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문제 정의
- 여러 히트파이프 종류 중 버블젯 루프 히트파이프(bubble jet loop heat pipe, BJLHP)는 기존의 히트파이프에 비하여 구조가 간단하여 제작이 간편하며 수평상태에서도 내부의 작동유체를 유동시킬 수 있는 장치이다. 따라서 본 연구에서는 수평상태에서 작동하며, 구리의 수천 배 정도의 높은 열전도 성능을 가진 BJLHP를 이용하여 온수난방 방식의 단점을 보완하고 난방효율을 증대시키고자 한다. 이를 위해 온수 가열형의 바닥 난방용 히트파이프를 개발하고, 온수 유량에 따른 열전달 성능을 측정하여 온수 가열 바닥 난방 시스템으로의 가능성을 분석하였다.
- 본 실험에서는 BJLHP의 작동원리를 규명하기 위하여, 작동유체의 내부유동 상태를 가시화하였다. 내부 유체 유동을 파악하여 작동유체의 액체 수송 원리를 확인하였다.
제안 방법
- 또한 온수관의 길이가 크게 되어 압력손실이 증대되며, 온수 순환 펌프의 동력 또한 커지게 되어 에너지효율이 저하 된다.1) 이를 해결하기 위하여 열전도가 크며, 펌프 동력 없이도 많은 열량을 전달할 수 있는 히트파이프(heat pipe)를 이용하고자 한다. 종래의 히트파이프를 이용한 바닥 난방에 관한 연구에서 히트파이프가 기존의 폴리에틸렌 파이프에 비하여 온수 유량을 약 20% 줄일 수 있어 바닥 난방에 충분한 가능성을 확인하였다.
- 지역난방의 경우 일반 가정에 공급되는 난방 온수의 온도는 50℃~60℃이다.3) 따라서 본 실험에서 BJLHP에 공급하는 온수의 온도는 항온조를 이용하여 60℃로 하였으며, 유량을 유량계와 밸브를 이용하여 0.5, 1.0, 1.5 kg/min으로 변경하여 실험하였다. 또한 실험장소의 온도는 15℃로 하였다.
- 3은 BJLHP 가시화 장치를 나타낸 것이다. 가시화 실험에서의 BJLHP는 투명한 석영 유리관으로 제작하였으며, 증발 부는 열의 공급을 위한 전기 히터를 삽입할 수있도록 응축관과 평행 방향의 이중관 형태로 설계하였다. 작동 유체는 가시화 장치의 내압강도를 고려하여 유동상태가 크게 변하지 않고, 상대적으로 압력이 낮은 동일 HFC계 냉매 R-141b를 사용하였다.
- 본 실험에서는 BJLHP의 작동원리를 규명하기 위하여, 작동유체의 내부유동 상태를 가시화하였다. 내부 유체 유동을 파악하여 작동유체의 액체 수송 원리를 확인하였다. Fig.
- 이를 위해 온수 가열형의 바닥 난방용 히트파이프를 개발하고, 온수 유량에 따른 열전달 성능을 측정하여 온수 가열 바닥 난방 시스템으로의 가능성을 분석하였다. 또한 BJLHP의 작동유체 가시화 실험을 통하여 히트파이프 내부 작동 유체의 유동양식을 관찰하여 작동원리를 규명하였다.
- 2%, Oval)를 사용하였으며, 유량 조절 밸브로 온수유량을 조절하였다. 또한 온도 측정을 위하여 T-type 열전대(thermal couple)와 데이터 로거(GL800, Graptec)를 설치하였다. BJLHP의 작동유체는 R-134a를 사용하였으며, BJLHP 내부를 고진공 장치 이용하여 6.
- 0×10-2 Pa의 진공 상태를 만들어 BJLHP 내부체적의 50%를 주입하였다. 또한 전기 히터를 사용하여 30W의 열량을 증발부에 인가하였으며, 수평상태에서 실험을 진행하였다.
- 실험 장치는 BJLHP와 BJLHP의 증발부 내관으로 온수 열원을 공급하기 위하여 온수 순환 펌프 및 항온조(HMT-300)를 사용하였고, 유량 측정은 질량 유량계(D025S-SS-311, accuracy : ±0.2%, Oval)를 사용하였으며, 유량 조절 밸브로 온수유량을 조절하였다.
- 온수 열원 타입 BJLHP 는 수평상태로 설치하였으며 Fig. 2와 같이 T-type 열전대를 이용하여 응축부에 5개소, 증발부에 2개소를 BJLHP 표면 상단에 부착하고, 온수 입·출구 지점에 각각 1개소를 설치하여 1초 간격으로 10분간 데이터로거를 사용하여 온도를 측정하였다.
- 온수난방용 BJLHP의 성능확인을 위하여 각 유량에 따른 BJLHP 표면 온도 변화, 방열량 및 바닥 방열 열유속을 구하였다. 정상상태 도달 시간은 정상상태 온도의 ±2℃에 도달하는 최초의 시간으로 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 수평상태에서 작동하며, 구리의 수천 배 정도의 높은 열전도 성능을 가진 BJLHP를 이용하여 온수난방 방식의 단점을 보완하고 난방효율을 증대시키고자 한다. 이를 위해 온수 가열형의 바닥 난방용 히트파이프를 개발하고, 온수 유량에 따른 열전달 성능을 측정하여 온수 가열 바닥 난방 시스템으로의 가능성을 분석하였다. 또한 BJLHP의 작동유체 가시화 실험을 통하여 히트파이프 내부 작동 유체의 유동양식을 관찰하여 작동원리를 규명하였다.
