본 연구에서는 핀-관형 히트파이프와 평행류형 히트파이프 제작하여 시험하였으며 분리형 히트파이프의 작동유체의 충진량은 40~60(% vol.), 풍량은 300~1,400 사이에서 변화시켜가며 온도교환 효율, 열회수량, 공기측 압력강하를 비교하였다. 온도교환 효율은 두 종류의 히트파이프 모든 경우에서 저 풍량에서는 작동유체 충진량이 40(%vol.)일 때가 가장 높았으며 풍량이 증가함에 따라 최대 효율을 가지는 작동유체 충진량이 다름을 알 수 있었고, 환기량이 작을수록 온도교환 효율이 높게 나타났다. 평행류형 히트파이프 60(%vol.)의 실험결과에서 보는 것과 같이 작동 유체를 너무 많이 충진하게 되면 오히려 낮은 온도교환 효율을 보이는데 이는 관벽의 액막이 두터워지면서 열전달 효과를 악화시킨 결과로 최적 충진량이 40~50(%vol.) 사이에 있음을 알 수 있다. 풍량 변화에 따른 공기측 압력강하 비교에서는 증발부 히트파이프가 응축부 히트파이프 보다 크게 계측 되었는데 증발부 표면에 생긴 결로수의 영향으로 생각된다. 평행류형 히트파이프는 핀-관형 히트파이프와 비교하여 냉매 충진량은 48%, 체적은 41%에서 동등이상의 성능을 보였으며, 공기측 압력강하도 37% 정도로 좋은 성능을 나타내었다.
본 연구에서는 핀-관형 히트파이프와 평행류형 히트파이프 제작하여 시험하였으며 분리형 히트파이프의 작동유체의 충진량은 40~60(% vol.), 풍량은 300~1,400 사이에서 변화시켜가며 온도교환 효율, 열회수량, 공기측 압력강하를 비교하였다. 온도교환 효율은 두 종류의 히트파이프 모든 경우에서 저 풍량에서는 작동유체 충진량이 40(%vol.)일 때가 가장 높았으며 풍량이 증가함에 따라 최대 효율을 가지는 작동유체 충진량이 다름을 알 수 있었고, 환기량이 작을수록 온도교환 효율이 높게 나타났다. 평행류형 히트파이프 60(%vol.)의 실험결과에서 보는 것과 같이 작동 유체를 너무 많이 충진하게 되면 오히려 낮은 온도교환 효율을 보이는데 이는 관벽의 액막이 두터워지면서 열전달 효과를 악화시킨 결과로 최적 충진량이 40~50(%vol.) 사이에 있음을 알 수 있다. 풍량 변화에 따른 공기측 압력강하 비교에서는 증발부 히트파이프가 응축부 히트파이프 보다 크게 계측 되었는데 증발부 표면에 생긴 결로수의 영향으로 생각된다. 평행류형 히트파이프는 핀-관형 히트파이프와 비교하여 냉매 충진량은 48%, 체적은 41%에서 동등이상의 성능을 보였으며, 공기측 압력강하도 37% 정도로 좋은 성능을 나타내었다.
This study compared fin-tube and parallel-flow heat pipes for their sensible heat exchange rate, heat recovery amount, and air-side pressure drop. Tests were done with different refrigerant charging rates of 40-60% vol. and air flow rates of 300-1,400. The sensible heat exchange rate was highest for...
This study compared fin-tube and parallel-flow heat pipes for their sensible heat exchange rate, heat recovery amount, and air-side pressure drop. Tests were done with different refrigerant charging rates of 40-60% vol. and air flow rates of 300-1,400. The sensible heat exchange rate was highest for both types of heat pipes at a working fluid charge of 40% vol. and low flow rate. For the parallel-flow heat pipe, the 60% vol. charge is too high and results in a low sensible heat exchange rate. The reason is that the thicker liquid film of the tube wall deteriorates the heat transfer effect. Hence, the optimal charging rate is 40 to 50% vol. The evaporator heat pipe has a larger air-side pressure drop than the condenser section heat pipe. The reason is considered to be condensation water arising from the evaporator surface. Compared to the fin-tube heat pipe, the parallel-flow heat pipe showed better performance with a working fluid charging rate of 48%, volume of 41%, and an air-side pressure drop about 37%.
