A Study on Performance Analysis of the Bubble Pump in Solar Water Heater System

기호설명 유로단면적 A : Cm : 평균비열(kcal/kg․℃) 유량 G : (ℓ/min)  : 전유량에 대한 질량속도  : 기상질량속도  : 액상질량속도 열량 Q : (kcal) T1 : 입구온도(℃) T2 : 출구온도(℃)  : 기상질량유량  : 액상질량유량  : 질량유량건도  : 보이드율

서 론

1.

현 1차에너지원인 화석에너지의 고갈과 고유가 문제 및 이산화탄소 발생으로인한 대기오염등 에 너지와 환경오염문제에 많은 관심과 심각성을 가 지고 있는 실정이다 하지만 아직까지 대체에너. 지와 환경오염문제를 완전히 해결하기는 문제가 많이 남아있다 그래서 많은 선진국들은 오래전. 부터 차기 신재생에너지 및 화석에너지를 대체할 만한 대체에너지를 계속적으로 연구 개발 중에 있다 그 대체에너지 중 태양열을 이용한 에너지. 를 연구개발이 많이 연구되고 있는데 태양열에너 지는 부존율이 가장 높고 무한한 에너지와 환경 오염이 전혀 없는 특성을 가지고 있으므로 태양 열을 이용한 온수기 시스템등에 많이 연구 개발

태양열 온수기 시스템에 적용된 기포펌프의

성능평가에 대한 연구

이광성

†

․이설송

*

․김진화

*

․정효민

**

․정한식

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A Study on Performance Analysis of the Bubble Pump

in Solar Water Heater System

Kwangsung Lee, Li Xuesong, Zhenhua Jin,

Hyomin Jeong and Hanshik Chung

Key Words: Bubble Pump(기포펌프), Solar Collector(집열기), Heat Exchanger(열교환기)

Abstract

In this paper, study on performance analysis of bubble pump on the domestic solar water heater system is presented. Device of this experiment is consisted of bubble pump, solar collector and heat exchanger. At the mean time, this system have attached temperature sensors and pressure sensors at bubble pump. In addition, the flow meter was installed at outlet of heat exchanger. And then result of experimental study, average value of the heat exchange amount in heat exchanger was about 7.9kcal/hr, the maximum value of the heat amount in water tank(0.4m3) was 489.7kcal/hr and the maximum value of the mass flow rate in bubble pump was about 0.5 /min.

†

이광성 경상대학원 정밀기계공학과 거제대학, , , E-mail : [email protected] TEL : (055)646-4766 FAX : (055)644-4766

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경상대학원 정밀기계공학과

**

경상대학교 기계항공공학부 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집

되고 있다 그리고 대부분의 태양열 온수기 시스. 템에서 열매체를 순환 펌프 작업을 위해 다른 1 차에너지원이나 전기 에너지를 동력으로 사용하 고 있다 그러나 기포펌프는 기계적 구동방식이. 아닌 열구동방식으로서 구동에너지원으로는 전기 뿐만 아니라 가스등 여러 가지를 사용할 수 있 다 그래서 본 연구는 전기 에너지를 전혀 사용. 하지 않고 태양열 에너지를 이용하여 자연 순환 할 수 있도록 설치된 기포펌프(bubble pump)의 성 능과 특성을 연구하므로써 기포펌프를 적용한 최 적의 태양열 온수기 시스템 설치와 기본 연구 방 향을 제시하고자 한다.

기포펌프

2.

(1~4) 수직관내의 상유동 2.1 2 과 같이 수직관내 기체와 액체의 개상 Fig. 1 2 이 서로 섞여서 흐르는 경우를 2상유동이라고하 며 2상유동은 2상간의 밀도차 속도차 그리고 표, , 면장력 등에 의하여 여러 가지 유동양식을 보이 고 수직관과 수평관 가열 및 단열상태에 따라서, 크게 좌우된다. 수직유동양식은 대체로 기체상이 분산된 작은 기포들의 형태로서 액체상 내에 축대칭의 형태로 분포하는 기포류(bubble flow), 관의 직경과 거의 같은 직경을 가지는 테일러 기포라는 것이 상향 으로 흐르며 이 기포와 관의 내벽 사이에서는 액 체가 얇은 막의 형태로서 하향유동을 하는 슬러 그류(slug flow), 기포의 형태가 불규칙적인 형태 를 이루고 있으며 기포와 기포사이의 액체 슬러 그가 과다한 양의 기체유동에 의해 일시적으로

