[논문]평행류형 열교환기를 이용한 분리형 히트파이프의 성능에 관한 연구

전성택; 조진표

doi:10.5762/kais.2015.16.8.5045

초록
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현대 주택이 고기밀 고단열로 건축되기 때문에 에너지 절감의 이점이 있는 반면 오염된 공기로 인한 많은 부작용이 발생하고 있다. 이런 부작용을 해결하기 위해 환기장치를 사용하여 실내 공기 환경을 개선하고 있다. 본 연구에서는 자동차용 에어컨의 열교환기로 사용되고 있는 평행류형 열교환기의 배기열 회수 환기장치로 적용 가능성을 알아보기 위해 냉매 충진량에 따른 열교환 효율 특성을 시험적으로 평가 하였다. 본 연구에서 사용된 히트 파이프는 환기장치에 적용이 가능하도록 분리형으로 제작되었다. 작동유체는 R22 냉매이고 유체의 충진량은 40~60(%vol.)로 10(%vol.) 단위로 충진 하였다. 환기량은 전면풍속을 기준으로 0.3~1.5m/s로 0.3 m/s 간격으로 바꿔 가며 측정하였다. 시험결과 최대 효율을 가지는 냉매 충진량이 환기량에 따라 다름을 알 수 있었고, 실험 결과 분석을 통하여 분리형 히트파이프의 환기량에 따른 최적 냉매 충진량을 찾을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As modern houses are constructed with high-density and high-insulation, there is benefit to reduce energy consumption, but there are many side effects raised from polluted air. To solve the problem, a ventilation system is used to improve a indoor air quality. In this study, we tested the parallel f...

As modern houses are constructed with high-density and high-insulation, there is benefit to reduce energy consumption, but there are many side effects raised from polluted air. To solve the problem, a ventilation system is used to improve a indoor air quality. In this study, we tested the parallel flow type heat exchanger used in a heat exchanger of an automotive air conditioner. And we experimentally estimate ventilation performance of HRV(heat recovery ventilator) with heat-pipe according to working fluid filling quantity and ventilation. The working fluid was R22, which was filled from 40 to 60 (%vol.) by 10(%vol.). Ventilation based on the front velocity was measured from 0.3 m/s to 1.5 m/s by 0.3 m/s intervals. Refrigerant filling quantity with the highest efficiency was found to depend on the ventilation. From this study the optimal refrigerant filling quantity in accordance with the ventilation of the detachable heat pipes was found experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자동차용 에어컨에 주로 사용되는 평행류형 열교환기를 이용해 분리형 히트 파이프를 만들어 실험하였다. 평행류형 열교환기는 고성능 루버핀과 평판 관으로 제작된 열교환기로 자동차 에어컨용 응축기에 사용되고 있으며 단위 면적당 열용량이 커서 현재는 가정용 에어컨의 열교환기로 적용하려는 개발이 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 평행류형 열교환기를 베기열회수 환기장치에 적용하고자 작동유체 충진량 및 환기량에 따른 분리형 히트파이프의 환기성능을 시험적으로 평가 하였다. 본 연구에서 사용된 히트 파이프는 환기장치에 적용 가능하도록 분리형으로 제작되었다.

제안 방법

본 연구에서는 평행류형 열교환기를 베기열회수 환기장치에 적용하고자 작동유체 충진량 및 환기량에 따른 분리형 히트파이프의 환기성능을 시험적으로 평가 하였다. 본 연구에서 사용된 히트 파이프는 환기장치에 적용 가능하도록 분리형으로 제작되었다. 분리형 히트파이프 식 열교환기의 내부를 진공으로 한 후에 일정한 양의 작동유체를 주입하고 고온의 열유체를 가열부로 보내면 각 가열관내의 작동유체는 증발하면서 압력이 높아지며, 증기가 증발부의 헤더에 모인 후 증기상승관을 통하여 냉각부 위 헤더에 도달한다.
1에서 나타낸 것과 같이 멀티 노즐 방식으로 제작되었다. 열교환기 입구측 온도 측정은 공기 포집 장치를 이용해서 히트파이프 입구와 출구에서 각각 측정하였다. 작동유체의 충진은 히트파이프의 내부에 작동유체를 액체상으로 완전히 충진한 무게를 기준으로 작동유체의 무게의 비율로 계산하였고 40, 50, 60(% vol.
열교환기 입구측 온도 측정은 공기 포집 장치를 이용해서 히트파이프 입구와 출구에서 각각 측정하였다. 작동유체의 충진은 히트파이프의 내부에 작동유체를 액체상으로 완전히 충진한 무게를 기준으로 작동유체의 무게의 비율로 계산하였고 40, 50, 60(% vol.)에 대하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 자동차용 열교환기에서 사용되고 있는 평행류형 열교환기로 분리형 히트파이를 제작하여 시험하였다. 분리형 히트파이프의 작동유체의 충진량은 40～60(% vol.)로 10(% vol.) 단위로 변화시키고, 전면속도를 0.3～1.5m/s로 0.3 m/s 단위로 변화 시켜서 온도교환 효율, 열회수량, 공기측 압력강하를 시험을 통하여 측정하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

항온항습으로 제어되는 2룸 챔버에 KS B 6879[5] 열회수형 환기장치 시험 기준의 난방 조건으로 시험하였다. 히트파이프 상부 응축부와 하부 증발부의 풍량 및 온도/습도측정은 실내측과 실외측에 구비되어 있는 풍량 측정 챔버와 온도 샘플러를 이용하여 측정하였다. 공기측 온도/습도 측정은 정밀도 ± 0.
본 연구에서 사용된 평행류형 열교환기는 Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 자동차용 열교환기에서 사용되고 있는 평행류형 열교환기로 분리형 히트파이를 제작하여 시험하였다. 분리형 히트파이프의 작동유체의 충진량은 40～60(% vol.

