접이식 버블젯 루프 히트파이프의 접이각에 따른 열전달 및 압력변동

Ⅰ. 서 론

버블젯 루프 히트파이프(Bubble Jet Loop Heat Pipe, BJLHP)에 대한 기초연구는 Kong et al. (2009)에 의하여 이루어 졌으며, 윅이 없이도 수평상태에서 안정적으로 작동하도록 설계된 고성능 열전달 장치이다. 종래의 연구에서는 Jeong et al.(2011)은 BJLHP의 열성능을 향상시키기 위해 작동유체의 충전율을 변화시켰으며, Shin et al. (2013)은 증발부에서 가열 히터와 외관사이의 간극 변화에 따른 열전달 성능 변화에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. Kim and Kim(2015)은 증발부에 편심 가열부를 사용한 BJLHP의 열전달 성능 향상에 대하여, Kim and Shin(2015)은 핵비 등 촉진 전열면을 이용한 BJLHP의 열전달 성능 향상에 대하여 연구하였다. 또한, BJLHP의 산업 현장 활용에 대한 연구로서는 온돌난방(Kim et al., 2014) 과 식물의 뿌리 난방에 적용하여 에너지 절약을 할 수 있는 연구 성과를 얻었다(Kim et al., 2014). [Photo 1]에 BJLHP를 온돌 난방에 적용한 예와 [Photo 2]에 원예용 비닐 하우스 내 뿌리 난방에 적용한 예를 나타내었다. 그러나, 현장 적용시 히트파이프의 길이가 5m 이상으로 매우 길 경우 운반 및 설치에 어려움이 있으며, 설치 장소(온돌난방, 근권난방)에 따라 증발부가 응축부보다 높아질 경우 작동 유체의 귀환이 원활하지 않아 작동이 불안정하거나, 성능 저하가 발생될 수 있는 문제점이 발생하였다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하고자 접이식 BJLHP를 개발하였으며, 접이각에 따른 히트파이프의 온도 분포, 열전달 성능 및 압력 변동에 대한 실험을 수행하였다.

[Photo 1]

Ondol system using the BJLHP

[Photo 2]

Root heating system using the BJLHP

Ⅱ. 실험장치 및 방법

1. 실험장치

[Fig. 1]은 BJLHP의 작동원리를 나타낸 것이며, [Fig. 2]는 접이식 BJLHP의 개략도이다. BJLHP는 동관으로 제작되었으며, 짧은 증발부(L=250mm, D_o=28.58mm)와 긴 응축부(L=10,000mm, D_o=12.7mm)로 구성되어 있다. 증발부는 히터가 증발부 관내로 삽입 되도록 구성되고, 히터-외관 사이의 간극이 2.19mm인 환형공간(annular crevice)에서 작동유체가 핵비등하여 기포가 발생되어 압력 진동에 의하여 응축부로 이동하게 된다(Shin et al., 2013). 응축부는 길이 10m인 관을 U자 형태로 접어 루프 형태로 제작하였다. 또한 응축부 중앙에 길이 1m의 구리 주름관을 사용하여 기울기를 변화시킬 수 있도록 하였으며, 설치 및 운반이 용이하도록 하였다.

[Fig. 1]

Operating principle of BJLHP

[Fig. 2]

Schematic diagram of the foldable BJLHP

<Table 1>에서 BJLHP의 작동유체는 선행연구 Kong et al.(2009)과 Jeong et al.(2011)의 결과를 토대로 R-134a를 사용하였으며, BJLHP의 내부 진공도를 4.3 × 10^-4 Pa 로 진공시킨 후 액상의 작동유체(대기압, 20 ℃)를 최대 효율을 낼 수 있는 전체 체적의 60 vol.% 주입한 뒤 밀봉하였다. 또한 증발부내에 가열 히터를 설치하여 외부로의 열손실을 최소화하였다.