Fig. 1 Vertical Two-Flow Regimes(Collier & Thome 1996) 파괴되었다가 다시 복원되는 등 유동 전체가 불 규칙적이면서 진동을 하는 천류(churn flow), 액체 가 관의 내벽을 따라서 액막의 형태로 흐르고, 기체는 관의 중심 부분을 따라서 흐르는 유동으 로 기체의 흐름이 클 때 나타나는 것이 보통인 환상류(annular flow), 액적류 등으로 나타나며 각 유동 경계면 부근에서는 유동양식들이 혼합되어 나타난다. 다음은 이러한 유동양식을 가지는 2상 유동에 서 일반적으로 사용되는 식을 기술하면 관내 상2 유의 임의 단면에서의 기상질량유량을 Wg, 액상 질량유량을 Wl, 유로단면적을 A라고 하면 기상 및 액상의 질량속도는  (1) 또한 전유량에 대한 질량속도는       (2) 전유량에 대한 기상유량의 비      (3) 를 질량유량건도라고 부른다. 기상이 차지하는 유로단면적비 엄밀히는 시간 평균단면적비를 유로의 보이드율이라며 다음 식, 과 같이 표현된다.      (4) 여기에서 Ag, Al은 기상 액상이 각각 차지하는, 단면적, A=Ag+Al은 유로의 전단면적을 의미한다. 기포펌프의 구조 및 작동원리 2.2 기포펌프의 구조 2.2.1 본 연구에 사용한 기포펌프의 구조는 Fig. 2와 같이 하나의 원통에 상부의 ‘Separator’와 하부 두 부분으로 분리된 구조로 되어있 ‘Condenser’ 다. 1, 3, 4번 파이프 직경은 ∅8mm이고 2번 파 이프 직경은 ∅12mm이다 그리고 내부에 상 하부. ‧ 로 연결된 파이프의 직경은 ∅4mm로 되어 있으 며 이 파이프를 통해 기체 상태의 증기가 응축되 어 액체 상태로 바뀌게 된다.

Fig. 2 The structure of bubble pump 와 의 각각 높이는 이 Separator Condenser 340mm 고 내경 지름은 ∅60mm의 구조로 되어 있다. 기포펌프의 작동원리 2.2.2 본 연구의 기포펌프 작동원리는 태양열에너지 를 집열기로부터 충분하게 열량을 얻어 본 연구 열매체인 물의 비등을 시작하면 이 때 발생한, 증기 기포가 초기에는 기포류를 형성하고 가열량 이 충분히 커지게 되면 기포들이 서로 협착하게 되어 슬러그 기포를 형성하게 된다 이렇게 열매. 체의 유동이 슬러그류를 형성하게 되면 기포는 관내에서 막을 형성하여 일종의 막 사이에 열매 체를 가두어 같이 상승하면서 온수 시스템 내에 열매체를 순환시키는 펌프 작동을 하게 된다. 은 집열기 관으로부터 가열된 열매체가 Fig. 3 계속적으로 슬러그류를 형성하면서 기포펌프 상 부에 위치한 Separator 내부 파이프 노즐 끝에 들 어오면서 기포와 열매체인 물이 동시 상승 순환 하는 현상을 나타내고 있다.

Fig. 3 bubble regime of bubble pump top nozzle

Fig. 4 Experiment device of bubble pump system

실험장치 및 방법

3.

