공조 및 냉동은 인간의 삶의 질 향상을 위해 오랜 기간에 걸쳐 개발되어 왔으며, 가장 중요한 부품 중 하나는 두 유체 사이에서 열을 전달시키는 열 교환기라 할 수 있다. 많은 종류의 열교환기 중에서 핀-튜브 타입의 열교환기는 자동차, 건물, 거주지, 산업, 시장 등의 냉난방 및 냉동에 널리 사용되어 왔다. 이중 상업용 저온 냉동의 경우, 압축기의 토출온도를 낮출 수 있는 R-502를 작동 유체로 사용해 왔다. 그러나 오존층 파괴의 문제로 인해 R-502의 대체냉매가 필요하게 되었고, 그 결과 R-404A가 널리 사용되어 왔다.
오존층 파괴 문제와 더불어, 현재는 지구온난화 문제로 인해 R-404A또한 다른 냉매로 대체 되어야하는 문제에 직면했다. 이와 관련하여, GWP100이 2500 이상인 냉매는 2020년 1월까지, 150 이상 냉매는 2022년 1월까지 단계적으로 사용이 중지되어야 한다[12]. 그 결과, 자연냉매와 HFO 계열의 냉매로 구성된 새로운 혼합냉매들이 R-404A 대체냉매로 제안되었다[14]. 이러한 대체 냉매 중 R-448A(GWP100:1273), R-449A(GWP100:1282) 및 R-407H(GWP100:1078)가 중기적으로, R-455A(GWP100:146GW) 및 R-445C(GWP100:45C)가 장기적으로 R-404A를 대체할 수 있다고 보고되었다.
상기 내용과 같이 R-404A 대체냉매에 대한 적용이 시급한 상황임에도 불구하고, R-404A 및 그 대체냉매들에 대한 열전달 연구는 상당히 부족한 실정이다. 이와 더불어, 기 수행된 일부 연구들은 대부분 핀-튜브 열교환기에 사용되는 대구경관을 이용하였다. 그러나, 최근 소형의 크기에도 우수한 열 성능을 보여주는 알루미늄 열교환기의 사용이 증가하는 추세이다. 알루미늄 열교환기는 냉매 충전량의 감소, 높은 관내측 열전달계수, 브레이징을 통한 핀과 튜브 사이 접촉저항 감소 등 기존 핀-튜브 열교환기에 비해 다양한 장점을 보이고 있다. 따라서, R-404A 대체냉매에 대한 열전달 성능연구는 대구경관 뿐만 아니라 소구경관(미니채널 튜브)에 대해서도 수행될 필요가 있다.
상기 내용과 관련 본 연구에서는 R-404A, 중기 대체냉매 2종(R-448A, R-449A), 장기 대체냉매 2종(R-454C, R-455A)에 대한 관 내 증발 및 응축 열전달 실험을 수행하였다. 시험 튜브로는 3종의 미니 채널 튜브가 사용되었으며, 각각 1.6mm 수력직경의 평활관(증발), 0.8mm 수력직경의 평활관(응축), 1.3mm 수력직경의 마이크로핀관(응축)에 해당한다. 응축 열전달 시험은 포화 온도 45°C, 열 유속 6.0 kW/m2, 질량 유속 310 - 620 kg/m2s에서 수행되었으며, 증발 열전달 시험은 포화온도 15℃, 열유속 2.8~6.5kW/m2, 질량유속 200~400kg/m2에서 수행되었다.


시험 결과, 계면에서의 농도차이에 기인하여 발생하는 열 및 물질 전달의 부가적인 저항들로 인하여, 열전달 계수의 저하가 관찰되었다. 그러나, 이러한 성능저하는 높은 질량유속에서 강한 난류에 의한 혼합 및 농도 경계층의 파괴로 인해 다소 약화되었다. 이러한 성능저하는 온도강하와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며, 응축 열전달에서는 3가지 인자(온도강하, 건도, 기체의 단상 열전달 계수)가 결합된 관계를 나타내었다 [52]. 이에 더하여, 핀이 도입될 경우 유동 조건에 따라 열전달 계수의 향상 및 저하가 복합적으로 나타남을 알 수 있었다. 또한, 증발 열전달의 경우 대류 열전달 뿐만 아니라 벽면에서의 핵 비등이 함께 고려되었으며, 혼합 냉매의 사용에 따른 성능저하는 두 열전달 현상 모두에서 관찰되었다. 시험을 통해 도출된 열전달 계수는 기존 상관식을 통한 예측 결과와 비교되었으며, 그 결과로 미니채널 튜브 내 증발 및 응축 열전달에 대한 적절한 상관식들이 제안되었다.

