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문제 정의
- 기존에 제작된 그루브 히트파이프(그루브수 14개)에 웍구조물을 첨가하여 얻어진 실험결과를 바탕으로 보다 나은 성능을 발휘할 수 있는 히트파이프 개발을 목적으로 그루브수 26개를 갖는 알루미늄 히트파이프를 설계, 제작하고 성능실험을 수행한 결과 아래와 같은 결론에 도달할 수 있었다.
- 본 연구는 폐열회수용 히트파이프식 열교환가(Heat Pipe Heat Exchanger, HPHX)의 성능개선에 관한 것으로 형상과 사용조건에 딱라 재질과 착동유체가 결정된 상태에서 윅(wick) 구조의 변경에 따른 성능향상방안을 도출하고 이를 HPHX 설계에 실제 적용하는 것을 목적므로 하고 있다. 윅 구조물의 형상변경에 대한 여러 연구결과들이 있으나(1) 여기서는 가공성, 적용성 및 내구성과 제작공정의 측면에서 복잡하지 많고 높은 성능을 엎을 수 있는 역사다리형의 그루브 윅을⑵ 기본 형상으로 하여 동일한 재질과 외경 및 작동유체을 갖는 관에 내부 그루브수를 2배 정도 증가시킬 경우 작동특성과 그 성능개선효과를 파악하는 실험을 수행하게 되었다.
- 본 연구는 폐열회수용 히트파이프식 열교환가(Heat Pipe Heat Exchanger, HPHX)의 성능개선에 관한 것으로 형상과 사용조건에 딱라 재질과 착동유체가 결정된 상태에서 윅(wick) 구조의 변경에 따른 성능향상방안을 도출하고 이를 HPHX 설계에 실제 적용하는 것을 목적므로 하고 있다. 윅 구조물의 형상변경에 대한 여러 연구결과들이 있으나(1) 여기서는 가공성, 적용성 및 내구성과 제작공정의 측면에서 복잡하지 많고 높은 성능을 엎을 수 있는 역사다리형의 그루브 윅을⑵ 기본 형상으로 하여 동일한 재질과 외경 및 작동유체을 갖는 관에 내부 그루브수를 2배 정도 증가시킬 경우 작동특성과 그 성능개선효과를 파악하는 실험을 수행하게 되었다.
제안 방법
- 35mm)을 세척한 후 TIG용접으로 부착하였다. 실험의 편의와 작동유체량을 변화시키기 위해서 주입관 끝에는 볼밸브(Copper, Whitey, 1/4")와 압력계를 부착하고 작동유체를 주입하였으며 실험도 밸브가 부착된 상태에서 진행되었다.
- 1(a)의 형태로 14개의 역사다리형의 내부 그루브를 갖는 히트파이트를 제작하고 이 경우를 1단계 기본모델로 하여 성능평가실험을 수행한 바 있다. 그러나 그루브웍만을 사용한 경우 기대한 만큼의 충분한 성능한계를 얼을 수 없었기 때문에 스크린 떼쉬(screen mesh, #400, STS316)를 그루브 파이프 내벽에 부착시킨 조합형 왹을 적용한 하트파이프를 2단계로 제작 하였다.
- 28) 11개를 증발부에 5개(T/C #1~ T/C #5), 단열부에 1개(T/C #6), 응축부에 5개 (T/C #7~ T/C #11)를 열전도도가 우수한 접착제(Omega Bond 200)를 사용하여 각각 부착하였다. 기존의 연구⑵에서 히트파이프 내무의 작동온도를 측정한 곁과 작동온도는 히트파이프의 단열부온도와 유사하였으므로, 본 실험에서는 히트파이프 내부의 작동온도를 측정하지 않고 단열부의 온도를 작동온도로 간주하였다. 냉각자켓의 입출구에 각각 열전대를 부착하여 입구의 냉각수 온도와 출구의 온도를 측정하여 실험에 대한 검증을 할 수 있게 하였다.
- 기존의 연구⑵에서 히트파이프 내무의 작동온도를 측정한 곁과 작동온도는 히트파이프의 단열부온도와 유사하였으므로, 본 실험에서는 히트파이프 내부의 작동온도를 측정하지 않고 단열부의 온도를 작동온도로 간주하였다. 냉각자켓의 입출구에 각각 열전대를 부착하여 입구의 냉각수 온도와 출구의 온도를 측정하여 실험에 대한 검증을 할 수 있게 하였다. 실제 실험결과 냉각자켓으로 회수되는 열량을 계산한 결과 입력된 열량에서 5%에서 10%의 오차가 발생하였다.
