[논문]다양한 작동유체로 충전된 폐쇄 루프 맥동 히트파이프 내부 유동패턴 비교

강석구; 김성근; 히발 아흐메드; 정성용

doi:10.5407/jksv.2019.17.3.052

다양한 작동유체로 충전된 폐쇄 루프 맥동 히트파이프 내부 유동패턴 비교
A comparative study on the flow patterns in closed loop pulsating heat pipe charged with various working fluids 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.3, 2019년, pp.52 - 58

강석구 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 김성근 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 히발 아흐메드 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 정성용 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal performance and flow patterns inside the closed loop pulsating heat pipe (CLPHP) were experimentally investigated. For investigating the effect of working fluids, CLPHP was filled with various working fluids including methanol, acetone and ethanol. The thermal resistance was calculated by temperatures in evaporator and condenser and flow patterns were visualized by a digital camera. The thermal resistances for all fluids were decreased as the heat increases. Flow patterns change from static slug to elongated slug flows, bulk circulation and annular flows as the heat increases. Dry-out occurs after annular flows. For reasonable comparison of thermal performances, normalized CHF, Kutateladze number (Ku), was compared. Even though ethanol has smallest CHF, Ku of ethanol is similar with that of methanol. In addition, acetone has the highest Ku that means CLPHP with acetone provides the higher thermal performance compared with CLPHP with other fluids.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Experimental set-up
그림 Fig. 2. Dimension of CLPHP tested in this study
그림 Fig. 3. Variations of temperatures in evaporator and condenser sections for (a) acetone, (b) ethanol and (c) methanol
그림 Fig. 4. Comparison of the thermal resistance
그림 Fig. 5. Flow patterns for acetone at various Q_in
그림 Fig. 6. Flow patterns for ethanol at various Q_in
그림 Fig. 7. Flow patterns for methanol at various Q_in
그림 Fig. 8. Comparison of Kutateladze number (K_u)

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

K형 열전대(정확도 ±1 ℃ ±0.5%)를 이용하여 증발부와 응축부의 온도를 측정하고 DAQ(NI-cDaQ-9171)와컴퓨터를 연결하여 측정한 온도를 LABVIEW를통해 데이터로 산출하였다.
는 각각 증발기와 응축기온도이다. Q_in 을 10 에서 50 W까지 변화시키며 R_th 를 측정하고 CLPHP 내부의 유동 특성은 디지털 카메라를 이용하여 가시화 한다. 작동 유체를 변경하여 이 과정을 반복한다.
본 연구에서는 아세톤, 메탄올, 에탄올로 충전된 CLPHP의 열 저항 및 내부 유동을 비교하였다. Q_in을 변화시키며 증발기와 응축기의 온도를 측정하고 R_th를 계산하여 열전달 성능을 확인하였다. 세 가지 작동 유체 모두 Q_in이 증가할 때R_th가 감소하는 경향을 나타내었으며, 아세톤, 메탄올, 에탄올 순서로 실험한 입력 열 범위에서 낮은 Rth을 갖는 것을 확인하였다.
5%)를 이용하여 증발부와 응축부의 온도를 측정하고 DAQ(NI-cDaQ-9171)와컴퓨터를 연결하여 측정한 온도를 LABVIEW를통해 데이터로 산출하였다. 각 실험 조건에서의 특징 적인 유동패턴 변화는 디지털 카메라를 이용하여 관찰하였다.
본 연구에서는 CLPHP 내부 작동유체로 에탄올, 메탄올, 아세톤을 사용하고, 작동유체 변화에 따른 열저항 및 유동 패턴의 변화를 실험적으로 확인하였다.
본 연구에서는 아세톤, 메탄올, 에탄올로 충전된 CLPHP의 열 저항 및 내부 유동을 비교하였다. Q_in을 변화시키며 증발기와 응축기의 온도를 측정하고 R_th를 계산하여 열전달 성능을 확인하였다.
1 은 본 연구에서 사용한 실험 장치 구성도를 나타낸다. 붕산염 유리를 이용하여 두 개의 관으로 구성된 CLPHP 를 제작하였다. 진공 펌프를 사용하여(Rocker-300, AC110V, 60Hz) CLPHP내부를 진공 상태로 만든 후 작동유체를 CLPHP로 주입하였으며, 작동유체로는 에탄올, 메탄올,아세톤을 사용하여 실험을 진행하였다.
열전달 성능 측정을 위하여 Q_in이 설정한 값과 같도록 전원 공급기를 조절한 후 증발기와 응축기의 온도 데이터를 측정한다. 측정한 온도 데이터와 Q_in으로부터 아래 식(3)을 이용하여 열적 저항(R_th)을 계산한다.
진공 펌프를 사용하여(Rocker-300, AC110V, 60Hz) CLPHP내부를 진공 상태로 만든 후 작동유체를 CLPHP로 주입하였으며, 작동유체로는 에탄올, 메탄올,아세톤을 사용하여 실험을 진행하였다. 작동유체가 들어있는 CLPHP 에 열을 가하기 위해 증발기 부분에 30 mm길이의 니크롬 와이어를 감아주고 전원공급기 (Toyotech TDP-3020B, 30V-20A)를 사용해 니크롬 와이어에 전원을 연결하여 증발기에 열을 공급하고 전원공급기의 전압을 변화시켜 공급되는 열을 제어하였다. K형 열전대(정확도 ±1 ℃ ±0.
붕산염 유리를 이용하여 두 개의 관으로 구성된 CLPHP 를 제작하였다. 진공 펌프를 사용하여(Rocker-300, AC110V, 60Hz) CLPHP내부를 진공 상태로 만든 후 작동유체를 CLPHP로 주입하였으며, 작동유체로는 에탄올, 메탄올,아세톤을 사용하여 실험을 진행하였다. 작동유체가 들어있는 CLPHP 에 열을 가하기 위해 증발기 부분에 30 mm길이의 니크롬 와이어를 감아주고 전원공급기 (Toyotech TDP-3020B, 30V-20A)를 사용해 니크롬 와이어에 전원을 연결하여 증발기에 열을 공급하고 전원공급기의 전압을 변화시켜 공급되는 열을 제어하였다.

