[논문]태양열 집열기용 히트파이프 응축부 형상 변화에 따른 열성능 연구

곽희열; 주홍진

문제 정의

따라서 본 연구에서는 단일 진공관형 태양열 집열기의 제작비를 30% 줄일 수 있는 직관 응축부를 갖는 집열기와 기존의 확관 응축부를 사용한 집열기의 열성능 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 단일 진공관형 히트파이프응축 부 형상에 따른 집열기의 열성능 실험을 수행하기 위해 두 가지타입의 집 열기(확관형응축부, 직관형 응축부)를 제작 하였다. 각각의 집열기를 동일한 실험 조건 하에 열 성능을 분석하기 위해 외부 환경에 영향을 최소화하기 위해 실내 실험 장치를 설계 및 제작하여 실험적으로 집열기의 열성능 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

각각의 집열기를 동일한 실험 조건 하에 열 성능을 분석하기 위해 외부 환경에 영향을 최소화하기 위해 실내 실험 장치를 설계 및 제작하여 실험적으로 집열기의 열성능 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
5 W/m2 범위에서 일사량을 측정하였다. 또한 단일진공관형 집열기의 특성상 집열기 각도에 따라 열성능이 변하므로 집열기의 각도를 조절할 수 있도록 수동 각도 조절장치를 장착하였다.
태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다. 일사량은 Eppley 사의 PSP Radiometer를 사용하여 ±0.5 W/m2 범위에서 일사량을 측정하였다. 또한 단일진공관형 집열기의 특성상 집열기 각도에 따라 열성능이 변하므로 집열기의 각도를 조절할 수 있도록 수동 각도 조절장치를 장착하였다.
3LPM, 입구온도 (25 ℃, 40℃, 60 ℃, 80 ℃ )7} 일정한 상태에서 Manifold의 입 . 출구 온도차의 변화를 바탕으로 집열기의 성능을 알아보았으며, 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 설치각도에 따라 성능의 변화가 나타나므로 집열기 설치각도를 20°, 40°, 60°로 변화 시켜가며 실험하였다. 인공광원의 일사량 측정은 인공광원과 집열기의 수직거리인 400에서 PSP radiometer를 고정 시킨 후 30분 동안 측정된 일사량을 사용하였다.
히프파이프의 응축부 형상에 따른 단일 진부공관형 집열기의 열성능에 미치는 영향을석하기 위해서 동일한 실험 조건하에 두 가지 집열기에 대한 실험이 수행되었다.

대상 데이터

그러나 열매체의 온도가 50℃ 이상에서는 확관형 응축부 타입의 집열기 보다 직관형 응축 부 타입의 집열기가 접촉 열저항에 따른 열 손실이 적음으로 확관형 응축부 타입의 집열기 보다 직관형 응축부 타입의 집열기의 효율이 높게 나타나는 것으로 사료되었다. 각각의 히트파이프 응축부에 사용된 동관의 표면은 0.05mm 클리어런스로 확관형 및 직관형모두 동일한 표면을 갖으며, 응축부와 매니 폴더 사이에서 발생되는 열저항을 최대한 줄일 수 있도록 Dow Corning사의 DC 340 열 전도성 컴파운드를 사용하였다. DC 340 열 전도성 컴파운드는 MSDS5)에 따르면 사용온도 범위 가 -45℃ 부터 200까지 사용 가능하며, Thermal Conductivity는 0.
본 연구에서 사용된 확관형 응축부를 사용한 집열기의 히트파이프 직경은 외경 8mm, 내경 7mm, 길이 1380mxn, 응축부 면적 0.0069115 작동유체 중전량은 전체 체적의 20%인 14cc이며, 직관형 응축부를 사용한 집열기의히 트파 이 프 직경은 외경 10mm, 내 경 9mm, 길이 1380mm, 응축부 면적 0.0031416 작동 유체 충전량은 전체체적의 20%인 18cc이며, 두 가지 집열기 모두 동일한 Thermosiphon 형식의 히트파이프이며, 집열기 사양은 표 1 과 같다.
것이다. 실험장치의 구성은 인공광원, 항온 수조 (Bath circulator), 단일 진공관형 집열기, 매니폴더, 유량계, 조광기, Wattmeter로 구성되었다. 태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다.
출구 온도차의 변화를 바탕으로 집열기의 성능을 알아보았으며, 또한 단일 진공관형 집열기의 특성상 집열기 설치각도에 따라 성능의 변화가 나타나므로 집열기 설치각도를 20°, 40°, 60°로 변화 시켜가며 실험하였다. 인공광원의 일사량 측정은 인공광원과 집열기의 수직거리인 400에서 PSP radiometer를 고정 시킨 후 30분 동안 측정된 일사량을 사용하였다.
실험장치의 구성은 인공광원, 항온 수조 (Bath circulator), 단일 진공관형 집열기, 매니폴더, 유량계, 조광기, Wattmeter로 구성되었다. 태양에너지를 대신하는 인공광원으로는 Philips사의 300W 할로겐램프 7개를 사용하였으며, 3 kW 조광기를 사용하여 광원의 세기를 제어하였다. 일사량은 Eppley 사의 PSP Radiometer를 사용하여 ±0.

성능/효과

(2) 단일 진공관형 집열기용 히트파이프의응축부 형상을 확관에서 직관으로 변경할 경우 매니폴더와 응축부간의 Metal-t o-Metal 열교환 방식을 사용함으로 써 응축 부와 매니폴더 사이에서 발생되는접촉 열저항에 따른 열저항이 확관 응축 부의 경우 직관 응축부에 비하여 많은 것으로 분석되었다.
(3) 직관형 응축부의 경우 열전달 면적은 50%가 감소한 반면 효율은 열매체 유입온도가 50℃ 이하 낮은 영역에서는 평균 약 3%이하만이 감소한 것으로 나타났으며, 열매체 유입 온도가 50℃ 이상에서는 확관형 응축부에 비하여 열저항이 적어 집열기 열손실 값인 frul 값이 확관형에 비하여 더 낮게 나타났다.
(4) 단일 진공관형 집열기 히트파이프 응축 부의 형상을 확관에서 직관으로 변경할 경우 단일 진공관형 집열기의 제작단가 및 제작공정을 감소 할 수 있으며, 더 많은 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
이는 열매체의 온도가 낮기 때문에 응축부와 매니폴더 사이의 갭에서 발생되는 접촉 열저항이 적음으로 응축부의 열전달 면적이 넓은 확관형 응축부 타입의 집열기가 직관형 응축부 타입의 집열기 보다 효율이 높게 나타나는 것으로 사료된다. 그러나 열매체의 온도가 50℃ 이상에서는 확관형 응축부 타입의 집열기 보다 직관형 응축 부 타입의 집열기가 접촉 열저항에 따른 열 손실이 적음으로 확관형 응축부 타입의 집열기 보다 직관형 응축부 타입의 집열기의 효율이 높게 나타나는 것으로 사료되었다. 각각의 히트파이프 응축부에 사용된 동관의 표면은 0.
앞서 언급한 바와 같이 확관형 응축부 타입의 집열기는 매니폴더에 유입되는 열매체의 온도가 낮을 경우 비교적 응축부와 매 니폴더사이에서 발생되는 접촉 열저항에 따른 열저항 적기 때문에 집열기 효율이 직관형 응축 부 타입의 집열기 보다 높지만 열매체의 온도가 높아짐에 따라 열저항이 커져 직관 형 응축 부에 비해 열손실이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 집열기 효율곡선에서 기울기 값인 #이 직관형 응축부 타입에 비하여확관형 응축부 타입의 집열기가 더 큰 것을 알 수 있다.

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