- 65mm, 4Ω/m)을 등간격으로 감아 균일한 열유속 조건을 형성할 수 있게 하였고, 옹축부(Le=500mm)에는 냉각재킷(알루미늄 재질)을 설치하여 균일한 온도 조건이 형성되도록 하였다. 또한 히트파이프 온도분포를 위해 파이프 외벽에 T-type 열전대(Φ 0.28) 11개를 증발부에 5개(T/C #1~ T/C #5), 단열부에 1개(T/C #6), 응축부에 5개 (T/C #7~ T/C #11)를 열전도도가 우수한 접착제(Omega Bond 200)를 사용하여 각각 부착하였다. 기존의 연구⑵에서 히트파이프 내무의 작동온도를 측정한 곁과 작동온도는 히트파이프의 단열부온도와 유사하였으므로, 본 실험에서는 히트파이프 내부의 작동온도를 측정하지 않고 단열부의 온도를 작동온도로 간주하였다.
- 0mm)토서 초기 기본모델에서의 그루브 수를 14개에서 26개로 증가시킨 형상으로 체작하였다. 새로 체작된 그루브관을 사용한 히트파이프를 제작하고 그루브수를 증가시킨 경우의 성능특성을 2, 3단계에서 수행된 기존 연구결과와 비교하여 그루브수 중가에 따른 성능변화를 파악하고자 하였다. 이를 위해 히트파이프의 경사각과 작동유체의 충전량을 변화시키면서 작동특성과 작동한계를 알기 위한 실험을 수행하였고 이를 기존의 연구결과(2,3)와 비교하여 고효율 HPHX 설계 및 제작에 실제 응용하고자 하였다.
- 스크린 메쉬롤 부착한 조합형 윅을 적용함으로써 작동한계가 단일 그루브 히트파이프보다 200W 정도 증가되는 긍정적인 연구결과를 얻을 수 있었으나⑵ 계속적인 성능개선을 위해서 그루브 파이프 내벽에 스크린 메쉬를 부착한 상태에서 증기 영역 중심에 축방향으로 특수가공된 그루브 아터라(grooved artery)를 삽입한 히트파이프를 3단계로 제작하고 이 경우와 성능실험을 추가로 수행하였다. 그 결과 작동한계는 아터리를 삽입하지 않은 조합형 윅에 비해서 15% 정도 향상되었지만 열저항은 조합훵 왹을 사용한 경우보다 2배 가깝게 증가하는 결과를 얻게 되었다.
- 히트파이프 외벽에 부착된 열전대 11개와 냉각자켓 입출구에 부착된 열전대 2개는 열전대 터미널 블록을 통해서 PC 에 설치되어 있는 자료획득장치(DT-Open Layers DT30003-PGL Data Acquisition System 및 HP VEE 40)에 연결하여 온도를 측정, 저장할 수 있게 하였다. 실험은 히트파이프와 써모사이펀인 경우에 대하여 수행하였으며 우선 하트파이프 모드로 작동유체를 주입하여 진행하였다. 이때 경사각(본논문에서는 수평기준으로 웅축부가 중발 부위에 위치하도록 10° 기울인 경우 +10° 경사 각이라 함)을 0°, 1°, 3°, 5°, 10°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°로 변화시키면서 작동유체량 변화에 따른 성능변화를 실험하였다.
- 작동유체량은 써모 사이펀의 경우 증발부체적의 20%, 40%, 60%, 80 %, 100%인 경우에 대하여 수행하였는데 여기서 60%는 히트파이프 모드로 산정한 주입량과 거의 같은 값에 해당되었다. 써모사이펀 모드인 경우 각각의 주입량에 대해서 경사각을 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 주입된 작동유체량을 Table 1에 정리하였다.
- 위와 같이 단계별로 수행된 일련의 실험결과를 바탕으로 최종적으로 새로운 그루브 파이프를 설계· 제작하게 돠었다. 그루브는 초기에 적용한 역사다리형과 유사하나 Fig.
- 실험은 히트파이프와 써모사이펀인 경우에 대하여 수행하였으며 우선 하트파이프 모드로 작동유체를 주입하여 진행하였다. 이때 경사각(본논문에서는 수평기준으로 웅축부가 중발 부위에 위치하도록 10° 기울인 경우 +10° 경사 각이라 함)을 0°, 1°, 3°, 5°, 10°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°로 변화시키면서 작동유체량 변화에 따른 성능변화를 실험하였다. 작동유체량은 써모 사이펀의 경우 증발부체적의 20%, 40%, 60%, 80 %, 100%인 경우에 대하여 수행하였는데 여기서 60%는 히트파이프 모드로 산정한 주입량과 거의 같은 값에 해당되었다.
- 새로 체작된 그루브관을 사용한 히트파이프를 제작하고 그루브수를 증가시킨 경우의 성능특성을 2, 3단계에서 수행된 기존 연구결과와 비교하여 그루브수 중가에 따른 성능변화를 파악하고자 하였다. 이를 위해 히트파이프의 경사각과 작동유체의 충전량을 변화시키면서 작동특성과 작동한계를 알기 위한 실험을 수행하였고 이를 기존의 연구결과(2,3)와 비교하여 고효율 HPHX 설계 및 제작에 실제 응용하고자 하였다.
