[논문]단일 진공관형 집열기 히트파이프 작동유체에 따른 열성능 연구

주홍진; 김정배; 김종보; 곽희열

문제 정의

연구에 사용된 작동 유체는 물, 에탄올, Flutec-PP9 MA(MA라고 가칭한 작동유체는 MSDS4)및 KDB5)에 따르면 사용 온도 범위가 -98℃ ~ 233℃로 동절기 결빙 현상에 의한 히트파이프 파손우려가 없고, 구리와의 화학적 반응을 일으키지 않아 불응축 가스가발생되지 않으며, 인체에 무해한 작동매체이다.) 이며 각각의 집열기를 동일한 실험 조건 하에 열 성능을 분석하기 위해 외부 환경에 영향을 받지 않는 실내 실험 장치를 설계 및 제작하여 실험적으로 집열기의 동특성 및 열성능을 측정하였고, 이를 통해 히트파이프의 작동유체가 집열기의 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였으며, 진공관형 태양열 집열기 히트파이프 작동 매체에 따른 집열기 설계에 유용한 데이터를 확보하고자 하였다.
본 논문에서는 진공관형 태양열 집열기 히트파이프에 적용될 수 있는 몇 가지 작동유체를 선정하였으며, 그에 따른 집열기의 동특성 및 집열기의 열성능 연구를 수행하였다. 연구에 사용된 작동 유체는 물, 에탄올, Flutec-PP9 MA(MA라고 가칭한 작동유체는 MSDS4)및 KDB5)에 따르면 사용 온도 범위가 -98℃ ~ 233℃로 동절기 결빙 현상에 의한 히트파이프 파손우려가 없고, 구리와의 화학적 반응을 일으키지 않아 불응축 가스가발생되지 않으며, 인체에 무해한 작동매체이다.

제안 방법

5 W/m2 범위에서 일사량을 측정하였다. 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 각도에 따라 열성능이 변하므로 집열기의 각도를 조절 할 수 있도록 수동 각도 조절장치를 장착하였다.
본 논문에서는 히트파이프의 작동유체 종류에 따른 단일 진공관형 집열기의 열성능 실험을 수행하기 위해 네 가지(물, 에탄올, Flutec-pp9, MA) 각각의 다른 작동유체를 사용한 집열기를 제작하였으며, 각각의 집열기를 동일한 실험 조건 하에 열 성능을 분석하기 위해 외부 환경에 영향을 받지 않는 실내 실험 장치를 설계 및 제작하여 실험적으로 집열기의 열성능 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다. 일사량은 Eppley사의 PSP Radiometer 사용 하여 ±0.5 W/m2 범위에서 일사량을 측정하였다. 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 각도에 따라 열성능이 변하므로 집열기의 각도를 조절 할 수 있도록 수동 각도 조절장치를 장착하였다.
3LPM, 입구온도(25℃, 40℃, 60℃, 80℃)가 일정한 상태에서 매니 폴더의 입 . 출구 온도차의 변화를 바탕으로 집열기의 성능을 알아보았으며, 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 설치 각도에 따라 성능의 변화가 나타나므로 집열기 설치각도를 20°, 40°, 60° 로 변화 시켜가며 실험하였다. 인공광원의 일사량측정은 인공광원과 집열기의 수직거리인 400mm 에서 PSP radiometer를 고정 시킨 후 30분 동안 측정된 일사량을 사용하였다.
히프파이프의 작동매체 종류에 따른 단일 진공관형 집열기의 열성능에 미치는 영향을 분석하기 위해서 동일한 실험 조건하에 네 가지 집열기에 대한 실험이 수행되었다.

