Experimental Study on the Working Fluid Selection of Medium Temperature Heat Pipe

중온 히트파이프에서 작동유체 선정에 관한 실험적 연구

이영수

^†

Experimental Study on the Working Fluid Selection of Medium Temperature Heat Pipe

Young-Soo Lee, Ki-Ho Park, Young-Jin Baik

Korea Institute of Energy Research

Abstract

This paper is concerned with the selection of proper working fluids for medium temperature range heat pipe. The heat pipe which is made of SUS 316L has a total length of 700 mm as well as an outside diameter of 27.2 mm and a thickness of 2.1 mm respectively. Working fluids used in this study were Naphthalene, Biphenyl and Dowtherm A. Their charge amounts were about 40% of the inside volume of evaporator section.

Experimental results shows that the Dowtherm A is good for 200℃～300℃ temperature range, while the Naphthalene is proper for 300℃～430℃. In the case of the Naphthalene heat pipe, the heat transfer rate reaches 1500 W along with a vapor temperature of 430℃.

Key words: Medium Temperature Heat Pipe(중온 히트파이프), Working Fluid(작동유체), Naphthalene(나프탈렌), Biphenyl(바이페닐), Dowtherm(다우섬)

1. 서 론

1)

산업체에서 배출되는 폐열 중에서 배가스 온도 가 250℃ 이상 온도범위의 배가스가 약 95%를 차 지하며, 그중에서 250～400℃ 배가스가 약 15%를 차지하고 있다. 배출하는 업체는 요업, 섬유, 화공 업종이며 많은 에너지를 소비하는 요로, 소성로 및 용해로 등으로부터 많이 배출되므로 산업공정 에 필요한 증기를 생산하는 폐열보일러나 연소보 일러의 급기예열에 사용하면 연소로의 열효율을 향상시키고 화석연료의 사용량을 줄여 에너지절

†책임저자, 회원, 한국에너지기술연구원 재생에너지연구부 미활용․지열연구센터 Tel.: (042) 860-3161 Fax: (042) 860-3133 E-mail: [email protected]

약을 할 수 있다.

⁽¹⁾

⁽¹⁾

기존방식의 중고온 열회수용 열교환기는 관상 형인 레큐퍼레이터가 사용되고 있으나 전열면적 증대가 어렵고, 공기-공기 열교환기는 열전달계 수가 작아 장치가 커야 하는 단점이 있으며, 부식 으로 인하여 내구성이 저하되는 단점을 가지고 있다.

⁽²⁾

문에 국부적인 부식이 발생하여도 전체 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있어 내구성을 증대 시킬 수 있는 장점이 있으므로 중고온의 폐열회 수장치로 이용이 가능하다.

^(3-4)

Fig. 1 Experimental apparatus.

15 300

15 100

135 135 50 50 10 140 115 20 10 5

300

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Vacuum Pump Vacuum Gauge Liquid Filling

Gauge Pressure Transducer 11 Evaporator

Section

Condenser Section Adiabatic

Section

Fig. 2 Measuring points.

본 연구에서는 중고온 히트파이프에서 사용할 수 있는 작동유체로써 다우섬 A, 나프탈렌, 그리 고 바이페닐을 선정한 후, 스테인리스 스틸 파이 프로 히트파이프를 제작하고 그 작동특성을 관찰 하였으며, 중고온 범위의 히트파이프에서 최적의 작동유체를 선정하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

본 연구에서 사용된 히트파이프 실험장치는 300～600℃의 범위에서도 사용가능한 스테인리 스 스틸파이프(SUS316)로 제작하였다. 파이프는 Table 1에 나타낸 것과 같이 내경 23mm, 외경 27.2mm, 두께 2.1mm이고 응축부 외부에는 휜을 부착하였는데, 휜은 두께 1.0mm, 높이 9.0mm, 간격

Table 1. Specifications of heat pipe

Working fluid Dowtherm, Biphenyl, Naphthalene

Charge amount

40% of evaporator vol.

