대형 공랭 포크형 히트파이프의 열전달 특성에 대한 실험적 연구

1.1 포크형 히트파이프 설계개념

본 연구에서는 포크형 히트파이프(Fork-end heat pipe, FEHP)라는 새로운 개념의 대형 히트파이프 시스템 설계안을 제안하였다. FEHP의 개념도를 Fig. 1에 나타내었다. 수직으로 뻗은 증발부(Evaporator) 위에 넒은 공동이 있는 헤더(Header)구조가 있다. 헤더에는 약 7°의 기울기를 가지며 휜(Fin)이 달린 여러 개의 응축부(Condenser)가 채결되어 있다. FEHP는 작동유체로 물을 사용한다. 증발부가 가열됨에 따라 작동유체가 기화하며, 생성된 기체는 부력에 의해 헤더로 상승한다. 헤더에 도달한 기체는 여러 개의 응축부로 분지되어 유동한다. 응축부에서는 기체는 공기의 자연대류에 의해 냉각되며, 액화된 작동유체는 경사면을 따라 헤더에 모이게 되고, 다시 증발부로 회귀하게 된다.

Fig. 1

Conceptual drawing of fork-end heat pipe

포크형 히트파이프는 여러 다발의 응축부와 증발부가 하나의 헤더 구조로 통합된 형태의 히트파이프이며, 이러한 설계안의 주된 목적은 열전달 성능이 낮은 공기냉각 방식을 사용할 때 공랭 열전달면적을 확장하여 단위 히트파이프의 열 전달 성능을 향상시키는 것이다. 이를 통해 소요되는 히트파이프의 개수를 낮출 수 있다. 하지만 일반적으로 사용하는 히트파이프와 비교하여 규모가 크고, 새로운 형태의 설계개념을 가지기 때문에 운전특성에 대한 물리적인 이해가 선행되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 포크형 히트파이프의 축소모델을 제작하여 실험연구를 수행하였으며, 특히 증발부에서 나타나는 운전특성에 대해 집중적으로 분석하였다.

2.1 불안정성

Tian et al.⁽⁴⁾은 충진량이 큰 써모싸이폰에서 열유속이 불안정성에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였다. 인가 열량이 낮을 때에는 활발한 핵비등이 발생하지 못하며, 기포의 크기가 관의 직경과 유사한 테일러(Taylor) 기포가 형성된다고 언급하였다. 증발부와 단열부의 온도가 큰 폭으로 진동하는 불안정성이 관측되었으며, 순간적으로 생성된 테일러 기포가 액체를 밀어 올리는 가이즈 비등(Geyser boiling) 현상에 의해 나타난다고 설명하였다. 하지만 인가 열량이 증가함에 따라 가이즈 비등현상은 완화되었다. 또한 가이즈 비등이 완화 된 이후, 더 큰 열량이 인가됨에 또 다른 불안정성이 관측되었다. 인가되는 열량의 증가로 인해 생성되는 증기의 양과 유속이 증가하게 되고, 이에 따라 증기-액체 계면에서 강한 전단응력이 작용하면 회귀하는 응축수의 유동이 저해되어 일시적으로 증발부가 건조(Dry-out)되는 현상이 나타났다. 이에 따라 증발부 온도가 진동하는 현상이 관측 되었다. Faghri⁽⁵⁾는 위와 같은 증발부의 일시적인 건조현상이 상반류 유동한계(Countercurrent flow limit)로 인해 발생한다고 설명하였고, 이와 더불어 가이즈 비등현상이 발생할 시분출하는 액체가 히트파이프와 충돌하여 히트파이프 재료의 건전성이 훼손될 가능성이 있음을 언급하였다.

Jouhara et al.⁽⁶⁾은 전산유체역학 해석을 수행하여 써모싸이폰 내 가이즈 비등현상을 구현하였으며, 물과 R134a 각각에서 나타나는 풀비등 현상을 비교하였다. 해석 결과, 물의 경우 낮은 열유속에서 가이즈 비등현상이 나타나며 열유속이 증가할수록 안정화 되는 것을 확인하였으며, 가시화 실험을 통해 검증하였다. 반면에 R134a는 작은 기포가 형성되어 가이즈 비등현상이 나타나지 않았다.

Chang et al.⁽⁷⁾은 루프형 써모싸이폰을 제작하여 열유속에 따른 증발부 내부 비등현상을 가시화 하고 불안정성의 영향으로 나타나는 증발부 벽면온도의 진동현상을 분석하였다. 인가하는 열유속이 증가할수록 벽면온도의 진동폭은 감소하였으며 또한, 점차적으로 비등현상이 변화하는 것을 관측하였다.