실험장치 3.1 는 본 연구에 사용된 태양열 온수기 시스 Fig. 4 템에 적용된 기포펌프의 성능평가 실험장치를 나 타내고 있다 본 실험장치는 건물 옥상에 설치된. 대의 핀 튜브형 중 진공관 태양열 집열기와 집 2 2 열기 사이에 기포펌프를 설치하였다 그리고 열. 매체는 일반 수돗물을 사용하였고 태양복사에너 지를 측정하기 위해서 전천일사계를 사용하였다. 기포펌프의 내부온도와 압력을 측정하기 위해 사의 모델명 인 VALCOM VPRU-A4-(-1-10)K-4C 2 개의 압력센서와 2개의 RTD-type의 온도센서를 설치하고 집열기에서 기포펌프 입구로 열매체가 들어가는 온도를 측정하기 위해 RTD-type의 온도 센서 1개를 설치하였다 그리고 대기온도 측정을. 위해 T-type의 온도센서를 설치하고 건물옥상에 설치한 온도와 압력센서를 통해 데이터를 받기 위하여 옥상에 Data logger 1대를 설치하였다. 건물 내부에는 열교환되는 0.4㎥의 물탱크와 질량유량계를 열교환기 출구측에 달아 유량을 측 정하였다. 그리고 실내온도와 열교환기 입 출구․ 온도 및 물탱크 온도를 측정하기 위해 T-type의 온도센서를 설치하여 온도와 유량의 데이터를 실 내에 설치한 Data logger 1대에 연결하고 그 데이 터 자료를 컴퓨터에 저장하였다.

Fig. 5 Schematic diagram of bubble pump experiment 실험방법 3.2 본 실험방법은 Fig. 5와 같이 건물옥상에 집열 기와 기포펌프를 설치하여 건물 내부에 열교환기 로 보내면서 축열조의 온도를 상승시키는 실험장 치로 구성하였고 실험기간은 4월 9일부터 4월 14 일까지 6일 동안 연속적으로 실험하였다 그리고. 데이터로거는 측정하고자 하는 센서의 데이터 오 차를 없애기 위해 건물옥상에 1대와 건물내부에 대를 설치하여 각각 데이터 저장을 분 단위로 1 4 설정하여 컴퓨터에 저장하였다 축열조인 물탱크. 는 수돗물로 0.4㎥ 채우고 열손실을 줄이기 위해 모든 배관을 보온재로 설치하여 실험을 하였다.

실험결과 및 고찰

4.

실험 날씨 현황 4.1 본 연구의 실험은 기본적으로 대기 중의 날씨 조건에 따라 직접적인 영향을 끼칠 수 있다 그. 러므로 Table 1에 실험기간동안 기상청에 의한 경남 통영시의 날씨 정보를 나타내고 있다. 9일 월 4 / 일 09 월 4 / 일 10 월 4 / 일 11 월 4 / 일 12 월 4 / 일 13 월 4 / 일 14 흐리고 비 흐리고 비 후 갬 구름조금 구름많음 흐리고 비 후 갬 맑음 Table 1 Weather of experimental period

Data 09/04/2008~14/04/2008 [Day] solar r adiation intensity [kW /m 2] 0.00 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00

solar radiation intensity

06:00 04/09 06:00 18:00 18:00 04/10 18:00 06:00 04/11 06:00 04/12 06:00 18:00 18:00 04/13 18: 00 06:00 04/14

Fig. 6 Solar radiation intensity on time

전부터 계속적으로 비가 왔으며 실험기간동안 날씨가 차츰씩 좋아 지고 있다 그러므로 날씨가. 좋이 않을 경와 좋은 경우의 결과를 비교 실험 할 수 있었다. 은 태양복사에너지의 일사량을 측정한 결 Fig. 6 과를 나타내고 있다 날씨가 좋이 않은. 9일의 일 사량은 약 1.5kW/㎡이고 맑은 날씨인 14일에는 일사량이 약 1.9kW/㎡까지 결과가 나오고 있다. 그 차이값은 0.4kW/㎡값을 나타내고 있다. 기포펌프의 실험결과 및 고찰 4.2 은 건물옥상에 설치한 기포펌프 상부의 Fig. 7 내 온도와 하부의 온도 및 집 Separator Condenser 열기 출구온도를 측정하여 나타낸 결과와 실외온 도 값을 나타내고 있다 여기서 집열기 출구측의. 기포온도 값은 최대 약 105℃를 나타내고 내의 최대온도는 약 내의 Separator 95℃, Condenser 06:00 04/09 06:00 18:00 18:00 04/10 18:00 06:00 04/11 06:00 04/12 06:00 18:00 18:00 04/13 18:00 06:00 04/14 Data 09/04/2008~14/04/2008 [Day] T e mperature [C o] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 separator condenser bubble outdoor