- 히트파이프 성능파악을 위한 실험을 하기 위해서 Fig. 2와 같이 증발부(Le=500mm)에 열선(유리섬유로 피복된 니켈합금, Φ 0.65mm, 4Ω/m)을 등간격으로 감아 균일한 열유속 조건을 형성할 수 있게 하였고, 옹축부(Le=500mm)에는 냉각재킷(알루미늄 재질)을 설치하여 균일한 온도 조건이 형성되도록 하였다. 또한 히트파이프 온도분포를 위해 파이프 외벽에 T-type 열전대(Φ 0.
- 3과 같이 구성하였다. 히트파이프 외벽에 부착된 열전대 11개와 냉각자켓 입출구에 부착된 열전대 2개는 열전대 터미널 블록을 통해서 PC 에 설치되어 있는 자료획득장치(DT-Open Layers DT30003-PGL Data Acquisition System 및 HP VEE 40)에 연결하여 온도를 측정, 저장할 수 있게 하였다. 실험은 히트파이프와 써모사이펀인 경우에 대하여 수행하였으며 우선 하트파이프 모드로 작동유체를 주입하여 진행하였다.
대상 데이터
- 위와 같이 단계별로 수행된 일련의 실험결과를 바탕으로 최종적으로 새로운 그루브 파이프를 설계· 제작하게 돠었다. 그루브는 초기에 적용한 역사다리형과 유사하나 Fig. 1(b)와 같이 그루브 수 26개, 그루브 깊이는 1.5mm(상부 그루브 폭 은 0.56mm, 하부 그루브 폭은 1.0mm)토서 초기 기본모델에서의 그루브 수를 14개에서 26개로 증가시킨 형상으로 체작하였다. 새로 체작된 그루브관을 사용한 히트파이프를 제작하고 그루브수를 증가시킨 경우의 성능특성을 2, 3단계에서 수행된 기존 연구결과와 비교하여 그루브수 중가에 따른 성능변화를 파악하고자 하였다.
- 연구에 사용된 히트파이프의 채질은 AL6063- T5이고 앞서 설명한 바와 같이 그루브 수 26개, 외경 15.88mm, 관 두께가 1mm가 되도록 관을 압출성형을 하였다. 축방향 단위길이당 파이프 내벽의 현적은 그루브수가 14개일 때보다 10% 정도 증가하였다.
- 축방향 단위길이당 파이프 내벽의 현적은 그루브수가 14개일 때보다 10% 정도 증가하였다. 히트과아프의 길이는 증발부와 응축부의 길이는 각각 500mm, 단열부 길이는 100mm로 하여 1100mm로 제작하였다. 같은 제질의 두께 2.
성능/효과
- #3은 이번 연구에서 얻은 실험결과로 충전율 60%일 때를 보여주고 있다, 내부에 추가적인 구조물 삽입 없이 그루브수를 26개로 증가시킨 것이 기존의 조합형 윅을 사용한 경우(#1:작동한계 360 W)와 아터리를 삽입한 경우(#2 : 작동한계 400W)보다 성능이 월등하게 향상되어 작동한계가 700W 정도에 이르러 약 2배 정도 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 열저항은 200W 부근에서 보면 조합형 윅을 사용한 #1의 경우 0.
- (1) 작동유체량의 변화에 따른 히트파이프의 성능실험결과는 작동유체량이 중발부 체적의 60%일 경우가 가쟝 양호한 성능을 얻을 수 있었으며, 이때의 충전량은 히트파이프 모드로 계산된 양과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다(5% 차이). 그 다음으로 충전율 80%, 40%, 100%일 경우의 순으로 나타났으며, 충전율 20%인 경우에는 열부하가 적은 경우 쉽게 작동한계에 도달하였다.
- (2) 경사각의 변화에 따른 성능변화에서는 경사각이 20° 전후에서 가장 양호한 성능을 나타내고 있다. 이와 같은 결과는 일반적인 나관형 써모싸이펀에서 45° 전후에서 가장 양호한 성능을 보이는 것과는 다른 차이를 보이고 있는데 이것은 그루브에 의해 축방향으로 귀환되는 응축액이 그루브의 골을 채우게 되고 이에 따라 응축액막의 두께가 나관에 비해 상대적으로 얇아지며 그루브를 따라 축방향으로의 액체귀환이 더 안정적으로 이루어지기 떄문으로 판단된다.
