2상 밀폐형 열사이폰 내에서의 작동 유체의 벽마름 특성에 관한 연구

박재범, 한귀영

성균관대학교 화학공학과

Dry-out Characteristics of Working Fluid in a Two-Phase

Closed Loop Thermosyphon

Jae Beom Park, Gui Young Han

Dept. of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, 440-746

서 론

2상 밀폐형 열사이폰은 용기 내에서 작동 유체의 증발과 응축의 상변화를 자력으로 반복하면서 heat source로부터 heat sink로 많은 양의 열을 잠열로 수송하는 매우 효과적인 열전달 장치로서 오늘날 실제 산업 여러 분야에서 응용, 적용되고 있다. 열사이폰은 지상용으로 사용시, heat pipe의 대체 효과를 보여주는 충분한 장점이 있다. Heat pipe는 위크(wick)의 존재로 유동 저항과 열저항이 증대하고, 모세관 한계 및 비등한계에 의해 최대 열 수송량이 억제되며 또한, 위크(wick)의 삽입 과정이 복잡하여 생산 원가를 증대시키는 단점을 갖고 있다. 이에 반해 열사이폰식은 위크(wick)가 없기 때문에 증발부로 귀환하는 액막의 유동저항과 열저항이 상대적으로 작으므로 열속이 작고 또한 양단 온도차가 크지 않은 시스템에 보다 유리하다. 그러나 열사이폰은 heat pipe에 비해 시동이 느리며, 또한 증발부에서 국부적인 드라이 아웃(dry-out)과 액체풀(liquid pool)의 과열 현상에 의한 과열 증기의 간헐적인 폭발 현상 등, 2상 유동의 열 및 유체 역학적인 불안정한 작동특성 문제가 존재한다[1].

열사이폰 내부에 주입되는 작동 유체로서는 일반적으로 단일성분 유체들은 사용하는 경우에는 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 종종 단일 성분 작동유체는 각각의 고유한 물리적인 성질 때문에 사용에 제한을 받게 된다. 물의 경우에는 예를 들면, 값싸고, 쉽게 얻을 수 있고, 화재로부터 안전하지만 겨울철에는 사용이 제한될 것이다. 이러한 단점들을 극복하고자 2성분 혼합물을 작동 유체로서 사용을 고려할 수 있다. 단일 성분 유체들과는 달리 2성분 혼합물들은 종종 우수한 공학적인 성능을 나타낸다[2]. 그러나 혼합물을 사용한 열사이폰의 작동 및 전열성능에 대해서 조사된 것은 별로 없다.

따라서 본 실험에서는 단일 성분 유체들(물, 에탄올, 메탄올)과 물과 에탄올을 일정 몰분율로 혼합한 2성분 혼합물을 사용한 열사이폰에서 열사이폰의 경사각, 열입력에 따른 dry-out현상을 고찰하였다.

이 론

1. Dry-out

수직 열사이폰 내부의 유동양상은 작동유체 충전율이 비교적 큰 경우 열속증가에 따라 기포류(bubbly flow)에서 플러그류(plug flow)와 처언류(churn flow)를 거쳐 환상류(annular flow)로 발전하게 되며 지금까지 이에 관해 많은 연구가 진행되어 왔다. 반면 경사진 열사이폰은 내부 유동 패턴이 경사각에 따라 변하게 된다. 경사진 열사이폰은 액막의 유동이 축 방향과 원주 성분을 갖게되며, 이 결과 수직 열사이폰과는 다른 3차원 유동 형태로서 원주 방향의 액막 두께도 불균일하고 증발부내 liquid pool의 분포도 경사각에 따라 변하므로 수직한 열사이폰과 내부유동 패턴이 상이하게 된다. 경사진 열사이폰에서는 원주방향의 액적 이탈율이 균일하지 않고 윗면에서 액적 이탈량이 아랫면보다 적으므로 원형단면의 상단부에서 하단부로의 draining에 의한 유량 손실을 상쇄하게 된다. 열사이폰은 중력에 의한 액류 귀환 방식을 사용하므로 경사각 변화는 벽면에서 draining량을 변화시켜 액막 두께에 따른 열저항을 달라지게 하며 이로 인해 경사진 열사이폰에서는 dry-out현상이 쉽게 발생할 수 있으며, 이는 열사이폰의 열 수송에 영향을 준다[3].

