<30325FC0FCBCBAC5C32DC6F2C7E0B7F9C7FC20BFADB1B3C8AFB1E2B8A620C0CCBFEBC7D120BAD0B8AEC7FC2E687770>

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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 8 pp , ISSN / eissn 평행류형열교환기를이용한분리형히트파이프의성능에관한연구 전성택 1*, 조진표 2 1 인천대학교기계시스템공학부, 2 인천대학교기계 전자 RIC Study on the Performance of the Separate type Heat Pipe Using the Parallel Flow type Heat Exchanger Sung-Taek Jeon 1*, Jin-Pyo Cho 2 1 Devision of Mechanical system Engineering, Incheon University 2 Mechanic Electron Regional Innovation Center, Incheon University 요약현대주택이고기밀고단열로건축되기때문에에너지절감의이점이있는반면오염된공기로인한많은부작용이발생하고있다. 이런부작용을해결하기위해환기장치를사용하여실내공기환경을개선하고있다. 본연구에서는자동차용에어컨의열교환기로사용되고있는평행류형열교환기의배기열회수환기장치로적용가능성을알아보기위해냉매충진량에따른열교환효율특성을시험적으로평가하였다. 본연구에서사용된히트파이프는환기장치에적용이가능하도록분리형으로제작되었다. 작동유체는 R22 냉매이고유체의충진량은 40~60(%vol.) 로 10(%vol.) 단위로충진하였다. 환기량은전면풍속을기준으로 0.3~1.5m/s 로 0.3 m/s 간격으로바꿔가며측정하였다. 시험결과최대효율을가지는냉매충진량이환기량에따라다름을알수있었고, 실험결과분석을통하여분리형히트파이프의환기량에따른최적냉매충진량을찾을수있었다. Abstract 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. Keywords : Parallel flow type heat exchanger, Refrigerant charging amount, Separate type heat piper, Ventilation system 1. 서론 현재세계는고갈되어가고있는지구에너지자원을 다변화하고기존에너지에대한절약의식이고조되고있는반면, 생활수준의향상으로쾌적한생활공간을추구함에따라냉난방설치율은날로증가되고있다. 이에 이논문은인천대학교 2014년도자체연구비지원에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Sung-Taek Jeon (Incheon Univ.) Tel: stjeon@incheon.ac.kr Received May 11, 2015 Revised June 12, 2015 Accepted August 6, 2015 Published August 31,

2 한국산학기술학회논문지제 16 권제 8 호, 2015 따라, 하절기에는냉방용전력소비량이급증하여전력예비율이최저에도달하게되어공장등대규모전기수요처에대한제한송전이이루어지는단계에까지이르렀고, 국가적사회적으로하절기전력수급에큰불균형을초래하고있다. 이러한문제점을해결하기위해서는하절기전력첨두부하에맞추어신규발전소를증설하는방안이나대체에너지를개발하는방안들이논의되고있으나, 이러한발전소의증설이나대체에너지의개발에는많은비용, 시간및노력이요구된다. 따라서현실적으로에너지문제를대처하기위한가장빠르고손쉬운방법은에너지절약및폐에너지회수전략이라할것이다.[1] 폐열회수하는다른방법으로는히트파이프를이용한방법이있는데이러한히트파이프를이용한열교환기의경우, 실내공기와외부공기가서로격리되어있기때문에누설이없고내부가진공으로유지되어실내공기및외부공기의미세한온도차에의해서도작동유체의증발과응축이쉽게일어나열전달효율이높다는장점이존재한다. 