This study compared fin-tube and parallel-flow heat pipes for their sensible heat exchange rate, heat recovery amount, and air-side pressure drop. Tests were done with different refrigerant charging rates of 40-60% vol. and air flow rates of 300-1,400. The sensible heat exchange rate was highest for both types of heat pipes at a working fluid charge of 40% vol. and low flow rate. For the parallel-flow heat pipe, the 60% vol. charge is too high and results in a low sensible heat exchange rate. The reason is that the thicker liquid film of the tube wall deteriorates the heat transfer effect. Hence, the optimal charging rate is 40 to 50% vol. The evaporator heat pipe has a larger air-side pressure drop than the condenser section heat pipe. The reason is considered to be condensation water arising from the evaporator surface. Compared to the fin-tube heat pipe, the parallel-flow heat pipe showed better performance with a working fluid charging rate of 48%, volume of 41%, and an air-side pressure drop about 37%.
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문제 정의
본 연구에서는 Jeon et al.[3, 4]에 의해 수행된 두 종류의 열교환기를 사용한 분리형 히트파이프시험결과를 비교하여 두 열교환기에서 성능 특성을 분석하려고 한다. 타 연구에서는 히트파이프의 형상 및 체적에 대한비교분석 데이터가 없어 직접 비교하기 어려운 부분이 있어 이번 연구를 통해 히트파이프 형상에 따른 성능, 냉매 충진량, 공기측 압력강하 특성을 분석함으로써 환기장치에 적용 하였을 때 기초 자료로 사용 하고자한다.
[3, 4]에 의해 수행된 두 종류의 열교환기를 사용한 분리형 히트파이프시험결과를 비교하여 두 열교환기에서 성능 특성을 분석하려고 한다. 타 연구에서는 히트파이프의 형상 및 체적에 대한비교분석 데이터가 없어 직접 비교하기 어려운 부분이 있어 이번 연구를 통해 히트파이프 형상에 따른 성능, 냉매 충진량, 공기측 압력강하 특성을 분석함으로써 환기장치에 적용 하였을 때 기초 자료로 사용 하고자한다.
제안 방법
공기측 온도/습도 측정은 정밀도 ± 0.01℃로 교정된 PT-100Ω 센서를 장착한 공기 취득 장치를 이용해 건구 온도와 습구 온도를 측정하였다.
4 ℃로 일정하게 유지 되도록 제어되었다. 공기측 풍량 제어는 응축부와 증발부 히트파이프 열교환기에 풍동을 직접 연결하여 제어하였다.
본 연구에서는 핀-관형 히트파이프와 평행류형 히트 파이프 제작하여 시험하였으며 분리형 히트파이프의 작동유체의 충진량은 40～60(% vol.), 풍량은 300∼1,400m3/h사이에서 변화시켜가며 온도교환 효율, 열회수량, 공기측 압력강하를 시험을 통하여 측정 비교하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
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 평행류형 히트파이프는 40, 50, 60(%vol.
이러한 목적을 위해 본 연구에서 사용된 히트 파이프는 환기장치에 적용 가능하도록 분리형으로 제작되었다. 증발부와 응축부로 구성된 분리형 히트파이프 열교환기 내부를 충분히 진공 한 후 일정한 양의 작동유체를 주입하고 고온의 열유체를 가열부로 보내면 각 가열관내의 작동유체는 증발하면서 압력이 높아지며, 증기가 증발부에 모인 후 증기상승관을 통하여 냉각부에 도달한다.
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 평행류형 히트파이프는 40, 50, 60(%vol.), 핀-관형 히트파이프는 40, 45, 50, 55(%vol.)에 대하여 실험을 진행하였다. 충진된 냉매량은 40(%vol.
풍량은 열교환기 전면 통과 풍속을 기준으로 0.3～1.5 m/s로 0.3 m/s로 5단계 바꾸어 가며 측정하였다. 풍동은 Fig.
실험 장치는 항온항습으로 제어되는 2룸 방식의 칼로리미터로 시험은 KS B 6879[6] 열회수형 환기장치 시험 기준의 난방 조건으로 시험하였다. 히트파이프 상부 응축부와 하부 증발부의 풍량 및 온도/습도 측정은 실내측과 실외측에 구비되어 있는 풍량 측정 챔버와 온도 샘플러를 이용하여 측정하였다. 공기측 온도/습도 측정은 정밀도 ± 0.