<Table 1>

Specification of the foldable BJLHP

2. 실험방법

[Fig. 3]은 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이며, <Table 1>에 BJLHP의 실험 조건 및 제원을 나타내었다.

[Fig. 3]

Schematic diagram of experimental set up

증발부 히터에 입열량은 파워미터와 전압조절기를 사용하여 입열량(Q) 100W(증발부 열유속 9.646 kW/m2)로 하였고, 온도는 CC열전대(ϕ = 0.32 mm, ± 0.25℃)를 증발부(EP)와 응축부(CP1, CP2, CP3) 의 표면에 부착하고 방열 테이프로 단열하였다. 압력은 [Fig. 3]의 증발기 입출구(Pressure tab1, Pressure tab2)의 2지점에 압력트랜스미터(HISCO Sensor Institute Inc. P201H0050B GCD)를 연결하여 데이터 로거(GL800, Graphtec)로 측정하였다. 히트파이프 성능 측정 실험은 온도 20± 0.5 ℃, 상대습도 50± 5%인 항온항습실 내에서 수행하였다.

BJLHP의 접이각(β)의 영향을 조사하기 위하여 접이각 0°~ 5°까지 0.5° 간격에 대하여, 온도, 압력 및 가열량은 측정시간 간격을 0.25초로 하여 정상상태 도달 후 10분 동안 4회 측정하여 데이터를 처리하였다. 내부압력 변동은 압력데이터를 Matlab FFT 함수코드를 참고하여 주파수 분석을 하였다(Vinay K. and John G., 2017). 히트파이프의 유효 열전도율은 다음 식(1)으로 계산하였다(A. Faghri, 1995).

$\[ k_e=\frac{Q\cdot L_{eff}}{A_c\cdot △T_{ec}} \]$

(1)

k_e : 유효 열전도율 (kW/(m·K))
A_c : 응축부의 단면적(m²)
L_eff :유효거리((증발부 길이+응축부 길이)/2)(m)
Q : 증발부 히터 입열량(kW)
△T_ec : 증발부와 응축부 평균 온도차(℃)

Ⅲ. 실험 결과

[Fig. 4]는 증발부에 100 W의 열량을 입력했을 때, 접이각 0°(수평상태)에 대한 BJLHP의 증발부와 응축부의 표면온도를 나타낸 것이다.

[Fig. 4]

Temperature profile with folding angle 0°

전력 인가 후 1500sec 후에 45±1℃ 이내로 열평형을 이루었다. 증발부(EP)와 응축부(CP1, CP2, CP3)의 평균 온도차가 0.5℃ 미만으로 나타나 BJLHP 내의 작동유체가 원활하게 작동되고 있다는 것을 알 수 있다.

[Fig. 5]는 식(1)로 계산한 접이각(β)에 따른 유효열전도율(k_e)의 변화를 나타낸 것이다. 접이각 0°~1.5°의 구간에서는 유효열전도율이 약 2000 kW/(m·K)에서 약 2100 kW/(m·K)로 증가되는 경향을 보였으며, 접이각1.5°~2.5°의 구간에서는 유효열전도율이 약 2000 kW/(m·K)로 약간 감소하였으며, 2.5°~5°의 구간에서는 액체상태의 작동유체가 응축부 말단으로 원활하게 순환되지 못하여 유효 열전도율이 수평상태보다 서서히 감소하여 1700 kW/(m·K)로 되는 경향을 보였다.

