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문제 정의
- Han과 Cho8)의 실험 결과에 의하면 열사이폰 내부 작동 유체의 포화온도는 단열부의 벽면온도와 1 %의 오차범위에 잘 일치하였다. 본 연구에서는 축 방향 그루브형 및 나선 그루브형 열사이폰의 응축열전달 성능을 실험적으로 규명하고, 작동유체의 종류, 충전량, 경사각의 변화, 포화압력의 변화, 응축부의 냉각수 유속 변화에 대한 열전달을 비교·분석하고자 한다.
- 것으로 고려된다. 즉, 열사이폰의 장점은 응축잠열을 이용하여 열전달 성능이 크게 향상시키는데 연구의 목적이 있다. 혼합된 2상류가 응축 열전달 성능이 크게 감소하게 되는 것으로 고려된다.
제안 방법
- 2는 열사이폰 내부 작동유체의 포화온도와 벽면온도 측정 위치를 나타낸다. 벽면온도는 Fig. 2 와 같은 간격으로 열사이폰 벽면에 열전대를 부착하여 측정하였으며, 열사이폰 내부 작동유체의 포화온도는 열사이폰 내부의 중심 축에 축 방향으로 Fig. 2와 같은 간격으로 설치하여 측정하였다.
- 열사이폰의 표면온도를 측정하기 위하여 파이프 표면에 폭 2mm, 깊이 0.3mm, 길이 20mm 크기의 흠을밀링 가공하여 파이프를 에탄올로 깨끗이 세척하여 열전대선 접점의 흠에 완전히 접착시킨 후 은납으로 채우고 24시간이 경과한 다음 외부의 열교란을 방지하기 위하여 에폭시 수지로 덮었다. 그리고 증발부와 응축부의 길이 방향으로 120mm 간격으로 각각 4점, 단열부 중앙에 1점을 열전대를 사용하여부착하였다.
- 3mm, 길이 20mm 크기의 흠을밀링 가공하여 파이프를 에탄올로 깨끗이 세척하여 열전대선 접점의 흠에 완전히 접착시킨 후 은납으로 채우고 24시간이 경과한 다음 외부의 열교란을 방지하기 위하여 에폭시 수지로 덮었다. 그리고 증발부와 응축부의 길이 방향으로 120mm 간격으로 각각 4점, 단열부 중앙에 1점을 열전대를 사용하여부착하였다. 증발부, 응축부 및 단열부의 내부 시험관 온도를 측정하기 위해서는 톡수 제작한 온도센서를 상부와 하부의 시험관을 통하여 9점을 설치하여 내부의 온도를 측정하였다.
- 그리고 증발부와 응축부의 길이 방향으로 120mm 간격으로 각각 4점, 단열부 중앙에 1점을 열전대를 사용하여부착하였다. 증발부, 응축부 및 단열부의 내부 시험관 온도를 측정하기 위해서는 톡수 제작한 온도센서를 상부와 하부의 시험관을 통하여 9점을 설치하여 내부의 온도를 측정하였다. 증발부와 응축부의입구 및 출구의 온도를 측정하기 위하여 각각의 입, 출구에 온도센서를 4점을 심었다.
- 증발부, 응축부 및 단열부의 내부 시험관 온도를 측정하기 위해서는 톡수 제작한 온도센서를 상부와 하부의 시험관을 통하여 9점을 설치하여 내부의 온도를 측정하였다. 증발부와 응축부의입구 및 출구의 온도를 측정하기 위하여 각각의 입, 출구에 온도센서를 4점을 심었다. 본 연구에 사용된 열전대와 온도센서들은 냉점을 통하여 보정하였다.
- 4는 나선 그루브 단면을 25배 확대한 사진이다. 이와 같이 나선 그루브형 열사이폰 내부 작동 유체의 포화온도와 표면 온도의 관계를 연구하기 위해 증류수, 메탄올, 에탄올에 대하여 각각, 그루브수를 50, 60, 70, 80, 90개의 다섯 가지 조건에서 실험을 수행하였다.
- 실험에 사용된 작동유체는 증류수이며, 증발부에 순환하는 가열수의 온도는 80°C의 조건에서 실험결과를 산출하였다. 열사이폰의 작동 유체의 봉입률은 열사이폰의 총체적의 10%, 20%, 25%, 30%, 40%의 다섯 가지 조건에서 작동유체의 봉입률 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다. 열사이폰의 경사각을 10°~90°까지 변화에 대한 열사이폰의 응축 열유속을 산출하였다.
- 열사이폰의 작동 유체의 봉입률은 열사이폰의 총체적의 10%, 20%, 25%, 30%, 40%의 다섯 가지 조건에서 작동유체의 봉입률 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다. 열사이폰의 경사각을 10°~90°까지 변화에 대한 열사이폰의 응축 열유속을 산출하였다.
- 9는 평관형과 마이크로 그루브수형의 그루브수가 다섯 가지에 대한 응축 열유속의 변화를 나타낸다. 그리고 평관형 열사이폰과 마이크로 그루브형 열사이폰의 응축 열유속을 비교하였다. 그리고 마이크로 그루브수는 50, 60, 70, 80, 90 그루브의 조건에서 실험 데이터를 산출하고.