그러나일체형으로구성되기때문에역시큰공장이나건물등대용량환기시스템에서의적용이어렵다. 히트파이프에대한기존의연구로는Lee et al.[1] 은알루미늄평판압출관으로제작된진동세관형히트파이프에 3가지 (R-412b, R-22, R-290) 작동유체를충전하여열전달특성에관한실험을수행하였으며, 모든작동유체에서충진율이 40(% vol) 일때의열전달성능이우수하다고보고하였다. 또한작동유체로는 R-22의열전달성능이가장우수함을밝혔다. Gu et al.[2] 은평판압출관의내부채널수가진동형히트파이프의성능에미치는영향에대하여시험적연구를수행하였는데평판관내의채널수가작을수록성능이우수함을보고하였다. 대부분의연구가일체형형태의히트파이프로분리형형태의히트파이프에대한연구내용이부족하다. 본연구에서는자동차용에어컨에주로사용되는평행류형열교환기를이용해분리형히트파이프를만들어실험하였다. 평행류형열교환기는고성능루버핀과평판관으로제작된열교환기로자동차에어컨용응축기에사용되고있으며단위면적당열용량이커서현재는가정용에어컨의열교환기로적용하려는개발이활발히진행되고있다. 기존연구자에의하면핀-관열교환기보다평행류형열교환기로사용한히트파이프의효율이높았다 라고보고하고있으나, 본연구처럼분리형방식의평행류형열교환기를사용한히트파이프에대한연구는없다.[3] 본연구에서는평행류형열교환기를베기열회수환기장치에적용하고자작동유체충진량및환기량에따른분리형히트파이프의환기성능을시험적으로평가하였다. 본연구에서사용된히트파이프는환기장치에적용가능하도록분리형으로제작되었다. 분리형히트파이프식열교환기의내부를진공으로한후에일정한양의작동유체를주입하고고온의열유체를가열부로보내면각가열관내의작동유체는증발하면서압력이높아지며, 증기가증발부의헤더에모인후증기상승관을통하여냉각부위헤더에도달한다. 여기서증기는각냉각관내로분배되고관외에서의저온유체에의해냉각관내의증기는관내벽에응축되며, 응축액은중력의작용에의해응축부아래의헤더에모인후액체하강관을통하여가열부아래헤더에보내지면서작동유체의순환이계속되어열을수송하게된다. 여기서응축액의귀환력은냉각부를높은위치에설치하여발생하는액위차에의해구동력이발생된다.[4] 분리형히트파이프에사용된작동유체는열적특성이우수한 R22를사용하였다. 2. 실험장치구성및방법 2.1 실험장치의구성히트파이프시험장치는 Fig. 1에나타내었다. 항온항습으로제어되는 2룸챔버에 KS B 6879[5] 열회수형환기장치시험기준의난방조건으로시험하였다. 히트파이프상부응축부와하부증발부의풍량및온도 / 습도측정은실내측과실외측에구비되어있는풍량측정챔버와온도샘플러를이용하여측정하였다. 공기측온도 / 습도측정은정밀도 ± 0.01 로교정된 PT-100Ω 센서를장착한공기취득장치를이용해건구온도와습구온도를측정하였다. 실험의오차해석을 ANSI/ ASHRAE 37[6] 에따라수행하였는데공기측풍량측정오차는 ± 0.5% 이내로나타났다. 5046

3 평행류형열교환기를이용한분리형히트파이프의성능에관한연구 Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus (a) Condensation section Fig. 2. Separate type heat pipe structure Fig. 2에는분리형히트파이프구조에대하여도시하였다. 분리형히트파이프의증발부공기측으로흐르는고온유체에내부의냉매가증발되고발생된증기는증기상승관을통해상부의응축부로이동을한다. 응축부의공기측으로흐르는저온유체에의해냉각된액체는액체하강관을거쳐다시증발부로이동을하는폐루프순환을한다. 이때증기상승관유동에의한압력손실과냉각부에서냉각된액체가액체하강관내의유동에의한압력손실의합이최대가능수두보다작아야수두차가구동력으로되어액체순환한다. (b) Evaporation section Fig. 3. Parallel flow type heat exchanger 본연구에서사용된평행류형열교환기는 Fig. 3 에나 5047