평행류형 열교환기와 핀-관형 열교환기의 크기는 체적대비 평행류형 열교환기가 핀-관형 열교환기의 41% 체적 비율을 가지고 있으며 작동유체가 이동하는 열교환기 내부 용적은 평행류형 열교환기가 핀-관형 열교환기의 25%로 매우 작다. 히트파이프내 진공은 고진공 시스템을 이용해서 1시간이상 충분히 진공을 유지 하였으며 작동유체 충진은 냉매실린더를 사용해서 충진 하였다.
대상 데이터
여기서 응축액의 귀환력은 냉각부를 높은 위치에 설치하여 발생하는 액위차에 의해 구동력이 발생된다.[5] 분리형 히트파이프에 사용된 작동유체는 열적 특성이 우수한 R22를 사용하였다.
이론/모형
1에 나타내었다. 실험 장치는 항온항습으로 제어되는 2룸 방식의 칼로리미터로 시험은 KS B 6879[6] 열회수형 환기장치 시험 기준의 난방 조건으로 시험하였다. 히트파이프 상부 응축부와 하부 증발부의 풍량 및 온도/습도 측정은 실내측과 실외측에 구비되어 있는 풍량 측정 챔버와 온도 샘플러를 이용하여 측정하였다.
실험 챔버의 온도는 KS B 6879 열회수형 환기장치 시험 기준 난방 조건으로 설정 하였다. 실내측 챔버의 건구온도/습구온도는 22.
실험의 오차해석을 ANSI/ ASHRAE 37[7]에 따라 수행하였는데 공기측 풍량 측정 오차는 ± 0.5% 이내로 나타났다.
성능/효과
1) 온도교환 효율은 두 종류의 히트파이프 모든 경우에서 저 풍량에서는 작동유체 충진량이 40(%vol.) 일 때가 가장 높았으며 풍량이 증가함에 따라 최대 효율을 가지는 작동유체 충진량이 환기량에 따라 다름을 알 수 있었고, 환기량이 작을수록 온도교환 효율이 높게 나타났다.
2) 평행류형 히트파이프 60(%vol.)의 실험결과 에서 보는 것과 같이 작동 유체를 너무 많이 충진하게 되면 오히려 낮은 온도교환 효율을 보이는데 이는 관벽의 액막이 두터워지면서 열전달 효과를 악화시킨 결과로 최적 충진량이 40∼50(%vol.) 사이에 있음을 알 수 있다.
3) 풍량 변화에 따른 공기측 압력강하 비교에서는 증발부 히트파이프가 응축부 히트파이프 보다 크게 계측 되었는데 증발부 표면에 생긴 결로수의 영향으로 생각된다.
4) 평행류형 히트파이프는 핀-관형 히트파이프와 비교하여 냉매 충진량은 48%, 체적은 41%에서 동등이상의 성능을 보였으며, 공기측 압력강하도 37% 정도로 좋은 성능을 나타내었다.
온도교환 효율은 모든 충진량에 대하여 풍량이 적을 때 큰 값을 나타냈으며 풍량이 증가에 따라 점차 감소하였다. 두 종류의 히트파이프 모두에서 저 풍량에서는 작동유체 충진량이 40(%vol.)일 때가 가장 높았는데 전면 풍속이 증가함에 따라 역전하는 결과를 보였다.
이는 증발부 히트파이프 표면이 차가워 미세한 결로가 발생해 공기측 압력강하가 크게 나타난 것으로 생각된다. 두 종류의 히트파이프에서 압력강하를 비교해 보면 작동유체 충진량 50(%vol.), 풍량 800m3/h에서 핀-관형 히트파이프가 평행류형 히트파이프의 4.4배 더 큰 값을 보인다.
또한 평행류형 히트파이프의 경우 핀-관형 히트파이프 대비 체적 41%에서 동등 이상의 성능을 보임을 알 수 있었다.
본 연구를 통하여 평행류형 히트파이프와 핀-관형 히트파이프를 비교하였으며 분리형 히트파이프에 적용 하였을 때 환기량에 따른 최적 냉매 충진량이 다름을 알 수 있었다.
시험결과 최대 효율 및 열회수량은 전면속도와 작동 유체 충진량에 따라 변화함을 볼 수 있었고 전면속도가 낮을 경우는 충진량이 적을수록 전면속도가 클 경우는 충진량이 많은 경우가 유리함을 알 수 있었다.
