머 소재 개발 및 열교환기 적용
냉동 공조, 냉동과 에너지-회수 응용시스템에서 핀-
튜브 또는 평판-핀 열 교환기로 대부분 현재, 동, 알루미
늄 또는 스틸 등으로 구성되는 이루어져 있다. 그러나 금
속 열교환기의 파울링과 부식, 무게, 소재 가격 등을 고
려하여 다른 재질이 필요하게 되고 있다. 이에 따라 폴리
그림 9. CNT(20vol%)+Cu sintering 코팅 비등현상
그림 10. 기존 증발 전열관 비등 현상
그림 12. 열전도성 필러적용 열전도성 폴리머 개발
그림 13. 열전도성 필러가공에 따른 폴리머 열전도도 변화
그림 11. 기존 전열관과 CNT코팅 전열관 성능 비교
공학교육의 현장 Part 3 우수 연구실 소개
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머 및 고분자 복합재 (PMCs)에 강도와 열전도를 고려한
탄소소재를 이용한 열전도 복합 소재 열교환기용 물질이
관심이 되고 있다. 본 연구실에서는 이러한 열전도성 폴
리머를 열전도성 물질과 혼합하여 직접 제작하고 있으며
열적 기계적 성능을 평가하고 이를 열교환기 적용 그 성
능을 평가 하고 있다.
전산 해석을 통한 열교환기 최적 설계
- 스팀/흡수액 판형 열회수기 최적 설계
1중 효용 흡수식 냉동기에 사용 되고 있는 기존방식의
스팀/흡수액 열 교환기는 대부분 쉘앤튜브 타입(Shell
and Tube type)으로 부피가 크고 성능이 그다지 높지
않다. 따라서 이를 개선하기 위해서는 판형 타입의 스
팀/흡수액 열 교환기를 새로 개발할 필요가 있다, 따라
서 스팀/ 흡수액 판형 열교환기의 열유동 전산 해석을
통하여 최적 설계안을 파악하고 이를 제작, 실험을 진행
하는 연구를 하고 있다. 그림 17은 최적 설계를 통하여
제작된 고효율의 판형 열회수기 전열판을 나타낸다. 그
림 18은 열교환기의 성능 파악을 위한 실험장치를 구성
을 나타낸다.
- 터보냉동기 인버터 냉각용 수냉식 히트싱크 plate
개발
모터 제어용 인버터는 컨버터와 인버터부 및 제어회로
부로 구성되어 있다. 외부의 상용전원을 컨버터가 받아
직류전원으로 변환하고, 평활회로에서 리플을 제거한 후
다시 인버터부에서 교류로 변환하여 교류 전력인 전압과
주파수를 제어한다. 그 과정 중 고속 스위칭과 제동저항
등으로 인해 발열이 발생하고 이 발열로 인한 손실과 제
품의 내구성, 모터의 효율이 저하된다. 이러한 문제를 해
결하기 위해 기존에는 히트싱크를 설치하고 냉각팬을 돌
려 공랭식으로 냉각을 하게 된다. 하지만 냉각팬의 고장,
판넬부의 통풍이 제대로 되지 않아 주위 온도가 올라가
게 되면 인버터는 과열되어서 과열 트립이 발생하게 되고
이는 장치의 수명을 단축시키는 중요한 요인이 되고 그
부피도 매우 커서 큰 단점이 되고 있다. 따라서 기존 인
버터 냉각 시스템 개선하여 안정적인 운전을 보장하고 공
간의 효율적인 사용을 가능하게 만드는 수냉식 인버터
냉각기 연구 중이다. 기존 공랭식 냉각 시스템과 비교하
기 위해 동일한 인버터로 연구를 진행하고 실험 장치를
구성하였다.
기존 공랭식과 다른 수냉식의 워터박스에 대한 최적설
계를 CFD 해석을 통해 진행하여 최적 모델 군을 정하여
실제 가공하여 연구를 진행하였다. 수냉식 인터버 냉각
장치에 대한 워터박스 유로는 해석 결과를 바탕으로 제
작을 진행하였고 실제 실험을 통해 신뢰도를 평가하였다.
그림 15. CFX 프로그램을 통한 최적설계그림 14 . 폴리머 적용 전열 판
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그림 21과 같은 해석 결과를 통해 실제 제작하려고 하
는 형태를 워터박스의 최적 설계를 통하여 찾고 실제 제
작 하였다. 냉각 유로 설계, 난류발생 모델 적용 등의 유
로설계과정을 마친 후 직접 가공한 워터박스로 성능 실
험을 진행하였다. 또한 유동해석 프로그램을 이용하여
해석 결과 값과 실제 실험 적용 데이터를 비교 분석하여
최종적인 워터박스 유로가공을 최적화 하는 연구를 진행
중이다.
흡수식 히트 펌프 시스템 연구
흡수식 히트펌프는 압축식 히트펌프에서 압축 행정 대
신에 흡수액의 가열에 의한 냉매의 고압·증발 프로세
스를 이용한 것이다. 냉매(물) 증기를 흡수하여 묽어진
그림 16. 판형열회수기 Plate
그림 17. 열회수기 실험 장치
그림 18. 수냉식 인버터 실험 개념도
그림 19. 수냉식 냉각 유로 해석 결과
그림 20. 수냉식 인버터 냉각 시험장치
공학교육의 현장 Part 3 우수 연구실 소개
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LiBr 수용액은 펌프에 의하여 재생기로 이송되며, 여기
에서 열을 가하여(버너, 폐열 등) 냉매(물)를 증발시키고
수용액은 다시 농축된다. 이 농축된 수용액은 다시 증
발기에서 증기를 흡수하는 과정을 반복 한다. 흡수식 히
트펌프는 전기 에너지에 의해 구동되는 압축식과 달리,
가스의 연소열이나 온수, 증기의 열을 이용하여 열을 펌
핑하는 것으로 대용량의 열을 회수하는 곳에 주로 사용
된다.
본 연구실에서는 폐열을 이용하여 고온의 스팀을 발생
하는 2종 흡수식 히트펌프를 Lab scale 규모로 제작하
여 이에 대한 성능 연구를 진행 중에 있다. 이러한 실험
결과는 사이클 계산 결과와 비교하여 그 성능 개선을 파
악하는 연구 중이다.
전북대학교 에너지&물질 순환 시스템 연구실
(EMCSL)은 그 외에 에너지 관련 여러 가지 연구를 진
행중이나 지면을 고려하여 간략히 소개하였다. 향후에
도 친환경 및 에너지 절약에 대응한 냉동 및 열시스템
설계 기술을 개발하고 이를 다양한 분야에 적용고자
최선의 노력을 다하고자 한다.
그림 21. 2종 히트펌프 에너지 평형 및 듀링 사이클 선도
그림 22. 2종 1단 흡수식 히트 펌프 사이클
그림 23. Lab scale 2종 1단 흡수식 히트 펌프 실험 장치