- 그리고 평관형 열사이폰과 마이크로 그루브형 열사이폰의 응축 열유속을 비교하였다. 그리고 마이크로 그루브수는 50, 60, 70, 80, 90 그루브의 조건에서 실험 데이터를 산출하고. 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다.
- 그리고 마이크로 그루브수는 50, 60, 70, 80, 90 그루브의 조건에서 실험 데이터를 산출하고. 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다. 작동 유체는 메탄올과 에탄올을 실험에서 사용하였다.
- 실험에 사용된 작동유체의 종류는 메탄올 및 에탄올이며, 증발부에 순환하는 가열수의온도는 60°C와 80°C의 두 가지 조건에서 실험 결과를 산출하였다. 열사이폰의 마이크로 그루브수는 50, 60, 70, 80, 90그루브의 다섯 가지 조건에서 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다. 열사이폰의 경사각을 10°~90°까지 변화에 대한 열사이폰의 응축 열유속을 산출하였다.
대상 데이터
- 1은 열사이폰의 시험구간을 나타낸 것이다. 시험구간의 총길이는 1200mm이다. 시험구간은 증발 부, 단열부, 응축부로 구성되며, 증발부와 응축부의 길이는 각각 550mm이며, 단열부는 100mm이다.
- 시험구간의 총길이는 1200mm이다. 시험구간은 증발 부, 단열부, 응축부로 구성되며, 증발부와 응축부의 길이는 각각 550mm이며, 단열부는 100mm이다. 열사이폰은 내경이 14.
- 시험구간은 증발 부, 단열부, 응축부로 구성되며, 증발부와 응축부의 길이는 각각 550mm이며, 단열부는 100mm이다. 열사이폰은 내경이 14.28mm이고, 외경은 15.88mm 이다. 열사이폰의 재질은 구리이며 외표면은 평관 형과 나선 그루브형 모두 아무런 가공이 없는 매끈한 파이프를 사용하였으며, 내표면은 평관형은 가공이 없는 매끈한 상태이고, 나선 그루브형은 그루브가 있는 형상을 사용하였다.
- 88mm 이다. 열사이폰의 재질은 구리이며 외표면은 평관 형과 나선 그루브형 모두 아무런 가공이 없는 매끈한 파이프를 사용하였으며, 내표면은 평관형은 가공이 없는 매끈한 상태이고, 나선 그루브형은 그루브가 있는 형상을 사용하였다. 가열수용 항온조에서 일정한 온도 가열수는 펌프를 통하여 길이 550mm, 내경 38mm, 외경 42mm인 가열수 챔버의 환상공간 내부로 흘러 열사이폰의 증발부를 가열한다.
- 진공 시스템은 진공 펌프, 진공 밸브, 작동유체 주입장치로 구성된다. 열사이폰의 제작은 고진공을 요구하므로 본 연구에서 사용된 진공펌프는 1차적으로 로터리 펌프에 의하여 1 X 102torr까지 진공시킨 후 2차적으로 확산 펌프를 사용하여 1 X 105 torr까지 고진공을 생성할 수 있는 로터리 펌프와 확산 펌프로 구성된 시스템를 사용하였다.
- 5는 응축부의 포화증기 온도분포와 벽면 온도분포의 차에 대한 응축열전달계수의 변화를 나타낸다. 실험에서 작동유체는 증류수, 메탄올과 에탄올을 사용하였다. 작동유체의 충전율은 열사이폰의총체적의 30%를 충전하였다.
- 6은 경사 열사폰의 경사각 변화에 대한 응축열전달계수의 변화를 나타낸다. 작동유체는 증류수, 메탄올 및 에탄올이며, 작동유체의 충전율은 30%, 가열수의 온도는 80°C이다.
- 7은 마이크로 그루브수가 60그루브인 열사이폰의 작동유체의 변화에 대한 응축 열유속의 변화를 나타낸다. 실험에 사용된 작동유체는 증류수이며, 증발부에 순환하는 가열수의 온도는 80°C의 조건에서 실험결과를 산출하였다. 열사이폰의 작동 유체의 봉입률은 열사이폰의 총체적의 10%, 20%, 25%, 30%, 40%의 다섯 가지 조건에서 작동유체의 봉입률 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다.
- 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다. 작동 유체는 메탄올과 에탄올을 실험에서 사용하였다.
- 10은 평관형 열사이폰과 마이크로 그루브형 열사이폰의 경사각 변화에 대한 응축 열유속의 변화를 나타낸다. 실험에 사용된 작동유체의 종류는 메탄올 및 에탄올이며, 증발부에 순환하는 가열수의온도는 60°C와 80°C의 두 가지 조건에서 실험 결과를 산출하였다. 열사이폰의 마이크로 그루브수는 50, 60, 70, 80, 90그루브의 다섯 가지 조건에서 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능을 분석하였다.