Dry-out 현상은 증발부내의 일부에서 순간적으로 열이 편중되어 작동유체가 공급되지 않아 발생되는 현상으로 효과적인 관벽의 냉각이 이루어지지 않아 벽면의 온도가 과열됨으로써 열전달율이 저하된다. 극단적인 경우를 가정하면 열사이폰의 파괴를 일으킬 수 있다. Dry-out현상은 열사이폰에 주어진 열입력의 증가와 응축의 연속적 순환을 위한 작동유체의 충진량이 최소가 되었을 때 혹은, 액막 부분에서 효과적인 냉각이 멈추었을 때 발생하게 된다. 열사이폰에서 효과적인 작동을 위해 작동유체가 필요로 하는 최소량 이하가 되었을 때 액체풀은 증발부에서 벽온도의 진폭에 의해 말라 버린다. 높은 열입력에서, 액체풀 높이 바로 위의 액막에서 dry-out에 도달할 가능성은 높다. 이것은 증발부의 높은 증발율과 응축액의 귀환을 방해하는 기-액 계면의 전단력 때문이다[4].

2. 2성분 혼합물

단일 성분 유체들의 단점들을 극복하고자 2성분 혼합물을 작동 작동 유체로 사용하는 것이 고려되고 있다. 혼합물의 핵비등 개시는 단일 성분의 핵비등보다 훨씬 큰 온도 차이에서 발생하고 혼합물에서 pool 비등의 열전달 계수는 단일 성분의 열전달 계수보다는 낮다. Critical heat flux는 혼합 효과에 의해 감소하거나 증가할 수 있고, 혼합에 의한 surface tension의 변화로 contact angle이나 wettability가 변화하는 등의 특징을 가지고 있다. 그러므로 어떤 응용분야에서는 혼합물을 사용한 열사이폰은 단일 성분 유체보다 월등한 공학적인 성능을 나타낼 수 있다[2].

실 험

본 실험을 수행하기 위해서 외경 25.6mm, 길이 1,235mm SUS-316관을 이용하여 열사이폰을 제작하였다. Fig.1은 제작된 열사이폰의 성능 실험을 위한 실험 장치의 전체 시스템을 나타낸 것이다. 제작 과정은 일반적인 열사이폰의 제작 과정을 참조하였다[5]. 먼저 증발부에는 전기 저항선을 증발부 외부 벽면에 균일하게 감고 외부를 단열하였다. 응축부에는 수냉각 용기를 설치하고 입, 출구의 온도와 유량을 계측하여 이송 열량을 계산하였다. 열사이폰의 증발부에 일정 간격으로 3개의 열전대(K-type,□=1/16in.)를 부착하여 온도를 계측하였고, 열사이폰 하단과 상단 관 내부에 열전대를 각각 삽입하여 pool과 vapor 온도를 계측하였다. 실험방법은 냉각수 온도와 유량을 20℃,1.5l/min.으로 일정하게 유지한 상태에서 전압을 조절함으로써 열부하를 단계적으로 증가시켰다. 작동유체는 열사이폰 전체 용량의 30%만을 주입하였고, 열부하는 100, 200, 450watt의 범위에서, 경사각은 90°,45°,30°의 경우에서 각각 실험을 하였다. 각 조건에서 열사이폰의 정상 작동할 때  측정점의 온도를 data acquisition unit(Net DAQ 2545A, FLUKE)로 기록하였다.