(Dowtherm:48.2g,Biphenyl, Naphthalene: 42.2g) Fin height 9.0 mm

Fin thickness 1.0 mm Fin numbers 83

4mm로 총 83개를 부착하였다. 증발부는 휜이 없이 나관으로 하였고 길이는 300mm이며, 단열 부 길이 100mm, 응축부 길이 300mm로 총길이 700mm의 윅이 없는 써모싸이폰식 히트파이프로 실험부를 구성하였다. 작동유체인 다우섬, 나프탈 렌, 바이페닐의 주입량은 증발부 체적의 40%로 하여 각각 그에 맞는 질량으로 주입하였다(다우 섬: 48.2g, 바이페닐, 나프탈렌 : 42.2g). 중고온 히 트파이프의 성능을 실험하기 위하여 증발부의 가 열온도가 300～600℃ 정도를 유지하여야 하는데, 증발부 표면에 전열선을 직접 감아서 사용하기에 는 많은 어려움이 따르므로, 온도조절이 가능한 전기로를 설치하여 사용하였다. Fig. 1에 실험에 사용된 전기로와 성능실험장치를 나타내었다. 전 기로는 내부온도를 1000℃까지 유지할 수 있도록 6 kW 용량으로 하였고 온도 편차는 ±0.2℃ 이내 로 미세조절이 가능할 수 있도록 프로그래밍 컨 트롤러를 부착하였다. 전기로 내부의 열이 외부로 방출되는 양을 최소화하기 위하여 세라믹 보드와 화이버로 단열처리하였다. 응축부의 냉각은 시로 코 휀을 사용하여 수행하였으며, 이때 공기의 온 도는 상온으로 하였다. 경사각은 5°, 30°, 45°, 90°

로 하였고 히트파이프 내부증기의 포화온도를 250℃, 300℃, 350℃, 400℃, 430℃로 일정하게 유 지시킬 경우 증발부의 가열량 및 응축부의 표면 온도의 변화를 측정하였다. 히트파이프 외벽의 온도 를 측정하기 위하여 열전대(직경 1.6mm, K-type)

를 사용하였고 열전대의 위치는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 증발부 끝단에서부터 순차적으로 9개 를 설치하였다. 또한, 히트파이프 내부 작동유체 의 온도를 측정하기 위하여 내부의 중앙부에 열 전대를 설치하였다. Table 1에 본 실험에 사용된 히트파이프의 제원 및 작동유체의 종류 등을 나 타내었다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3은 작동유체로 다우섬을 사용한 히트파 이프를 경사각 90° 각도로 설치하여 각각의 포화 온도에서 증발부, 단열부, 응축부 각 부위별 벽면 온도를 나타낸 것인데, 포화온도 150℃에서는 응

Length (mm)

0 100 200 300 400 500 600 700

Tw (oC)

0 50 100 150 200 250 300 350

400

Tv = 200^oC Tv = 250^oC Tv = 300^oC Fr = 40%

Evaporator

Section Condenser

Section Adiabatic

Section

Fig. 3 Wall temperature of Dowtherm A heat pipe according to saturation vaportemperature.

Inclined angle=90

Axial length from evaporator end(mm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperature(oC)

0 100 200 300 400 500

Tv=200 ^oC Tv=250 ^oC Tv=300 ^oC Tv=350 ^oC Tv=400 ^oC Tv=430 ^oC Evaporator

section Condenser

section Adiabatic section

Fig. 4 Wall temperature of Naphthalene heat pipe according to saturation vapor temperature.

축부 끝부분의 온도가 약간 떨어지는 현상을 보 이고 200℃에서는 응축부 끝단의 온도가 상승하 여 응축부 전부분이 고른 온도분포를 보이는 것 으로 보아 정상적으로 작동하고 있다는 것을 알 수 있다. 그림에서 다우섬A 히트파이프의 경우 포 화온도 200～300℃에서 작동이 잘 되고 있고 이 범위의 온도에서 적용이 가능한 것을 알 수 있다.