2.2 증발부 비등현상

Niro와 Beretta⁽⁸⁾는 써모싸이폰 내 비등현상에 따른 비등영역(Boiling regime)을 구분하였으며 그 영역의 경계가 되는 기준 값을 이론적으로 제시하였다. 충진량이 적고 많음에 따라 유하액막증발(Falling film evaporation) 모드와 풀비등 모드를 구분하였고, 풀비등 모드에서도 기포가 성장하는 시간과 기포가 형성되기까지의 대기시간을 기준으로 ‘간헐적 비등(Intermittent boiling)’과 ‘완전발달 비등(Fully developed boiling)’을 구분하였다. 또한 형성된 기포의 크기와 히트파이프 내경의 크기를 기준으로 하여 완전발달 비등영역을 세분화하여 테일러 기포가 나타나는 슬러그 비등(Slug boiling)과 기포 비등(Bubble boiling)으로 구분하였다. 뿐만 아니라 실험적으로 간헐적 비등과 완전발달 비등 현상에서 나타나는 작동유체의 온도변화 특징을 관찰하였다. 간헐적 비등 영역에서는 일련의 주기를 가지며 발생하는 불안정성이 나타났으며, 완전발달 비등으로 천이하며 점차 주기가 짧아지다 안정되는 현상을 관측하였다.

Xia et al.⁽⁹⁾은 Niro와 Beretta⁽⁸⁾의 내용을 바탕으로 평판 이상류 써모싸이폰(Flat two-phase closed thermosyphon)에서 나타나는 비등현상을 가시화 하였다. 실험적으로 세 가지 특징적인 비등현상을 관측하였으며 인가 열유속이 증가함에 따라 ‘자연대류’, ‘간헐적 비등’, ‘완전발달 비등’ 순으로 천이하는 것을 확인하였다.

3.1 포크형 히트파이프 축소모델

포크형 히트파이프의 열전달 현상에 대한 실험연구를 수행하기 위해 Fig. 2와 같이 축소모델 시편을 제작하였다. 히트파이프의 재료는 구리이며, 수직으로 뻗은 한 개의 증발부와 7°의 경사를 갖는 12개의 응축부가 용적이 큰 헤더에 채결되어 있다. 이때 증발부와 응축부의 직경은 각각 19.05 mm와 12.7 mm이며 두께는 0.8 mm이다. 각각의 길이는 1 m로 동일하며, 증발부와 헤더 그리고 응축부와 헤더 사이에 각각 0.2m, 0.15m의 단열구간을 두었다.

Fig. 2

The scaled-down model for fork-end heat pipe: (a) pictures, (b) a plan for side view, (c) a plan for front view

응축부에는 공랭 열전달을 향상시키기 위해 원형 휜이 설치되어 있으며, 두께가 5 mm, 외경이 32 mm인 원형 휜이 응축부 한개당 300개가 설치되어 있다. 이때 각각의 휜은 확관 방식으로 접합되어 휜과 배관 사이의 열저항이 최소화되게 하였다.

헤더는 응축수가 증발부로 원활히 회귀하도록 하기 위해 7°의 경사를 갖는 브이(V)자 모형으로 제작하였다. 헤더와 증발부 그리고 응축부는 용접에 의해 접합되었고, 이때 12개의 응축부는 동일한 높이에 위치하도록 하였다.

작동유체로는 물을 사용하였으며, 저온에서의 상변화가 용이하도록 하고 불응축기체를 제거하기 위해 충진 전 고진공을 조성하였다. 진공조성 및 작동유체 충진은 헤더에 설치된 다이아프램 밸브를 통해 이루어졌다. 이때, 초기 진공도는 7.0×10^-4 Pa이다. 충진률(증발부 체적 대비 충진된 유체의 체적)은 1.38이며, 이에 대응되는 작동유체의 수위는 약 1.2 m이다.

증발부의 운전특성을 관측하기 위해 작동유체의 온도를 측정하였다. 주요 측정부는 증발부 하단과 헤더의 중앙이며, 각각 T-type 열전대를 설치하였다. 열전대는 Omega사의 표준형 열전대를 사용하였으며 ±1℃의 측정오차를 가진다. 히트파이프의 대표압력은 헤더에서 측정하며 Omega사의 PX172-030A 모델을 사용하였다. 이때 압력의 측정오차는 ±0.52 kPa이다.