결과 및 고찰

1. 단일 성분

Fig. 2는 경사각이 수직인 경우 열부하가 크기에 따라 pool의 온도와 벽면 온도의 차이를 보여주고 있으며, Fig. 3과 Fig. 4는 경사각의 영향을 보여주고 있다. 그림에서 Tw, Te는 각각 열사이폰 상부 벽면의 온도, 증발부의 온도이다. Fig. 2는 열부하가 100watt, 200watt일 경우 dry-out이 모든 작동 유체에 대해 발생하지 않았고 오히려 벽면의 온도가 pool의 온도보다 낮아서 증발과 냉각이 원활히 이루어짐을 알 수 있다. 그러나 열부하가 400watt를 넘어 서면서부터는 에탄올과 메탄올의 경우 dry-out현상이 보이며 critical heat flux(CHF)를 예측 할 수 있다. 반면 물의 경우에는 에탄올, 메탄올에 비해서 CHF가 상당히 높을 것으로 예측된다. Fig. 3, Fig. 4는 경사각의 영향을 보여주고 있는데 100watt의 열부하에서는 심한 dry-out현상을 관찰 할 수 있다. 이는 수직 열사이폰과는 달리 벽면의 원주 방향 온도차가 존재하며 이러한 원주방향 온도분포는 열사이폰의 열전달 성능에도 영향을 미친다. 이러한 증발부 상단 벽면의 dry-out현상은 응축부로부터 하강하는 액막이 얇아지기 때문이다. 그러나, 열부하가 증가하면서 dry-out현상이 사라지는데, 이러한 현상은 증기 유동량의 증가에 따라 액막 유량이 증가되어 dry-out현상이 사라지는 이유가 있는 것 같다. 반면, 낮은 열부하에서는 오히려 에탄올이 적합하다고 볼 수 있다. 작동유체의 surface tension을 비교하여 볼 때, 물이 가장 높고 에탄올, 메탄올 순 이다. 그러므로 낮은 열부하에서는 에탄올에 비해 물이 증발률이 낮고, 따라서 dry-out현상이 발생한다고 볼 수 있다. 이 결과로서 물을 작동 유체로 사용하였을 경우 에탄올, 메탄올에 비해서 비교적 높은 CHF를 가지며 높은 열부하에서는 경사각에서도 훌륭한 작동 유체가 될 수 있다. 반면 낮은 열부하에서는 물보다는 에탄올이 작동 유체로서 적합하다고 볼 수 있다.

2. 2성분 혼합물

Fig. 5는 물과 에탄올의 혼합물을 작동 유체로 하였을 경우 경사각과 열부하의 크기에 따라 pool의 온도와 벽면온도의 차이를 보여주고 있다. 모든 경사각의 경우에서 열부하가 100watt일 경우 벽면과 pool의 온도차가 단일 성분의 실험 결과와 비교하였을 때 낮은 값을 나타낸다. 그리고 열부하가 증가하여도 다른 단일 성분들보다도 온도차가 적었다. 이는 물과 에탄올의 혼합물이 다른 단일 성분들을 작동 유체로 사용하였을 때보다도 경사각의 열사이폰에서 발생할 수 있는 dry-out현상을 감소시킬 수 있다. 그리고 다른 단일 성분의 작동 유체보다도 낮은 열부하에서 적합하다고 볼 수 있다. 이는 저비점 성분인 에탄올의 surface tension 때문으로 wetting contact angle이 0에 가까워 관 벽과 에탄올 성분의 친화력 때문에 관 표면의 원주 방향으로 균일하지는 않지만, 응축 액막을 형성하기 때문에 증발에 대한 dry-out현상이 나타나지 않는 것 같다. 또한 물 성분은 작동 압력 하에서 포화 온도가 높기 때문에 2성분 혼합물에서는 dry-out현상이 지연되는 결과가 나타났다. 따라서 2성분 혼합물을 작동 유체로 사용한 열사이폰의 작동 특성은 단일 성분 유체를 사용한 열사이펀에 비해  증기 유속이 낮은 열부하에서도 사용이 가능하며, 경사각 변화에 따라서 나타나는 국부적인 dry-out현상도 나타나지 않는 등의 상당한 개선 효과가 있었다. 특히 태양열을 사용하는 열사이폰의 경우에 작동 유체 선정의 제한과 경사시 발생할 수 있는 문제점들을 해소할 수 있다고 사료된다

참고 문헌

1. 곽 희열, □2성분 혼합물을 사용한 2상 밀폐 열사이펀의 작동특성에 관한 연구□,

인하 대학교, 박사학위 논문, 1995.

2. Whalley, P. B., "Boiling, Condensation and gas-liquid flow", Clarendon         press, Oxford, 1987.

3. Durst, F., Tsiklauri, G. V. & Afgan, N. H., "Two-phase Momentum, Heat     and Mass Transfer", McGraw-Hill, vol.1, pp. 327-337.

4. Chen, H. and Bayley, F.T., "Heat Transfer Problems of Liquid-Cooled         GAS-Turbine Blades", Proc. of the Instit. of Mch. Eng., vol. 169, pp.          1063-1074, 1965.

5. Chi, S. W., "Heat Pipe Theory and Practice", McGraw-Hill, 1976.

Fig.2 Temperature difference along heat flux(angle=90o)

Fig. 1 Schematic diagram of  the thermosyphon system

Fig. 3 Temperature difference along heat flux(angle=45o)

Fig. 5 Temperature difference along angles of inclination          and heat flux(ethanol : water = 0.2 : 0.8)

Fig. 4 Temperature difference along heat flux(angle=30o)