대상 데이터

나타낸 것이다. 실험장치의 구성은 인공광원, 항온 수조(Bath circulator) t 단일 진공관형 집열기, 매니폴더, 유량계, 조광기, Wattmeter 로 구성되었다. 태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다.
열성능 연구를 수행하였다. 연구에 사용된 작동 유체는 물, 에탄올, Flutec-PP9 MA(MA라고 가칭한 작동유체는 MSDS4)및 KDB5)에 따르면 사용 온도 범위가 -98℃ ~ 233℃로 동절기 결빙 현상에 의한 히트파이프 파손우려가 없고, 구리와의 화학적 반응을 일으키지 않아 불응축 가스가발생되지 않으며, 인체에 무해한 작동매체이다.) 이며 각각의 집열기를 동일한 실험 조건 하에 열 성능을 분석하기 위해 외부 환경에 영향을 받지 않는 실내 실험 장치를 설계 및 제작하여 실험적으로 집열기의 동특성 및 열성능을 측정하였고, 이를 통해 히트파이프의 작동유체가 집열기의 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였으며, 진공관형 태양열 집열기 히트파이프 작동 매체에 따른 집열기 설계에 유용한 데이터를 확보하고자 하였다.
출구 온도차의 변화를 바탕으로 집열기의 성능을 알아보았으며, 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 설치 각도에 따라 성능의 변화가 나타나므로 집열기 설치각도를 20°, 40°, 60° 로 변화 시켜가며 실험하였다. 인공광원의 일사량측정은 인공광원과 집열기의 수직거리인 400mm 에서 PSP radiometer를 고정 시킨 후 30분 동안 측정된 일사량을 사용하였다.
실험장치의 구성은 인공광원, 항온 수조(Bath circulator) t 단일 진공관형 집열기, 매니폴더, 유량계, 조광기, Wattmeter 로 구성되었다. 태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다. 일사량은 Eppley사의 PSP Radiometer 사용 하여 ±0.

성능/효과

(1) 집열기 경사각이 40°일 때 MA를 히트파이프의 작동유체로 사용한 단일 진공관형 집열기의 Fr(τα)는 0.6572, FRUL는 -2.0086 로 나타났으며, 물을 사용한 집열기의 FR(τα)는 0.6636, FrUe는 -1.8457, 에탄올을 사용한 집열기의 FR(τα)는 0.6147, FrUl는 -0.6365, Flutec-pp9을 사용한 집열기의 FR(τα)는 0.525, FRUL는 3.2313 으로 나타났다.
(2) 단일 진공관형 집열기의 히트파이프 작동 유체로 구리와 화학적 반응이 없어 불응축 가스가 생기지 않으며, 사용온도범위가 넓은 MA 를 사용할 경우 안정적으로 작동되는 것으로 나타났다.
(3) 단일 진공관형 집열기 히트파이프의 작동 매체로 Flutec-pp9를 사용한 경우 밀도와 끓는점 및 점성이 높아 집열기 효율이 집열기 설치 경사각에 따라 매우 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다.
6365(집열기 경사각 40°)로 가장 적게 나타났다. MA의 경우 낮은 영역에서는 효율이 에탄올 보다 높은 반면 높은 영역에서는 비교적 적은 효율 값으로 물이나 에탄올에 비해 상대적으로 효율곡선의 기울기 값이 크게 나타났다.
획기적으로 줄일 수 있다. 또한 비교적 적은 온도차에서도 열 수송능력과 열응답성이 빠른 고효율 전열소자인 히트파이프를 사용함으로중온범위에서 안정적으로 작동하며, 높은 집열 효율을 나타낸다. 진공관형 집열기에 응용되는 히트파이프는 용기의 재료 및 작동유체의 종류, 모세관 구조물의 종류, 액체의 귀환방법, 내부의 기하학적 형태, 작동온도, 충진량 등에 따라 다양하게 분류 될 수 있으며, 이에 따른 히트파이프에 미치는 성능 변화에 대한 선행연구1)2)3)가 있었다.
그림에서 알 수 있듯이 히트파이프 작동유체 중에서 효율이 가장 높은 것은 물로 나타났으며, 이는 세 종류의 작동매체 중 Merit number가 가장 높기 때문으로 사료된다. 또한 에탄올의 경우 낮은 영역에서는 비교적 효율이 낮게 나타난 반면 높은 온도에서는 효율의 감소가 적어 작동 매체 중에서 FRUL값이 -0.6365(집열기 경사각 40°)로 가장 적게 나타났다. MA의 경우 낮은 영역에서는 효율이 에탄올 보다 높은 반면 높은 영역에서는 비교적 적은 효율 값으로 물이나 에탄올에 비해 상대적으로 효율곡선의 기울기 값이 크게 나타났다.

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