3.2 열전달 실험장치

히트파이프 열전달 실험을 위한 실험장치를 Fig. 3과 같이 제작하였다. 실험장치는 크게 두 부분으로, 열을 공급하기 위한 가열루프와 냉각을 위한 공랭덕트로 구성되어 있다. 가열루프는 내에는 증류수가 채워지고, 챔버에 삽입된 히터에 의해 가열된다. 챔버는 항상 개방되어 루프 내 압력을 대기압 상태로 유지하도록 하였다. 가열루프에서는 히트파이프가 설치되어 있는 시험부와 바이패스(By-pass)로 유로가 나뉘어 있다. 시험부에는 오발기어(Oval gear) 방식의 유량계가 장착되어 있으며, 바이패스로 흐르는 유량은 로타미터(Rotameter)를 이용해 확인할 수 있다. 각각의 유량은 시험부 입구단과 바이패스에 위치한 밸브에 의해 조절된다. 히트파이프는 가열루프 내 재킷을 관통하여 삽입되며 환영유로를 형성한다. 챔버에서 가열된 유체가 펌프를 통해 환영유로로 흐르며 히트파이프를 가열한다. 4선식 측온저항체를 이용하여 환영유로를 흐르는 유체의 입·출구 온도를 측정하며, 각각 Omega사의 1/10 Din class의 RTD로 측정한다. 공랭덕트에는 균일한 유동을 형성하기 위해 벌집모양의 그물 구조물을 하단부에 설치하였고, 상부의 송풍기를 이용해 공기 유동을 생성한다. 실험장치를 구성하는 주요 장비들의 사양을 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3

Schematic of the test facility

Table 1

Design specifications of each component of experiment facility

3.3 측정방법 및 불확실도 해석

4.1 증발부 운전특성

Fig. 4는 증발부와 헤더에서 정상상태 시간 동안 측정된 작동유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 채워진 사각형 기호와 삼각형 기호는 각각 증발부 하단과 헤더에서의 작동유체 온도를 의미한다. 이때 증발부와 헤더에서의 온도 측정부는 Fig. 2에 나타난 것처럼 각각 증발부의 가장 하단부와 헤더의 중심에서 측정하였다. 채워지지 않은 사각형 기호는 증발부 하단의 포화온도를 의미하며, 포화온도는 헤더에서 측정된 압력과 충진된 작동유체의 높이가 만드는 정수압수두를 더하여 환산된 포화온도로서 식 (7)과 (8)에 의해 계산되었다.

Fig. 4

The boiling features of FEHP according to heat source temperature of heating loop: (a) Tsource =66.7℃, (b) Tsource =67.6℃, (c) Tsource =74.9℃, (d) Tsource =82.8℃, (e) Tsource =98.3℃

각 온도 측정은 매 4초에 한 번씩 연속적으로 이루어 졌지만, 그래프 상에는 시각적으로 단순화하기 위해 매 96초 마다 한 번씩 기호를 표시하였다.