4 한국산학기술학회논문지제 16 권제 8 호, 2015 타내었다. 열교환기크기는 mm( 가로 세로 두께 ) 로 50개의평판튜브가헤더파이프에용접되어있고헤더파이프사이에는루버핀이장착되어공기측열교환을하고있다. 냉매측유로는 4개패스로 ( ) 베플에의해구분되어있다. 응축부와증발부의열교환기는 Fig. 3에나타난것과같이설치하였다. 응축부와증발부의연결은직경 1/2인치, 길이 2m 동관을사용해용접하여제작하였다. 히트파이프내진공은고진공시스템을이용해서 1시간이상충분히진공을유지하였으며작동유체충진은열교환기와배관의관내체적을계산하였으며, 액냉매의밀도를곱하여충진냉매의질량을계산하여냉매실린더를사용해서충진하였다. 히트파이프의설계용량은 30평형아파트에적용이가능한 250CMH 급으로설계하였다. 이러한상황이나타난후의결과는가열관으로부터냉각관사이의압력차를증대시킴과동시에액체가냉각부로들어가기때문에관벽의액막이두터워지면서열전달효과를악화시키게되므로 0(%vol.) 에서 100(%vol.) 사이의충진량에서적당한수치를찾아내야한다. Fig. 4는전면속도변화에따른온도교환효율을나타내었다. 온도교환효율은아래식과같이구해진다. 여기서 η t 는온도교환효율, t OA 는실외온도, t SA 는급기온도, t RA 는환기온도이다. 2.2 실험방법실험챔버의온도는 KS B 6879 열회수형환기장치시험기준의난방조건으로설정하였다. 실내측챔버의건구온도 / 습구온도는 22.0/13.9, 실외측챔버의건구온도 / 습구온도는 2.0/0.4 로일정하게유지되도록제어되었다. 공기측풍량의제어는응축부와증발부히트파이프열교환기에풍동을직접연결하여제어하였다. 풍량은열교환기전면통과풍속을기준으로 0.3~ 1.5 m/s로 0.3 m/s로 5단계바꾸어가며측정하였다. 풍동은 Fig. 1에서나타낸것과같이멀티노즐방식으로제작되었다. 열교환기입구측온도측정은공기포집장치를이용해서히트파이프입구와출구에서각각측정하였다. 작동유체의충진은히트파이프의내부에작동유체를액체상으로완전히충진한무게를기준으로작동유체의무게의비율로계산하였고 40, 50, 60(% vol.) 에대하여실험을진행하였다. 3. 실험결과및분석분리형히트파이프의증기-액체유동사항은분리형이작동을시작한후가열부의액체가비등하면기포를발생하고기포가커져서벽면을이탈하여떠올라가는하나의과정을가지고있으며, 이때증기- 액체혼합물의체적은액체의체적보다커지고, 증기- 액체혼합물이위쪽헤더에밀려들어가서냉각부에까지들어갈수도있다. Sensible heat exchange rate (%) Refrigerant charging 40 % 50 % 60 % Front air velocity (m/s) Fig. 4. Front air velocity vs. sensible heat exchange rate Heat recovery amount (W) Refrigerant charging 40 % 50 % 60 % Front air velocity (m/s) Fig. 5. Front air velocity vs. heat recovery amount 5048

5 평행류형열교환기를이용한분리형히트파이프의성능에관한연구 Pressure drop (Pa) Condensation section Evaporation section 는증기와액체를수송하는압력손실에상당하는액주높이보다반드시커야한다는것이다. 시험결과최대효율및열회수량은전면속도와작동유체충진량에따라변화함을볼수있었고전면속도가낮을경우는충진량이적을수록전면속도가클경우는충진량이많은경우가유리함을알수있었다 Front air velocity (m/s) Fig. 6. Front air velocity vs. pressure drop 모든충진량에대하여전면풍속이낮을때큰값을나타냈으며전면속도증가에따라점차감소하였다. 전면속도가저풍속일경우작동유체의충진량이 40(%vol.) 일때가가장높았는데전면풍속이증가함에따라역전하는결과를보였다. 전면풍속이 1.2 m/s 보다클때는 50(%vol.) 가가장큰값을보였다. 이는전면풍속이증가하게되면작동유체충진량이적을경우작동유체가증발하거나응축할수있는양이적어서이동시킬수있는열량이적은것으로판단된다. Fig. 5에는전면풍속변화에따른열회수량을나타내었다. 