6에는 풍량 변화에 따른 열회수량을 나타내었다. 열회수량은 모든 충진량에서 풍량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 풍량이 증가함에 따라 기울기는 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다.
풍량이 작을 경우는 작동유체의 충진량이 적은 경우에서 높은 열회수량을 보이고 풍량이 증가할수록 작동유체의 충진량이 큰 경우에서 높은 값을 나타내었다. 열회수량의 경우에도 온도교환 효율과 비슷한 결과를 보이는데 핀-관형 히트파이프 대비 체적이 41%에 불과한 평행류형 히트파이프의 열회수량이 작동유체 충진량 50(%vol.), 풍량 800m3/h에서124%의 열회수 능력을 보인다. Cho et al.
온도교환 효율은 모든 충진량에 대하여 풍량이 적을 때 큰 값을 나타냈으며 풍량이 증가에 따라 점차 감소하였다. 두 종류의 히트파이프 모두에서 저 풍량에서는 작동유체 충진량이 40(%vol.
공기측 압력강하 값은 풍량 증가에 따라서 일정한 비율로 증가함을 볼 수 있다. 응축부와 증발부의 공기측 압력강하를 비교해 보면 두 종류의 히트파이프 모든 경우에서 증발부에서 보다 큰 압력 강하를 보였다. 이는 증발부 히트파이프 표면이 차가워 미세한 결로가 발생해 공기측 압력강하가 크게 나타난 것으로 생각된다.
풍량이 증가함에 따라 기울기는 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다. 풍량이 작을 경우는 작동유체의 충진량이 적은 경우에서 높은 열회수량을 보이고 풍량이 증가할수록 작동유체의 충진량이 큰 경우에서 높은 값을 나타내었다. 열회수량의 경우에도 온도교환 효율과 비슷한 결과를 보이는데 핀-관형 히트파이프 대비 체적이 41%에 불과한 평행류형 히트파이프의 열회수량이 작동유체 충진량 50(%vol.
열회수량은 모든 충진량에서 풍량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 풍량이 증가함에 따라 기울기는 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다. 풍량이 작을 경우는 작동유체의 충진량이 적은 경우에서 높은 열회수량을 보이고 풍량이 증가할수록 작동유체의 충진량이 큰 경우에서 높은 값을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전달 성능이 가장 우수한 작동유체는 무엇인가?
[1]은 알루미늄 평판 압출관으로 제작된 진동세관형 히트파이프에 3가지(R-412b, R-22, R-290) 작동 유체를 충전하여 열전달 특성에 관한 실험을 수행하였으며, 모든 작동 유체에서 충진율이 40(% vol)일 때의 열전달 성능이 우수하다고 보고 하였다. 또한 작동유체로는 R-22의 열전달 성능이 가장 우수함을 밝혔다. Gu et al.
히트파이프를 이용한 열교환기의 단점은 무엇인가?
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 큰 공장이나 건물등 대용량 환기 시스템에서의 적용이 어렵다.
히트파이프를 이용한 열교환기의 장점은 무엇인가?
폐열을 회수하는 방법으로는 건물에 공급된 냉난방 에너지를 회수하여 사용되는 환기장치를 들 수 있는데 여기에 사용되는 열교환기로 히트파이프를 이용하는 방법이 있다. 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 큰 공장이나 건물등 대용량 환기 시스템에서의 적용이 어렵다.
참고문헌 (8)
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Y. U. Gu, Y. H. Kwon, J. S. Kim, "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.
S. T. Jeon, J. P. Cho, "An experimental study on the performance of the separate type heat pipe in accordance with the refrigerant charge", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 3 pp. 1600-1604, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.3.1600
S. T. Jeon, J. P. Cho, "Study on the Performance of the Separate type Heat Pipe Using the Parallel Flow type Heat Exchanger", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 8 pp. 5045-5050, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.8.5045
K, W. Lee, "Separate heat pipe heat exchanger" Proceedings of the SAREK 1997 Annual Conference, pp. 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.
J. P. Cho, Y. H. Choi, N. H. J, H. Kim, "Performance evaluation of Pf-Condensor adopted to Package air-conditioner", Proceedings of the SAREK 1999 Winter Annual Conference, pp. 045-051, 1999.
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