- (3) 본 연구결과를 14개의 그루브에 매쉬를 삽입한 조합형 윅 (Combined wick)을 사용한 기존 연구결과(2,3)와 비교해 보면 그루브수를 증가시킴으로써 적은 그루브수에 추가적인 윅구조물을 첨 가한 경우보다 열전달성능에서 1.75〜2배 정도, 열저항으로 보면 절반 정도로 감소하는 상당히 양호한 성능을 얻을 수 있었으며, 이와 같은 결과는 고효율 HPHX 설계에 실제 적용할 수 있는 유용한 결과로 판단된다.
- 계속적인 성능개선을 위해서 그루브 파이프 내벽에 스크린 메쉬를 부착한 상태에서 증기 영역 중심에 축방향으로 특수가공된 그루브 아터라(grooved artery)를 삽입한 히트파이프를 3단계로 제작하고 이 경우와 성능실험을 추가로 수행하였다. 그 결과 작동한계는 아터리를 삽입하지 않은 조합형 윅에 비해서 15% 정도 향상되었지만 열저항은 조합훵 왹을 사용한 경우보다 2배 가깝게 증가하는 결과를 얻게 되었다. 또한 이와 같이 성능개선을 위해 복잡한 윅 구조물을 적용하는 경우 작동한계는 다소 증가하나 구조물의 삽입에 따른 열저항이 중가로 저온용 히트파이프에서 작동성능을 종합적으로 향상시키기 어렵다는 최종적인 결론을 얻을 수 있었다⑶.
- (1) 작동유체량의 변화에 따른 히트파이프의 성능실험결과는 작동유체량이 중발부 체적의 60%일 경우가 가쟝 양호한 성능을 얻을 수 있었으며, 이때의 충전량은 히트파이프 모드로 계산된 양과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다(5% 차이). 그 다음으로 충전율 80%, 40%, 100%일 경우의 순으로 나타났으며, 충전율 20%인 경우에는 열부하가 적은 경우 쉽게 작동한계에 도달하였다.
- 그 결과 작동한계는 아터리를 삽입하지 않은 조합형 윅에 비해서 15% 정도 향상되었지만 열저항은 조합훵 왹을 사용한 경우보다 2배 가깝게 증가하는 결과를 얻게 되었다. 또한 이와 같이 성능개선을 위해 복잡한 윅 구조물을 적용하는 경우 작동한계는 다소 증가하나 구조물의 삽입에 따른 열저항이 중가로 저온용 히트파이프에서 작동성능을 종합적으로 향상시키기 어렵다는 최종적인 결론을 얻을 수 있었다⑶.
- 냉각자켓의 입출구에 각각 열전대를 부착하여 입구의 냉각수 온도와 출구의 온도를 측정하여 실험에 대한 검증을 할 수 있게 하였다. 실제 실험결과 냉각자켓으로 회수되는 열량을 계산한 결과 입력된 열량에서 5%에서 10%의 오차가 발생하였다.
- 이는 본 실험에서 사용한 그루브관의 그루브 영향으로 판단된다. 이 경우에서 가장 성능이 양호한 경우는 경사각 15°, 작동유체 주입량 60%일 때이며 경사각 3°인 경우 80%와 60%가 비슷한 성능을 내고 있음을 알 수 있는데, 이와 같은 경향은 단열부온도 40℃와 50℃인 경우의 성능실험에서도 유사하게 나타나고 있음을확인할 수 있었다.
- 실제 주입된 양은 계산량의 10%를 추가하였다. 이와 같이 주입할 경우 26개의 그루브를 갖는 히트파이프 모드에서 주입된 작동유체의 양은 14개의 그루브를 갖는 히트파이프의 작동량에 비하여 56%가 증가하였다, 작동유체량의 변화에 따른 성능실험의 경우 충전할 작동유체량은 증발부 체적을 기준으로 작동유체의 액상이 차지하는 비율로서 결정하였다.⑸ 히트파이프 모드로 계산된 작동유체 충전량은 중발부 체적을 기준으로 산출할 경우 증발부 체적의 60%에 해당하는 양보다 약 4% 정도 작은 양이다.
- 88mm, 관 두께가 1mm가 되도록 관을 압출성형을 하였다. 축방향 단위길이당 파이프 내벽의 현적은 그루브수가 14개일 때보다 10% 정도 증가하였다. 히트과아프의 길이는 증발부와 응축부의 길이는 각각 500mm, 단열부 길이는 100mm로 하여 1100mm로 제작하였다.
- 작동온도 전체 범위에서 가장 양호한 성능은 충전율 60%인 경우 즉 히트파이프 모드로 작동유체량을 산정하여 주입한 경우이며 그 다음으로 80%, 40% 순으로 나타나고 있다. 충전율 20%와 100%는 나머지 경우와 큰 차이를 보이고 있다, 특히 20%는 작동 한계에 쉽게 도달하여 급격히 성능이 낮아지는 것을 알 수 있는데, 이와 같은 경우는 경사각 15°인 경우의 성능실험에서도 유사하게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
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