열회수량은모든충진량에서전면풍속이증가함에따라증가하는경향을보였다. 전면풍속이증가함에따라기울기는감소하는것을관찰할수있었다. 전면풍속이낮을경우는작동유체의충진량이적은경우에서높은열회수량을보이고전면속도가증가할수록작동유체의충진량이큰경우에서높은값을나타내었다. 열회수량의경우에도온도교환효율과비슷한결과를보이는데전면풍속이 1.5m/s일경우작동유체충진량 50(%vol.) 일때가가장큰값을나타내었다. Fig. 6에는전면속도변화에따른히트파이프열교환기공기측압력강하를나타내었다. 공기측압력강하값은전면속도증가에따라서일정한비율로증가함을볼수있다. 응축부와증발부의공기측압력강하를비교해보면증발부에서보다큰압력강하값을보였다. 이는증발부히트파이프표면이차가워미세한결로가발생해공기측압력강하가크게나타난것으로생각된다. 분리형히트파이프식열교환기의이점은증발부와응축부간의거리를아주멀리할수있다는것이지만, 증발기와응축기의고도차가반드시있어야하고, 그고도차 4. 결론본연구에서는자동차용열교환기에서사용되고있는평행류형열교환기로분리형히트파이를제작하여시험하였다. 분리형히트파이프의작동유체의충진량은 4 0~60(% vol.) 로 10(% vol.) 단위로변화시키고, 전면속도를 0.3~1.5m/s로 0.3 m/s 단위로변화시켜서온도교환효율, 열회수량, 공기측압력강하를시험을통하여측정하였으며다음과같은결과를얻을수있었다. 1) 전면속도가 1.2m/s 보다낮을경우에는작동유체충진량이 40(%vol.) 의경우가가장높은온도교환효율및열회수량을보였으며전면속도가 1.2m/s 이상의경우에서는작동유체충진량이많을수록커지는결과를보인다. 2) 실험결과최대효율을가지는작동유체충진량이환기량에따라다름을알수있었고, 환기량이작을수록온도교환효율이높게나타났다. 3) 전면속도변화에따른공기측압력강하비교에서는증발부히트파이프가응축부히트파이프보다크게계측되었는데증발부표면에생긴결로수의영향으로생각된다. 본연구를통하여분리형히트파이프의환기량에따른최적냉매충진량이다름을알수있었다. References [1] 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 ,

6 한국산학기술학회논문지제 16 권제 8 호, 2015 [2] 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 , [3] 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, [4] Lee, K, W "Separate heat pipe heat exchanger" Proceedings of the SAREK 1997 Annual Conference, 31-49, [5] Korea agency for technology and standards Ks B 6879, Heat-recovery ventilators, KATS., [6] ANSI/ASHRAE Standard 37, "Standard measurement guide, engineering analysis of experimental data", ASHRAE., 전성택 (Sung-Taek Jeon) [ 정회원 ] 1981년 2월 : 숭실대학교공과대학원기계공학 ( 공학석사 ) 1996년 2월 : 인천대학교인천대학원기계공학 ( 공학박사 ) 1980년 3월 ~ 2010년 2월 : 인천전문대학교수 2010년 3월 ~ 현재 : 인천대학교기계시스템공학부메카트로닉스전공교수 < 관심분야 > 기계공학, 열. 유체분야 조진표 (Jin-Pyo Cho) [ 종신회원 ] 1998 년 2 월 : 인천대학교인천대학원기계공학 ( 공학석사 ) 2005 년 2 월 : 인천대학교인천대학원기계공학 ( 공학박사 ) 1998 년 2 월 ~ 2000 년 8 월 : 대우전자주임연구원 2000 년 9 월 ~ 현재 : 인천대학교기계전자 RIC 팀장 < 관심분야 > 기계공학, 공기조화및냉동 5050