Fig. 4는 나프탈렌을 사용한 히트파이프를 경 사각 90° 각도로 설치하여 각각의 포화온도에서 증발부, 단열부, 응축부 각 부위별 벽면온도를 나 타낸 것인데 포화온도 300℃ 이하에서는 응축부 끝부분의 온도가 떨어지는 현상을 보이는데 이것 으로 보아 포화온도 300℃ 이하에서는 비등이 잘

Inclined angle=90

Axial length from evaporator end(mm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperature(oC)

0 100 200 300 400 500 600

Tv=117 ^oC Tv=197 ^oC Tv=250 ^oC Tv=300 ^oC Tv=350 ^oC Tv=400 ^oC Tv=430 ^oC

Evaporator

section Condenser

section Adiabatic section

Fig. 5 Wall temperature of Biphenyl heat pipe according to saturation vapor temperature.

Axial length from evaporator end(mm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperature(oC)

0 100 200 300 400 500

1500W 1000W

500W Condenser

section Adiabatic section Evaporator section

Fig. 6 Wall temperature of heat pipe according

to input power.

Time (mins)

0 10 20 30 40 50 60

T em p er at u re (

C )

0 100 200 300 400 500 600

: Point 5 : Point 6 : Point 7 : Point 8 : Point 9 : T_air

Fig. 9 Wall temperature of heat pipe according to time(Dowtherm A).

he

Tv(

C)

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

he(W/m2K)

2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Fig. 10 Evaporation heat transfer coefficient (Naphthalene).

Time(sec)

0 200 400 600 800 1000 1200

T em pe ra tu re (

C )

0 100 200 300 400 500

Evaporator 1 Evaporator 2 Evaporator 3 Adiabatic 4 Condenser 1 Condenser 2 Condenser 3 Condenser 4 vapor temperature

Fig. 7 Wall temperature of heat pipe according to time(Naphthalene).

Time(sec)

0 200 400 600 800 1000 1200

T em p er a tu re (

C )

0 100 200 300 400 500

Evaporator 1 Evaporator 2 Evaporator 3 Adiabatic 4 Condenser 1 Condenser 2 Condenser 3 Condenser 4 vapor temperature

Fig. 8 Wall temperature of heat pipe according to time(Biphenyl).

일어나지 않아 나프탈렌 증기가 응축부 끝단까지 도달하지 못하여 발생되는 현상이라 볼 수 있다.

포화온도 300℃이상에서는 응축부 끝단의 온도가 상승하여 응축부 전 부분이 고른 온도분포를 보 이는 것으로 보아 작동이 원활하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 증기온도가 350℃일 때 증발 부 평균온도를 살펴보면 약 380℃이고 증기온도 가 430℃일 때 증발부 평균온도는 약 455℃로 이 때의 내부 압력이 약 12 bar로 상당히 높아 그 이 상의 증기온도는 실험을 수행하지 않았다. 결과적 으로, 나프탈렌 히트파이프는 증발부의 온도가 약 300℃이상에서 430℃사이의 온도에서 충분히 작 동하므로 그 온도범위에서 사용이 가능함을 알 수 있다. 즉, 앞의 Fig. 3의 다우섬 히트파이프의

사용온도 범위보다 약간 높은 온도의 범위에서 사용이 가능하다고 할 수 있다.

Fig. 5는 바이페닐을 사용하여 히트파이프를 경사각 90° 각도로 설치하여 각 부위별 벽면 온도 를 나타낸 것인데 나프탈렌을 사용한 히트파이프 의 경우와 마찬가지로 포화온도 300℃ 이하에서 는 응축부 끝단의 온도가 낮아지고 전반적으로 나프탈렌과 비슷한 온도분포를 보이고 있다.