[Fig. 5]

Effective thermal conductivity changes with folding angles

[Photo 3]은 증발부에서 핵비등이 발생되어 기체-액체의 이상류로 된 파형류(wavy flow) 및 슬러그류(slug flow)를 형성하고 좁은 환형 공간내에서 불규칙한 압력진동이 발생하여 응축부로 이동, 순환되는 것을 보여준다. 접이각 2.5°이상의 구간에서는 접이각 기울기가 상승함에 따라 응축부 말단(22cm)의 위치에너지(ρgh)가 증가하여 1700 kW/(m·K) 까지 낮아진다. [Photo. 3 (b)]에 응축부의 유동양식을 나타내었다. 유동양식은 슬러그류(slug flow)이며 경사가 있는 응축부의 후반부(2500 mm)에서는 기액 이상류 중 기상만이 부력에 의해 응축부 말단으로 흐르게 되고 액상은 간헐적으로 흘러 유효열전도율이 감소하는 것으로 사료된다. 따라서, 접이각 2.5°~ 5°의 구간에서는 유효열전도율은 점차 감소되어 최소값에 도달한 후 일정 수준으로 유지되는 것을 알 수 있다.

[Photo 3]

Flow visualization of evaporating and condensing part.

[Fig. 6]은 접이각에 따른 P2 에서 측정한 압력 변화를 FFT 분석한 결과이다. 접이각 0°~ 2.5°의 구간에서는 작동유체가 증발부 히터 방향으로 원활하게 이동하여 핵 비등이 활발하게 되며, 버블의 젯팅(jetting) 능력이 증가되어 주파수가 소폭 증가하며 2.5°에서 주파수가 0.04 Hz로 최대값을 나타내었다. 한편, 접이각 3°~ 5°의 구간에서는 주파수가 감소하여 0.032Hz로 일정한 값을 보였다. 이것은 응축부의 기울기가 증가함에 따라 증발부에서의 버블 제트 능력의 상승보다 중력에 따른 응축부 말단의 위치에너지가 증가함에 따라 기액 이상류중 액상의 흐름이 간헐적으로 흘러 순환 능력이 감소하기 때문으로 사료된다. 압력 최대 주파수는 0.032 Hz에서 0.040 Hz 범위 내에서 변동하며, 매우 작다.

[Fig. 6]

Pressure profiles f(Hz) according to BJLHP folding angles

[Fig. 7]은 접이각에 따른 CP3 에서 측정한 온도 변화를 주파수 분석한 결과이다. CP3 에서의 온도 변화도 앞의 [Fig. 6]과 같이 압력 변동과 정성적으로 일치하는 경향을 보여준다.

[Fig. 7]

Temperature profiles f(Hz) according to BJLHP folding angles

그러나 접이각 3°이상에서는 온도 변동 주파수가 압력변동 주파수보다 커지는 경향을 보이고 있다. 이는 온도측정위치에서의 기체 및 액체의 접촉이 달라 표면온도의 변동이 큰 것으로 생각된다. 주파수는 0.037 Hz에서 0.043 Hz 범위 내에서 변화하였다.

[Fig. 8]은 BJLHP의 접이각에 따른 주파수(P2)의 변화를 나타낸 것이다. 압력 주파수 변동과 [Fig. 5]의 유효열전도율의 변화가 정성적으로는 잘 일치하고 있음을 알 수 있으며, 특히 접이각 2.5°부근에서 급격한 주파수의 감소를 보였다.

[Fig. 8]

Pressure profiles f(Hz) changes with folding angles

Ⅳ. 결 론

접이각의 변화에 따른 BJLHP의 열전달과 내부 압력 진동 특성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)BJLHP의 유효열전도율은 접이각의 영향을 받는다. 접이각 0°~2.5°사이에서는 유효열전도율이 수평상태보다 5% 정도 증가하였으며, 접이각이 2.5°~5°범위에서는 유효열전도율은 수평상태(0°)보다 18% 정도 감소하였다.

(2)압력 변동 주파수가 심한 변화를 보이는 접이각 2.5°부근에서 유효열전도율의 급격한 감소가 시작되었다.

(3)접이각이 BJLHP의 유효열전도율에 미치는 영향을 파악하여 길이 5m정도의 긴 히트파이프의 유효설치 접이각의 범위를 제시하였다.

Acknowledgments

※ 이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2016년)에 의해 연구되었음.

References

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