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021  Heat pipe의 구조, 작동원리, 응용분야에 대하여 관리자 06-01-20
 

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1. 개요


최근 공조장치 분야에서도 에너지절약 관점에서 여러 가지 에너지 회수법이 실제 설계에 도입되고 있다. 그 중에서 배열(排熱)을 회수하기 위한 방법 중의 하나로, 히트 파이프가 사용되고 있다


2. 히트 파이프의 구조


(1) 구성

밀봉된 용기, 위크(wick) 및 증기공간으로 구성되며, 그림과 같이 길이 방향으로 증발부, 응축부, 단열부로 구성되어 있다.

① 증발부 : 작동유체(作動流體)가 열원의 열 에너지를 받아 증발

② 응축부 : 작동유체인 증기를 응축시켜 열에너지(응축잠열) 방출

③ 단열부 : 작동유체의 통로를 구성하며 외부와의 열교환이 없는 부분


(2) 위크(wick)

① 금망, 발포제, 펠트(felt), 섬유, 소결금속 등의 다공성물질과 파이프 벽면에 홈을 판 것을 사용

② 모세관(毛細管)작용에 의해 작동액을 응축부에서 증발부로 되돌림

③ 위크의 기능

- 모세관 작용에 의해 작동액을 응축부 → 증발부로 환류

- 증발부 전체에 작동액을 분배


(3) 작동매체

HCFC-22(-40~30℃), HCFC-123(0~100℃), HCFC-134a(-30~60℃) 등이 사용된다.


(4) 용기

일반적으로 용기의 형상은 원통형이며, 누설이 없고, 내압 강도를 가져야 한다.

- 용기재질 : 알루미늄, 스테인레스, 탄소강 등 사용


3. 작동원리


(1) 외부 열원으로 증발부 가열 → 액(작동유체)의 온도 상승

(2) 액온상승 →증발촉진(포화압에 달할 때까지) 이 때 잠열이 증기에 주어짐

(3) 포화증기압은 액온의 상승과 더불어 높아져 → 증기가 응축부(저압)쪽으로 이동

(4) 증기가 응축부에서 응축 → 응축잠열 방출

(5) 방출된 열은 관벽, 위크를 통해 흡열원으로 방출

(6) 응축된 액은 위크를 통해 모세관현상에 의해 증발부로 되돌아 옴 → 사이클 완성


4. 히트 파이프의 응용


(1) 액체금속의 히트 파이프

원자로, 방사선 동위원소 냉각, 가스화학공장의 열회수용


(2) 상온용 히트 파이프

① 전기부문 : 전력관, 전자회로, 발전기, 변압기 등의 냉각용

② 공조부문 : 폐열회수, 태양열 집열장치, 지열 이용장치

③ 기계부문 : 금속 절단기의 냉각용

④ 우주공학부문 : 우주선 탑재기, 우주복의 온도제어용


(3) 극저온 히트 파이프

적외선 센서(sensor), 레이저 시스템의 냉각용, 의료기구용, 동결수술용


5. 히트 파이프 열교환기의 특징


(1) 고성능으로 높은 열회수율

하나의 히트 파이프 외면에 급배기 양유체의 열교환을 행할 수 있기 때문에 2차 전열면(fin)을 부가할 수 있어 고성능으로 열회수 가능


(2) 열회수에 특별한 운전비 불필요

열매 순환펌프나 회전 모터(전열교환기)등이 불필요하여 동력이 절약


(3) 콤팩트하고 간단한 구조로 우수한 내구성

- 구동부가 없어 고장이 적다

- 각 히트 파이프가 독립되어 있어 고장시 상호 영향이 없다.


(4) 부착이 간단

콤팩트하고 경량이어서 배관 도중에 설치가능


(5) 급배기의 혼합이 없다

급배기를 분리판으로 구분하고 있어 길이를 자유롭게 할 수 있다


6. 히트 파이프 열교환기의 용도


(1) 공조용 환기로부터 열회수(용도)

① 급·배기 혼합이 없기 때문에 악취가 있고, 균등의 혼합 우려가 있는 곳에서 유효

② 동결에 강하므로 한냉지에서 특히 적다


(2) 보일러 배열회수(용도)

① 부식방지를 위해 산노점 이상에서 회수

② 슈트 브로우(soot blow) 등 부속기기 필요


(3) 공업로용 배열회수 용도

건조노의 배가스로부터 배열을 회수하여 건조용 공기 가온


7. 최근의 기술동향


히트 파이프의 연구 및 응용에 대한 최근 동향은 환경파괴의 방지, 주거 환경의 개선, 석유 대체에너지에의 적용, 기기효율의 향상의 관점에서 진행되고 있음


(1) 환경파괴의 방지

작동유체를 비CFC냉매 또는 비프레온화가 추진되고 있다.


(2) 주거 환경의 개선

주택의 냉·난방용으로 히트 파이프가 사용(특히 한냉지)


(3) 석유대체 에너지에의 적용

석탄 보일러, 지열이용 히트 파이프의 연구


(4) 기기효율의 향상

핀의 향상 등으로 우수한 성능의 기기 생산

 

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