Fig. 6은 나프탈렌 히트파이프에서 시로코 팬 을 작동하여 응축부를 강제냉각을 하였을 경우 입열량을 500W에서 1500W로 변화하였을 때 각 부위별 벽면온도를 나타낸 것이다. 여기서 입열량 500W일 때에는 증기의 온도가 260℃로 응축부의 온도를 살펴보면 600mm 지점을 지나면서 급격히

evaporator heat transfer coefficient

Input power(W)

600 800 1000 1200 1400 1600

he (W /m

C )

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

evaporator he

Fig. 11 Evaporation heat transfer coefficient (Biphenyl).

Input power(W)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

Te-Tc(oC)

50 60 70 80 90 100 110 120

Te-c

Fig. 12 Temperature difference between evaporator and condenser section (Naphthalene).

Input power(W)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

Te-Tc(oC)

50 60 70 80 90 100 110 120

Te-c

Fig. 13 Temperature difference between evaporator and condenser section (Biphenyl).

Thermal resistance

Q(W)

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 R(oC/W)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Inclined angle=15^o Inclined angle=30^o Inclined angle=45^o Inclined angle=90^o

Fig. 14 Thermal resistance of Naphthalene heat pipe.

온도가 떨어지는 것으로 보아 증기가 응축부의 끝단까지 도달하지 못하는 것을 볼 수 있고 입열량 1000W 이상 1500W에서는 증기의 온도가 350℃

이상이고 응축부 끝단의 온도가 상승하여 응축부 의 전반적인 온도가 거의 동일한 것으로 보아 작 동이 정상적으로 원활하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이것으로 보아 제작된 나프탈렌 히트파 이프는 전면 속도 0.5m/s의 유속에서는 입열량 1500 W에서 증기의 온도가 약 430℃임을 알 수 있고 응축부 냉각공기의 유속을 높이면 냉각능력 이 좋아져 열유속이 증가됨을 알 수 있다.

Fig. 7에서 Fig. 9는 전기로 내부의 온도를 800℃

까지 가열한 후 각각의 히트파이프를 가열로 내 부에 넣어 히트파이프 각부 표면온도를 시간에

따라 측정한 결과이다. Fig. 7의 나프탈렌의 경우 를 살펴보면 히트파이프 투입 직후 노내부의 온 도가 650℃로 떨어지고 그 후 같은 온도를 유지하 게 하였는데 투입 후 약 10분 정도 경과후부터 정 상적인 작동이 이루어짐을 알 수 있다. 이 때 증 기의 온도는 약 365℃이고 응축부의 평균온도는 약 340℃로 나타났다.

Fig. 8의 바이페닐의 경우에서는 응축부 끝단 의 온도가 나프탈렌의 경우보다는 약간 빨리 약 7 분 후에 응축부의 온도가 거의 비슷한 온도분포 를 보여주고 안정되는 것을 알 수 있고 이것은 파 이프 제작시의 진공도 및 작동유체의 순도 등에 따라 생기는 문제로 추측이 된다. Fig. 9는 다우 섬A의 경우인데 측정시간 약 20분 이후부터 응축

Input power(W)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

Thermal resistance(oC/W)

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

Thermal resistance

Fig. 15. Thermal resistance of Biphenyl heat pipe.

부의 벽면온도가 감소하는 비정상적인 경향을 보 여준다. 이것은 작동유체의 작동한계로 보여지며 더 이상 정상적으로 작동하지 않고 있음을 알 수 있다. 이러한 현상으로 볼 때 나프탈렌이나 바이 페닐보다는 낮은 온도에서 작동하는 것을 알 수 있고 이 때의 증기온도가 약 370℃ 정도로써 이 온도가 작동유체의 사용한계인 것으로 판단된다.