Fig. 4(a)는 열원온도가 66.7℃일 때 작동유체의 온도변화 그래프이며, 이때 측정된 열전달량은 약 26 W이다. 본 연구에서 측정된 최대 열전달량이 2.3 kW 인 것에 비하면 매우 낮은 열전달량을 가지며, 온도변화가 안정적이기 때문에 핵비등과 같은 활발한 상변화가 발생하지 않는 것으로 보인다. 따라서 주된 열전달 현상은 냉각수 내에서 온도차에 의한 자연대류와 수면에서의 증발에 의해 이루어지는 것으로 해석된다. 자연대류 현상에서는 비등현상이 없기 때문에 안정적인 온도변화 특징을 가지고 있다. 또한 증발부 온도가 포화온도 이상으로 과열되어 준안정상태(Meta-stable)에 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 4(b)는 열원온도가 67.6℃일 때 작동유체의 온도변화 그래프이며, 증발부 하단의 온도가 급격히 감소하며 헤더부분의 온도가 급격히 증가하는 특징이 나타난다. 이는 선행연구들^(4-7)들에서 언급된 가이즈 비등 현상과 유사한 온도변화 추이를 보이는 결과이다. 포크형 히트파이프에서 나타나는 가이즈 비등 현상의 일련의 과정을 Fig. 5에 도식화 하였다. 이는 증발부 하단의 온도가 감소하기 시작할 때 일어나는 순간적인 과정이다. 증발부 하단의 과열된 액체에서 기포가 생성되고, 생성된 기포는 급격히 성장하며 배관 크기와 유사한 테일러 기포를 형성하게 된다. 테일러 기포는 증발부 배관에 있던 액체를 헤더로 밀어 올리며, 이에 따라 증발부와 헤더 사이에서 정수압수두가 감소하여 포화온도가 감소하게 된다. 이러한 현상은 플래싱(Flashing)현상을 유발하여 더 많은 상변화를 유발하고, 더 큰 기포가 형성되게 된다. 따라서 정수압의 감소와 플래싱이 연쇄적으로 발생하게 된다. 최종적으로 테일러 기포에 의해 상부의 액체가 헤더로 분출되며 증발부의 수두가 크게 감소한다.⁽¹²⁾ 가이즈 비등이 일어나는 순간 액체가 헤더의 상부에 충돌하는 충격음이 발생하였으며, 이후 과열상태였던 증발부의 온도가 감소하고, 가이즈 비등으로 인해 헤더의 온도가 증가하는 것이 관측되었다. 이때 증발부의 액체와 헤더의 기체 온도가 유사해 지게 되었다. 이는 가이즈 비등에 의해 정수압수두가 거의 사라지게 되어 유사한 포화온도를 나타낸 것으로 해석된다. 이후 분출된 액체가 증발부를 다시 채우면서 수두가 증가하였으며, 액체가 다시 과열되면서 새로운 가이즈 비등 주기가 시작되는 일련의 과정이 반복되는 것을 관측하였다. 또한 Fig. 4(c)와 같이 열원온도가 74.9℃로 증가함에 따라 가이즈 비등의 주기가 감소하는 것을 관측하였다. Fig. 6(a)와 (b)는 각각 Fig. 4(b)와 (c)에 대응되는 그래프로서 가이즈 비등 구간 동안의 열전달량 변화 특징을 나타낸다. 이때 열전달량은 식 (1)에 의해 계산되었으며, 평균 열전달량이 아닌 매 4초마다 측정된 측정값을 이용하여 과도상황 중 계산된 값이다. Fig. 4(b)와 (c)에서 헤더의 온도가 증가하는 지점, 즉 가이즈 비등이 발생할 때 큰 폭으로 열전달량이 증가하는 것이 관측되었으며, 이는 급격한 상변화에 의해 나타나는 것으로 해석된다. 이때 순간적으로 약 500 W에서 최대 약 1 kW까지 열전달량이 증가하였다. 특히 Fig. 6(b)에서는 열전달량의 변화폭이 서로 다른 두 개의 영역이 나타나는 것이 관측 되었다. 변화폭이 큰 열전달량의 경우, Fig. 4(c)와 비교하였을 때 증발부 하단의 온도변화와 헤더의 온도변화가 동시에 나타나는 영역이었다. 반면에 변화폭이 작은 열전달량의 경우, 증발부 하단의 온도변화가 없음에도 헤더의 온도와 열전달량의 변화가 가이즈 비등의 특징을 나타내는 것이 관측되었다. 이는 증발부의 중간지점에서 가이즈 비등의 시발점이 나타난 것으로 해석된다. 이 경우 가이즈 비등의 시발점이 증발부 하단일 때 보다 플래싱의 효과가 상대적으로 작기 때문에 열전달량의 변화 폭이 작게 나타났다.

Fig. 5

The sequence of geyser boiling and pressure (or saturation temperature) transition(12)

Fig. 6

The history of heat transfer rate during geyser boiling: (a) Tsource =67.6℃, (b) Tsource =74.9℃

Fig. 4(d)는 열원온도가 82.8℃일 때 작동유체의 온도변화를 보여주며, 가이즈 비등에서 나타나던 헤더에서의 급격한 온도변화는 관측되지 않았다. 증발부 온도가 포화온도와 유사하게 측정되었으며, 65℃에서 약 ±1℃로 작게 진동하는 것이 관측되었다. 이는 비등현상에서 일반적으로 관측되는 불안정한 특징으로 증발부 하단에서 활발한 핵비등이 일어나고 있음을 알 수 있다. 전반적으로 Niro와 Beretta⁽⁸⁾가 설명한 완전발달 비등현상과 유사한 온도변화 추이를 나타냈다. 하지만 가이즈 비등에서처럼 간헐적으로 증발부 온도가 급격히 감소하였는데, 이러한 현상은 완전발달 비등 중 슬러그 비등현상이 간헐적으로 발생하여 나타나는 현상으로 테일러 기포가 증발부의 수두를 감소시켜 발생하는 것으로으로 해석된다.⁽¹²⁾ Fig.7은 완전발달 핵비등 시 나타나는 열전달량 변화 그래프이며 Fig. 4(d)의 작동유체 온도변화에 대응된다. 가이즈 비등과 다르게 열전달량의 변화폭이 상당히 일정하며 더 큰 평균 열전달량을 가진다. 열전달량이 간헐적으로 소폭 증가하는 구간은 Fig. 4(d)에서 테일러 기포에 의해 증발부의 수두가 감소하는 것으로 예상되는 구간에 대응된다. 앞서 테일러 기포는 플래싱 현상을 야기할 수 있는 것을 언급하였다. 이에 따라 일시적인인 열전달량의 증가는 플래싱 현상에 의해 나타나며, 순간적으로 상변화가 가속되어 나타나는 효과로 예상된다.