- 작동유체는 고진공 시스템을 이용하여 5.0×10-2 Pa의 진공 상태를 만들어 BJLHP 내부체적의 50%를 주입하였다.
- 증발부와 응축부에서의 유체 유동은 고속도 비디오카메라로 촬영하여 유동 양식을 확인할 수 있도록 하였다. 가시화 장치에 대한 상세 제원은 Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
- BJLHP의 작동유체는 R-134a를 사용하였으며, BJLHP 내부를 고진공 장치 이용하여 6.7×10-4 Pa의 고진공 상태로 만들고, BJLHP 내부 체적의 50%의 양으로 작동유체를 냉매충전실린더(HGC-96, Taiatsu)를 사용하여 주입 후 밀봉하였다.
- 가시화 실험에서의 BJLHP는 투명한 석영 유리관으로 제작하였으며, 증발 부는 열의 공급을 위한 전기 히터를 삽입할 수있도록 응축관과 평행 방향의 이중관 형태로 설계하였다. 작동 유체는 가시화 장치의 내압강도를 고려하여 유동상태가 크게 변하지 않고, 상대적으로 압력이 낮은 동일 HFC계 냉매 R-141b를 사용하였다. 작동유체는 고진공 시스템을 이용하여 5.
성능/효과
- 1) BJLHP는 수평상태에서 증발부와 응축부의 평균 표면 온도차가 1℃ 이하로 매우 작아, 바닥난방 장치로 사용시 균일한 온도로 난방이 가능 하다.
- 2) 진동형 히트파이프(PHP)를 이용한 바닥 난방 장치에 비해 BJLHP의 정상상태 도달 시간이 약 7분 빠르고, 두 배 이상의 높은 열유속과 유효 열전도율을 확인하였다. 또한, BJLHP가 진동형 히트파이프에 비해 표면 온도가 약 10℃ 가량 높아 바닥 난방효과가 진동형 히트파이프에 비하여 우수하다.
- 3) 가시화실험을 통하여 BJLHP 증발관의 좁은 틈새에서 발생한 고온․고압의 기포가 고속으로 응 축관을 지나며 관내의 작동유체 액면에 맥동을 발생시키는 작동 메카니즘을 규명하였으며, 응축 부에서의 맥동에 의한 유동양식은 슬러그류 및 파형류가 주류였다.
- 한편, ‘C’는 ‘B’에 비해서 액면의 높이가 낮으며, 맥동이 약한 파도의 물결과 같은 파형류를 나타내었다. 따라서 BJLHP의 작동유체의 순환은 기포에 의해 생성된 맥동에 의해서 이루어지며, 그 유동양식은 슬러그류, 파형류와 같은 이상 유동으로 확인되었다.
- 정상상태 도달 시간은 4분~6분이며 유량이 커질수록 정상상태 도달 시간이 단축되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 바닥 온도 35℃를 기준으로 난방 시 필요한 방열량(온수 유량 3 kg/min 기준, 약 60 W/m2)을 1.5 kg/min의 적은 유량에서도 73 W/m2의 열을 전달하여 충분히 바닥 난방에 적용 가능한 것으로 나타났다.3)
- 2) 진동형 히트파이프(PHP)를 이용한 바닥 난방 장치에 비해 BJLHP의 정상상태 도달 시간이 약 7분 빠르고, 두 배 이상의 높은 열유속과 유효 열전도율을 확인하였다. 또한, BJLHP가 진동형 히트파이프에 비해 표면 온도가 약 10℃ 가량 높아 바닥 난방효과가 진동형 히트파이프에 비하여 우수하다.
- 5는 유량 변화에 따른 BJLHP의 표면 평균 온도를 비교한 그래프이다. 유량의 증가에 따라 정상상태 도달시간이 감소하며, BJLHP 표면 평균 온도가 높게 측정되었다.
- 5 kg/min 상태에서의 BJLHP의 응축부및 증발부 온도분포를 나타내며, 응축부의 평균 온도차가 1℃이하로 작아 작동유체의 유동이 원활히 이루어지는 것을 확인 할 수 있으며, 난방장치로 적용 시 균일한 온도로 난방이 가능함을 알수 있다. 이 결과를 진동형 히트파이프(pulsating heat pipe, PHP)를 이용한 기존의 연구4)와 비교해 보았을 때, 동일 온수온도와 유량조건(온수 온도 60℃, 유량 1.5 kg/min)에서 BJLHP의 정상상태 도달 시간이 PHP에 비하여 약 7분 빠르며, 응축부의 평균온도는 약 10℃ 높게 나타났다. 이것은 구조상 증발부와 온수가 접하는 면적이 BJLHP가 크며, 증발부에서의 열유속이 크기 때문이다.
- 이것은 구조상 증발부와 온수가 접하는 면적이 BJLHP가 크며, 증발부에서의 열유속이 크기 때문이다. 이를 통해 BJLHP의 수평상태에서의 열전달 성능이 진동형 히트파이프에 비해 뛰어나다는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 난방 바닥으로의 방열 열유속 및 유효열전도율은 유량 증가에 따라 값이 증가 하는 것을 확인 할 수 있다. 정상상태 도달 시간은 4분~6분이며 유량이 커질수록 정상상태 도달 시간이 단축되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 바닥 온도 35℃를 기준으로 난방 시 필요한 방열량(온수 유량 3 kg/min 기준, 약 60 W/m2)을 1.
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