Fig. 10에 나프탈렌 히트파이프의 증발부 열전 달계수를 나타내었는데, 작동유체의 포화온도가 증가할수록 높게 나타나고 있다. 포화온도가 35 0℃일 때 약 2700 W/m

^2o

_



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

 _

 _

 _

여기서,

A _e

²

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^ 

 _

^ 

Fig. 11에 바이페닐 히트파이프의 증발부 열전 달계수를 나타내었는데, 입열량이 증가할수록 높게 나타나 1500 W일 때 약 2650 W/m

^2o

Fig. 12는 나프탈렌 히트파이프에서 응축부를 0.5 m/s로 강제 냉각할 때 증발부와 응축부의 온 도차를 나타낸 것인데, 입열량 900W 이상에서는

약 60℃ 정도로 나타났다. 입열량 1500W에서 증 발부와 응축부의 온도차가 증가하는데 이것은 드 라이아웃 초기 상태로 볼 수 있다. Fig. 13은 바 이페닐을 사용한 히트파이프에서 증발부와 응축 부의 온도차를 나타낸 것인데, 입열량 1100W에서 부터 온도차가 70℃를 나타내고 있다. 온도차를 입열량으로 나눈 것이 히트 파이프의 저항값을 나타내는데, 이것으로 보아 증발부 온도가 400℃

부근에서는 나프탈렌이 바이페닐보다 유리하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 14는 나프탈렌 히트파이프의 열저항을 나 타낸 것으로, 히트파이프의 증발부 입열량이 클수 록, 즉 작동유체의 포화온도가 높을수록 열저항이 작아지므로 나프탈렌 히트파이프에서는 작동유체 의 포화온도를 압력 및 허용범위 내에서 가능한 한 높게 작동시키는 것이 열적인 면에서 유리하 다고 할 수 있다. 또 히트파이프의 설치경사각이 높을수록 열저항이 작아지는 것을 알 수 있어서 설치면에 지장을 받지 않는 한에서는 경사각을 크게 하는 것이 유리하다. 여기에서 열저항

_{ }



_{ }





_

_

여기서

 _

^ 

Fig. 15는 바이페닐 히트파이프의 설치경사각 을 90°로 했을 때 열저항을 나타낸 것으로 히트파 이프의 증발부 입열량이 높을수록, 증기온도가 높 을수록 열저항이 작아지는 것을 볼 수 있고 나프 탈렌의 경우와 비교하여 약간 높은 값을 보여주 는 것을 알 수 있다. 이것에서 300～400℃의 온도 범위에서는 나프탈렌을 작동유체로 선택하는 것 이 열저항이나 열전달계수 측면에서 유리하다고 볼 수 있다.

4. 결 론

중고온 히트파이프에서 사용할 수 있는 작동유

체로 다우섬, 나프탈렌 및 바이페닐을 사용한 중 온용 히트파이프를 제작하여 증발부의 가열온도 를 300～600℃ 정도를 유지하고 작동유체의 특성 을 알아보기 위하여 성능실험을 수행한 결과 다 음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 나프탈렌과 바이페닐 히트파이프의 작동온도 범위가 증기의 포화온도 300～430℃ 정도에 서 작동하는 것을 알 수 있다.

(2) 다우섬 A 히트파이프는 포화온도 200～300℃의 온도범위에서 적용 가능하다는 것을 알 수 있다.

(3) 나프탈렌과 바이페닐 중에서는 열저항 및 열 전달계수를 비교하면 300～430℃의 온도 범 위에서 작동유체로는 나프탈렌이 유리하다는 것을 알 수 있다.

(4) 작동유체의 포화온도가 높을수록 열저항이 작 아졌으므로, 작동유체의 포화온도를 허용범위 내에서는 높은 온도로 유지하기 위하여 증발부 유입온도를 높은 온도로 하는 것이 유리하다.

후 기

본 연구는 에너지관리공단 에너지절약기술 사업의 연구비 지원에 의하여 수행되었으며, 이

에 감사드립니다.

참고문헌

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4. Perety, R. and Horbanic, B., 1984, “Optimal Heat Pipe Heat Exchanger Design”, Journal

of Heat Recovery System, Vol. 4, No. 1, pp.

9-24.