- 실험에 사용한 재료는 평관형과 다섯 가지의 나선 그루브형의 동튜브를 사용하였고, 나선 그루브형 열사이폰에 사용된 형상에 대한 규격은 Table 1과 같다. Fig.
성능/효과
- 1),2),3) 그 동안의 연구 결과 열사이폰이 주어진 작동 범위에서 작동 성능을 확보하기 위하여 단일 성분의 작동 유체를 사용하는 것이 요구되었으나, 최근에는 열전달 촉진을 위한 가열 벽면의 구조나 온도제어를 용이하게 하기 위하여 두 종류의 유체를 혼합하여 사용하는 열사이폰에 대한 연구들이 진행되고 있다.4),5) 초기의 공학분야로써는 통신위성 및 과학위성의 동력원으로 사용되는 핵 발전로나 열전자 변환기에서 열유속의 변화로 효과적인 열 방출에 이용되어 왔으며, 최근에는 고출력 전자 장비의 냉각, 전동기의 냉각, 산업용 열교환기, 급속 가열기, 냉동 및 공기조화장치, 가정용 냉난방 장치, 지상 및 우주에서의 열제어 계통, 음향기기의 증폭기 등은 물론 생명공학에까지 무수한이용 사례를 볼 수 있다.6),7) 그리고 Han과 Cho8)는 이와 같은 다양한 응용 예와 에너지 이동의 고 효율성을 가진 열사이폰의 연구에서 증발부의 실험 비등열전달계수와 응축 부의 실험 응축열전달계수를 산출하기 위해서는 열사이폰 내부 작동 유체의 포화 온도를 실험적으로 측정하였다.
- 따라서, 작동 유체의 밀도, 표면장력, 열전도율 및 증발잠열이 클수록, 점성계수가 작을수록 열전달 성능이 우수하다.
- 이와 같은 결과는 작동유체의 체적이 소량인 경우 드라이아옷 현상과 증발부의 비등 열전달 표면적이 감소함으로써 응축 열전달 성능이 크게 감소하는 것으로 고려된다. 그리고 작동유체의 봉입률을 10%에서 25%까지는 작동유체의 체적을 증가시키면 이에 비례하여응축 열전달 성능이 증가하였으나 작동유체의 봉입률을 25%에서 30%와 40%로 증가했을 때는 오히려작동유체의 체적의 증가량에 비례하여 점차적으로 응축 열전달 성능이 감소하였다.
- 그리고 작동유체의 봉입률이 10%인 경우에는 응축 열유속은 31000 W/m2으로 나타났다. 그러므로 본 연구의 작동유체의 봉입률을 다섯 가지를 변화시키면서 실험한 결과에서 응축 열유속이 최대인 경우의 결과값은 최소값의 1.9배 정도로 나타났다. 이와 같은 결과로부터 작동유체의 봉입률은 열사이폰의 응축 열전달 성능에 크게 영향을 미치는 변수임을 알 수 있다.
- 그리고 실험 결과는 응축 열유속이 증가할수록 마이크로 그루브의 효과가 증가하는 것으로 고려된다. 작동유체가 메탄올인 경우 마이크로 그루브수가 60그루브인 경우가 응축 열전달 성능이 최대로 높게 나타났다.
- 이와 같은 결과로부터 최고의 응축 열유속을 나타내는 경사각을 기준으로 할 때 마이크로 그루브 수가 60그루브인 경우의 응축 열유속은 61000W/m2이었으며, go그루브인 경우는 47000W/m2으로 나타났다. 그러므로 마이크로 그루브수의 변화에 대한 응축 열전달 성능은 약 1.
- 평관형 열사이폰의 최대 응축 열전달 성능을 나타내는 경사각 범위는 25°C~30°C로 나타났다. 그리고 마이크로 그루브형 열사이폰의 최대 응축열전달 성능을 나타내는 경사각 범위는 20°C~25°C로 나타났다. 경사각이 10°~0°로 변화하였을 때 증발부에서 발생하는 비등 증기량이 급격하게 감소하게 되는데 이는 작동유체가 열사이폰의 하부에 고여있기 때문에 상부의 열전달 작용을 하지 못하게 된다.
- 열사이폰의 최대 응축 열전달 성능은 평관형 열사이폰보다 마이크로 그루브형 열사이폰인 경우에보다 더 낮은 범위의 경사각에서 나타났다. 이와 같은 결과는 마이크로 그루브의 모세관력에 의해 낮은 범위의 경사각에서도 응축액의 귀환이 순조로운 것으로 고려된다.
- 1) Merit수가 큰 증류수인 경우의 응축열전달계수가 메탄올이나 에탄올의 응축 열전달계수보다 매우높게 나타났다.
- 2) 작동유체의 충전율이 20~25%의 범위에서 최대 응축 열전달 성능을 나타내었다.
- 3) 열사이폰의 최대 응축 열전달 성능은 평관형 열사이폰보다 마이크로 그루브형 열사이폰인 경우에 보다 더 낮은 범위의 경사각에서 나타났다.
- 4) 축방향 그루브의 열사이폰 응축 열전달계수가 나선 그루의 열사이폰 응축 열전달계수보다 높게 나타났다.
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