Air conditioning and refrigeration have been developed over a long time period to for a comfortable life of human. One of the most important components in the air conditioning and refrigeration is heat exchanger which enables the heat transfer between two working fluids. Among the many types of heat exchanger, fin and tube type of heat exchanger has been widely used in air conditioning and refrigeration of automobile, building, residence, industry, market, etc. In the case of the commercial refrigeration required low-temperature, R-502 which enables decreasing discharge temperature had been used for its working fluid. Due to the ozone layer depletion problem, however, the substitutes for R-502 had become necessary, and resultant R-404A was adapted as the alternative refrigerant.
After the ozone layer depletion issue, commercial refrigeration has been faced the problem of substituting R-404A once more due to the global warming issue. In this regard, refrigerants that have GWP100 of 2500 or more had to be phased out by January 2020 and that of 150 or more should be phased out by January 2022 [12]. As a result, other mixture refrigerants composed of natural refrigerant and HFOs were proposed as alternative refrigerants of R-404A to reduce GWP100[14]. Among these alternative refrigerants, R-448A (GWP100:1273), R-449A (GWP100:1282) and R-407H (GWP100:1078) are reported to be possible as interim alternative refrigerants, and R-455A (GWP100:146) and R-454C (GWP100:146) are reported to be possible as long-term alternative refrigerants [14].
Despite this urgent need to apply the R-404A alternative refrigerant, however, only some studies have been conducted regarding heat transfer coefficients of R-404A series, resulting in a considerable lack of data. In addition, despite the increasing use of aluminum heat exchangers which use mini-channel tubes due to their superior heat performance even in small sizes, most of the studies on R-404A alternative refrigerants have been conducted in conventional tubes used in fin-tube heat exchangers. Aluminum heat exchangers show many advantages, such as a reduction in refrigerant charging amount due to a smaller size than fin-tube heat exchangers, a higher tube side heat transfer coefficients with small hydraulic diameter, and reducing the contact resistance by brazing louver fin and tube. Therefore, it is necessary to evaluate the heat transfer coefficients of R-404A alternative refrigerants not only in conventional tubes but also in mini-channel tubes.
In this study, evaporation and condensation heat transfer experiments were carried out using mini-channel tubes for R-404A, two interim alternative refrigerants (R-448A, R-449A), and two long-term alternative refrigerants (R-454C, R-455A). A smooth tube with a hydraulic diameter of 0.8 mm for condensation, a micro-fine tube with a hydraulic diameter of 1.3 mm, and a smooth tube with a hydraulic diameter of 1.6 mm were used in this study. The saturation temperature of 45°C, heat flux of 6.0 kW/m2, and mass flux between 310 and 620 kg/m2s were maintained during the experiment of condensation heat transfer. In addition, saturation temperature of 15°C, heat flux between 2.8~6.5 kW/m2, and mass flux between 200 and 400 kg/m2s were maintained during the experiment of evaporation heat transfer.
As a result of the test, the degradation of heat transfer due to the additional resistance caused by the concentration difference on the interface was shown. The degradation became weaken as mass flux increased due to the stronger mixing and depletion of the concentration boundary layer. Moreover, the degradation was coupled with vapor quality and temperature glide as shown in the Bell and Ghaly [52] correction method. In addition, the use of a micro-fin tube caused enhancement and degradation compared to the smooth tube, and somehow complex relations were considered according to the mass flux and vapor quality. In the case of the evaporation, not only convective heat transfer but also nucleate boiling was considered, and resultant the influence of the additional resistances which affect the nucleate boiling also was observed. The experimental data of heat transfer coefficient were compared with the predictions which were obtained by existing mini-channel and conventional tube correlations. As the comparison results, appropriate correlations in each flow condition were suggested to predict the heat transfer coefficients of R-404A series.