대상 데이터

는 각각 액체와 기체의 밀도를 나타낸다. 유체 주입 시 LS 와 VP 가 분리되어 분포할 수 있는 bond number 가 2 보다 작은 조건을 만족하는 2 mm로 내경을 선정하였다. 외경은 유리관의 파손 등을 고려하여 6 mm로 제작하였다.
CLPHP 는 증발부가 하단, 응축부가 상단에 위치한 수직상태로 설치되어 있다. 전체 길이는 210mm 이고 증발기 부분의 길이는 30mm 이고,응축부 길이는 60 mm이다. CLPHP 에서 튜브의내경은 아래 식(1)의 bond numebr 를 이용하여선정하였다.

성능/효과

Q_in을 변화시키며 증발기와 응축기의 온도를 측정하고 R_th를 계산하여 열전달 성능을 확인하였다. 세 가지 작동 유체 모두 Q_in이 증가할 때R_th가 감소하는 경향을 나타내었으며, 아세톤, 메탄올, 에탄올 순서로 실험한 입력 열 범위에서 낮은 Rth을 갖는 것을 확인하였다. Q_in이 증가함에 따라서 유동은 슬러그류에서 bulk circulation,환상류로 변화하고 CHF 이상의 열유속에서는 증발기에서 dry-out현상이 발생하여 유동 정지가 발생하고 증발기의 온도가 급격히 상승하는 것을 볼 수 있다.
Q_in이 증가함에 따라서 유동은 슬러그류에서 bulk circulation,환상류로 변화하고 CHF 이상의 열유속에서는 증발기에서 dry-out현상이 발생하여 유동 정지가 발생하고 증발기의 온도가 급격히 상승하는 것을 볼 수 있다. 에탄올은 CHF가 다른 두 유체에 비하여 상대적으로 낮게 나타났지만, CHF를 무차원화한 K_u 값으로부터 에탄올과 메탄올을 작동유체로 사용하는 CLPHP는 비슷한 수준의 최대 열교환 성능을 보이며 아세톤은 세가지 유체 중에서 가장 높은 열교환 성능을 나타내는 것을 확인하였다.

후속연구

CLPHP 는 전자 장치, 우주 기술 및 열 교환기 등과 같은 광범위한 분양에서 응용되고 있다^[6-9]. 장치 크기, 경사각 및 충전율과 같은 다양한 인자들이 CLPHP 의 열 성능에 미치는 영향에 대한 연구가 다양하게 이루어 지고 있지만 ^[10-12], CLPHP 의 최적화를 위해서는 아직까지 더 많은 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PHP의 종류에는 어떤 것들이 있는가?	등에 의해 1990 년에 도입된 맥동 히트파이프(pulsating heat pipe, PHP) 장치는 이러한 열 문제에 대한 효과적인 해결책으로 큰 관심을 받고 있다[1]. PHP 에는 폐순환 PHP (CLPHP), 개순환PHP 및 추가 밸브를 적용한 개순환 PHP 등이 있다. 기존의 히트 파이프와 비교할 때 CLPHP는 wick 이 없는 구조로 이상 유동을 이용하는 수동 열전달 장치로 그 성능이 우수하다고 알려져 있다 [2-5].
	맥동 히트파이프(pulsating heat pipe, PHP)가 큰 관심을 받고 있는 이유는?	Akachi et al.등에 의해 1990 년에 도입된 맥동 히트파이프(pulsating heat pipe, PHP) 장치는 이러한 열 문제에 대한 효과적인 해결책으로 큰 관심을 받고 있다[1]. PHP 에는 폐순환 PHP (CLPHP), 개순환PHP 및 추가 밸브를 적용한 개순환 PHP 등이 있다.
	환상류(annual flow)가 시스템에 미치는 영향은?	CLPHP 의 내부 유동 패턴은 초기에 주입된 작동유체의 표면장력에 의하여 기체 플러그 (vapor plug, VP)와 액체 슬러그(liquid slug, LS)가 분포하며 일정 이상의 열을 가하면 증발부와 응축부에서 발생하는 압력차이로 인하여 내부 유동이 발생하고, 입력 열이 더욱 증가하면 유동은 환상류(annual flow)로 바뀐다. 이러한 내부 유동 패턴은 증발기 부분에서 응축기 부분으로의 열 전달 속도와 함께 전체열 전달 성능을 변화시키는 실질적인 요인으로,CLPHP 의 유동 패턴은 실험 조건과 다양한 변수에 직접적으로 영향을 받는다. 최근 다양한 연구들이 CLPHP 의 열전달 성능과 유동 패턴의 연관성을 이해하기 위하여 수행되고 있다[19-21].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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