Fig. 7 Temperature of different part of the system for outdoor

06:0 0 04/09 06:0 0 18:0 0 18:00 04/10 18:0 0 06:00 04/11 06:0 0 04/12 06:0 0 18:0 0 18:0 0 04/13 18:0 0 06:0 0 04/14 Data 09/04/2008~14/04/2008 [Day] Te m p er atu re [C o] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 tank inlet tank outlet tank in indoor

Fig. 8 Temperature of different part of the system for indoor 최대온도는 약 65℃를 나타내고 있다 그리고 실. 외온도는 낮 동안 약 최대 20℃까지 올려갔다. 기포펌프의 정상온도를 유지하는 시간은 약 오 전 7시부터 오후 5시까지 낮 동안 10시간 정상온 도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 은 실내에 설치된 축열조 탱크 물온도와 Fig. 8 열교환기 입 출구온도 및 실내온도 결과를 나타내․ 고 있다 여기서 기포펌프를 통해 열교환기 입구. 로 들어가는 온도는 약 최대 80℃ 상승하고 열교 환기를 통해 열교환한 후 출구온도는 축열조 물 온도와 동일하게 상승함을 알 수 있다 가장 좋. 은 날씨의 데이터를 보면 약 6시간동안 약 8℃까 지 상승하고 열교환기를 통해 약 45℃의 열을 방 출하면서 열교환이 일어나고 있다. 실내온도는 약 23℃의 평균온도를 나타내고 있으며 흐르고 비온 날은 거의 온도 변화가 없었다. Data 09/04/2008~14/04/2008 [Day] P re ssu re [ b ar] 1.125 1.150 1.175 1.200 1.575 1.600 1.625 1.650 separator pressure condenser pressure 06:0 0 04/09 06:00 18:00 18:0 0 04/10 18:0 0 06:0 0 04/11 06:0 0 04/12 06:00 18: 00 18:00 04/13 18:00 06:00 04/14

Fig. 9 Pressure in condenser and separator based on time Data 09/04/2008~14/04/2008 [Day] M a ss flow r a te [L /mi n ] -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 massflow rate 06:0 0 04/09 06:0 0 18:00 18:0 0 04/10 18:0 0 06:0 0 04/11 06:00 04/12 06:00 18:00 18:00 04/13 18:0 0 06:00 04/14

Fig. 10 Mass flow rate based on time

는 기포펌프의 와 내의

Fig. 9 Separator Condenser 압력값을 나타내고 있다. Separator의 압력은 약 를 계속적으로 유지하다가 낮 동안 압력이 1.61bar 상승활동하고 있으며 Condenser는 약 1.15bar에서 압력이 계속적으로 유지하다가 낮 동안 압력이 상승활동함을 알 수 있다 두 곳의 압력차는 약. 정도의 차이를 나타내고 가장 좋은 날씨에 0.45bar 서 약 10시간동안 계속적인 맥동현상을 보이면서 압력이 뛰고 있음을 알 수 있다. 그 크기는 에서 약 정도이고 에서는

Separator 0.03bar Condenser 약 0.05bar정도 압력이 뛰고 있다. 은 기포펌프의 유량을 나타내고 있다 Fig. 10 . 여기서도 가장 좋은 날씨의 데이터를 보면 유량 이 최대 약 0.4~0.5ℓ/min까지 흐르고 있음을 알 수 있다 유량의 데이터 현상도 압력 데이터와. 마찬가지로 계속적인 맥동현상으로 흐름을 관찰 할 수 있다 그러므로 유량은 기포펌프의 압력에. Data of 14/04/2008 [time] The amount of heat [kcal/hr ] -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Mean data