Fig. 7

The history of heat transfer rate during fully developed nucleate boiling : Tsource =82.8℃

Fig. 4(e)는 열원온도가 98.3℃일 때 작동유체 온도변화를 보여준다. Fig. 4(d)와 다르게 테일러 기포에 의한 불안정성이 관측되지 않았다. 또한 증발부와 단열부의 온도가 유사하기 때문에 정수압수두가 존재하지 않는다. 이러한 운전특성은 열원온도가 증가하여 인가되는 열량이 증가하고, 기공률이 크게 증가하여 강제대류비등의 환상류와 유사한 비등특성을 보이는 것으로 해석된다. 이때, 기포는 배관의 중심을 따라 상승하며, 응축수는 벽면으로 흘러 내려오게 된다. Gross⁽¹³⁾에 따르면 적은 충진량과 작은 열유속에서 유하액막증발(Falling film evaporation)현상이 관측되며 열유속이 증가함에 따라 액막내에서 비등이 발생하는 유하액막비등(Failling film boiling) 현상이 관측되었다. 즉, 본 실험을 통해 완전발달비등 상황에서 기공률이 증가하여 많은 충진량과 높은 열유속에서도 유하액막비등과 유사한 특성이 관측되는 것을 확인하였다.

증발부 열전달 특성에 관한 실험 결과로부터 포크형 히트파이프에서 네 가지의 증발부의 운전특성이 나타남을 확인하였다. 열원의 온도를 증가시킴에 따라 증발부의 운전특성이 자연대류, 가이즈 비등, 완전발달 핵비등, 유하액막비등 순으로 변화하는 것을 확인하였다.

4.2 평균 열전달량

Fig. 8은 열원의 온도를 증가시키며 측정한 각 정상상태 구간 동안의 평균 열전달량이며, Fig. 9는 식(2)를 이용해 계산된 열원온도에 따른 시스템 전체의 열저항이다. 본 연구에서 사용된 포크형 히트파이프 실험 시편은 최대 약 2.3kW의 열전달량을 가졌다. 열원온도가 66.7℃일 때, 열원과 열침원의 온도차가 약 38℃임에도 불구하고 열전달이 거의 이루어지지 않았다. 즉 상변화를 발생시킬 최소한의 열원온도가 필요하며, 그 전까지 히트파이프는 작동하지 않는다. 앞서 열원온도가 증가하면서 운전특성이 변화하는 것을 설명하였다. 이에 따라 열원온도 66.7℃에서 자연대류 영역, 83℃ 이하에서는 가이즈 비등영역, 83~97℃ 사이는 완전발달 핵비등 그리고 97℃이상에서는 유하액막비등 영역으로 운전특성이 구분되었다.

Fig. 8

The average heat transfer rate of the FEHP with varying heat source temperature (flow rate of heating loop: 5.46×10-5 m3/s; air velocity: 0.5 m/s; air temperature: 29℃)

Fig. 9

Thermal resistance of the FEHP with varying heat source temperature (flow rate of heating loop: 5.46×10-5 m3/s; air velocity: 0.5 m/s; air temperature: 29℃)

자연대류에서부터 완전발달비등 영역인 83℃ 구간까지는 가이즈 비등의 주기가 감소하면서 평균 열전달량이 선형적으로 증가하였고, 열저항은 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 반면에 83℃ 이후 완전발달 핵비등 영역과 유하액막비등 영역에서는 열원온도가 증가함에 따라 열전달량이 증가하는 경향을 나타냈지만, 열저항은 큰 변화를 보이지 않는다. 가이즈 비등과 달리 상변화가 지속적으로 발생함에 따라 시스템의 열전달성능은 점차 수렴하는 것을 의미한다. 따라서 완전발달 핵비등 이후 열전달량이 증가하는 주된 요인은 열원과 열침원의 온도차가 증가하여 나타나게 된다.열원온도 92℃를 기준으로 완전발달 핵비등 영역에서 유하액막비등 영역으로 천이하면서 평균 열전달량의 변화 기울기가 감소하였다. 특히 유하액막비등 영역에서 열전달량이 점차 수렴하는 경향을 보이는 것을 미루어보아 히트파이프의 작동한계에 근접하였을 가능성이 있을 것으로 판단되며, 이에 관한 추가 연구가 필요하다.