이론/모형

01℃로 교정된 PT-100Ω 센서를 장착한 공기 취득 장치를 이용해 건구 온도와 습구 온도를 측정하였다. 실험의 오차해석을 ANSI/ ASHRAE37[6]에 따라 수행 하였는데 공기측 풍량 측정 오차는 ±0.5% 이내로 나타났다
실험 챔버의 온도는 KS B 6879 열회수형 환기장치시험 기준의 난방 조건으로 설정 하였다. 실내측 챔버의건구온도/습구온도는 22.

성능/효과

시험결과 최대 효율 및 열회수량은 전면속도와 작동 유체 충진량에 따라 변화함을 볼 수 있었고 전면속도가 낮을 경우는 충진량이 적을수록 전면속도가 클 경우는충진량이 많은 경우가 유리함을 알 수 있었다.
1) 전면 속도가 1.2m/s 보다 낮을 경우에는 작동유체충진량이 40(%vol.)의 경우가 가장 높은 온도교환효율 및 열회수량을 보였으며 전면 속도가 1.2m/s 이상의 경우에서는 작동유체 충진량이 많을수록 커지는 결과를 보인다.
2) 실험결과 최대 효율을 가지는 작동유체 충진량이 환기량에 따라 다름을 알 수 있었고, 환기량이 작을수록 온도교환 효율이 높게 나타났다.
3) 전면속도 변화에 따른 공기측 압력강하 비교에서는 증발부 히트파이프가 응축부 히트파이프 보다 크게 계측 되었는데 증발부 표면에 생긴 결로수의 영향으로 생각된다.
본 연구를 통하여 분리형 히트파이프의 환기량에 따른 최적 냉매 충진량이 다름을 알 수 있었다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히트파이프를 이용한 열교환기의 장점은 무엇인가?	폐열회수 하는 다른 방법으로는 히트파이프를 이용한 방법이 있는데 이러한 히트파이프를 이용한 열교환기의 경우, 실내공기와 외부공기가 서로 격리되어 있기 때문에 누설이 없고 내부가 진공으로 유지되어 실내공기 및 외부공기의 미세한 온도차에 의해서도 작동유체의 증발과 응축이 쉽게 일어나 열전달 효율이 높다는 장점이 존재한다. 그러나 일체형으로 구성되기 때문에 역시 큰 공장이나 건물등 대용량 환기 시스템에서의 적용이 어렵다.
	냉난방 설치율이 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	현재 세계는 고갈되어 가고 있는 지구 에너지자원을 다변화하고 기존 에너지에 대한 절약 의식이 고조되고 있는 반면, 생활수준의 향상으로 쾌적한 생활공간을 추구함에 따라 냉난방 설치율은 날로 증가되고 있다. 이에 따라, 하절기에는 냉방용 전력 소비량이 급증하여 전력예비율이 최저에 도달하게 되어 공장 등 대규모 전기 수요처에 대한 제한 송전이 이루어지는 단계에까지 이르렀고, 국가적 사회적으로 하절기 전력수급에 큰 불균형을 초래하고 있다.
	히트파이프를 이용한 열교환기의 단점은 무엇인가?	폐열회수 하는 다른 방법으로는 히트파이프를 이용한 방법이 있는데 이러한 히트파이프를 이용한 열교환기의 경우, 실내공기와 외부공기가 서로 격리되어 있기 때문에 누설이 없고 내부가 진공으로 유지되어 실내공기 및 외부공기의 미세한 온도차에 의해서도 작동유체의 증발과 응축이 쉽게 일어나 열전달 효율이 높다는 장점이 존재한다. 그러나 일체형으로 구성되기 때문에 역시 큰 공장이나 건물등 대용량 환기 시스템에서의 적용이 어렵다.

참고문헌 (6)

Lee, W.H., Kim, Y.B., Kim, J.H., and Kim, J.S., "Influence of Working Fluids to Heat Transfer Characteristics of the Heat Exchanger using Oscillating Capillary Tube Heat Pipe for Low Temperature Waste Heat Recovery", Korean Journal of SAREK, Vol. 12, No.7, pp. 659-666, 2000.
Gu, Y. U., Kwon, Y. H., Kim, J. S., "An experiment of Pulsating Heat pipe according to the Number of inner flow channel of Flat Tube Heat Exchanger", Proceedings of the SAREK 2013 Winter Annual Conference, pp. 073-076, 2013.
Soo, J. H., Kim, J. S., "Development of Cooling System for Electronic Devices using Oscillating Capillary Tube Heat Pipe", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 29, No.4, pp. 436-442, 2005. 5
Lee, K, W "Separate heat pipe heat exchanger" Proceedings of the SAREK 1997 Annual Conference, 31-49, 1997.
Korea agency for technology and standards Ks B 6879, "Heat-recovery ventilators", KATS., 2007.
ANSI/ASHRAE Standard 37, "Standard measurement guide, engineering analysis of experimental data", ASHRAE., 2005.

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