The amount of heat in heat exchanger Part mean data

All mean data

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00

Solar radiation intensity[kW/m2] 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 Temp er at ur e in w a te r ta nk [ oC] 26 28 30 32 34 36 38

Temperature in water tank Mean temperature in water tank

Pre s s u re di ff e re nce[ ba r] 1.605 1.610 1.615 1.620 1.625 1.630 1.635 1.640 1.645 Pressure difference

Mean pressure difference

Fig. 12 Comparison of temperature and pressure with solar radiation intensity

직접적인 영향이 있음을 알 수 있다. 은 맑은 날씨에 열교환기의 열량 값을 Fig. 11 6 시간동안 나타내고 있다 식. (5)에 의해 열량 값 을 계산한 결과 12시에서 13시 사이에 가장 높은 약 10.6kcal/hr의 평균 열량 값과 6시간의 데이터 를 평균 열량계산한 결과 약 7.9kcal/hr값을 나타 내고 있다.     (5) 축열조인 물탱크(0.4㎥)의 열량 값도 가장 맑은 날씨에 온도상승 활동한 오전 10시에서 오후 4시 까지의 6시간동안 계산한 결과 오전 10시에 가장 높은 489.7kcal/hr의 열량 값을 나타내고 있으므로 오전 10시에 기포펌프가 정상적으로 순환 작동이 시작됨을 알 수 있겠다. 는 날씨가 가장 맑은 날에 오전 시부 Fig. 12 10 터 12시반까지 태양복사에너지의 일사량이 급증 가하는 시간으로 일사량과 축열조인 물탱크하고 기포펌프의 Separator 압력을 서로 비교한 결과 온도와 압력은 일사량에 비례하는 현상을 나타내 고 있다 일사량이 증가하면 축열조 온도와 기포. 펌프 Separator 압력도 같이 증가한다.

결 론

5.

본 연구는 태양열 온수기 시스템에 적용된 기 포펌프의 성능평가를 수행하였고 그 결과는 다음 과 같다. 초봄날씨에서 일사량이 가장 좋이 않은 경 1. 우 약 1.5kW/㎡이고 맑은 날씨인 경우 약 1.9kW/ 까지 결과가 나오고 있다. ㎡ 집열기 출구 온도는 최대 약 이며 기 2. 105℃ 포펌프에서 Separator내 최대온도는 약 95℃, 내 최대온도는 약 를 나타내고 있 Condenser 65℃ 다 축열조인 물탱크의 온도는 약. 6시간동안 8℃ 증가하였고 기포펌프의 Separator 압력은 약 이고 압력은 약 이다 유

1.61bar Condenser 1.15bar . 량은 최대 약 0.4~0.5ℓ/min로 흘렸다. 열교환기 열량 값은 구간별로 약 평균 3. 이고 총 평균 열량 값은 약 10.6kcal/hr 7.9kcal/hr 이다. 그리고 축열조인 물탱크 열량 값은 약 이며 오전 시에 가장 열량 값이 높으 7.9kcal/hr 10 므로 인해 오전 10시가 기포펌프를 정상적으로 작동하는 시점을 알 수 있었다. 일사량과 기포펌프의 압력과 축열조의 물 4. 온도를 비교 분석한 결과 모두 일사량에 비례하 며 직접적인 영향이 있음을 알 수 있었다.

후 기

본 연구는 진해시의 그린에너지시티 진해 20년 계획 연구비와 경상대학교 2단계 BK21 지원에 의하여 이루어졌으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

(1) Wallis, G. B., 1969, "One Dimensional Two-Phase Flow," McGraw Hill, New York. (2) Chisholm, D., 1983, "Two-Phase Flow in

Pipelines and heat Exchangers," George Godwin London and New York.

(3) Hoffman, E. W., 1985, "The Bubble Action Pump Solar Heating System," Montreal Canada. (4) Lee, J. H., Jung, E. K. and Yun, J. H., 2004,

"Experimental Performance Study fo the Bubble Pump for the Diffusion Absorption Refrigerating System," Korean journal of air-conditioning and

refrigeration engineering, Vol. 16, No. 3, pp.