KR20020081829A - 폐열 회수용 히트 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열 회수용 히트 파이프에 관한 것으로, 특히 히트 파이프의 연전달 효율을 극대화시켜 자원을 보다 효율적으로 이용토록 하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프에 관한 것이다.

내부가 밀폐되는 원통형의 내부에 수용되는 작동유체가 액체-증기간 상변화를 이루면서 열을 이동시키는 히트 파이프에 있어서,

상기 히트 파이프의 내주연에 열전달률을 높이기 위한 길이방향의 미세홈 (Groove)을 일체로 성형하고, 동시에 외주연에 일정두께의 방열핀을 전조하여 (Extruded) 일체로 성형한 것이 특징이다.

그리고, 성능이 좋은 히트 파이프는 매우 가격이 높아서 폐열회수와 같은 장치에는 사용이 경제적이지 못했으나, 본 발명은 최상의 히트 파이프의 기본 자재를 대량 경제적으로 제작하는 수단이 되는 효과가 있다.

Description

폐열 회수용 히트 파이프{Heat Pipe for Collecting Disuse heat}

본 발명은 폐열 회수용 히트 파이프에 관한 것으로, 특히 히트 파이프의 연전달 효율을 극대화시켜 자원을 보다 효율적으로 이용토록 하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프에 관한 것이다.

화석연료의 값은 계속 증가하는 추세이고 연료를 효율적으로 사용해야할 이유는 계속 증가하고 있으며, 온실가스(CO₂)양의 방출을 줄여야 할 이유는 또다른 과제이다

따라서, 연료를 가장 효율적으로 이용하는 방법중의 하나는 폐가스에 남아있는 열을 회수하는 것인바, 지금까지 고온상태에서 폐가스의 열을 회수하는 방법은 널리 사용되었으나 비교적 낮은 온도의 폐가스에서 열을 회수하는 예는 많지 않은 실정이다.

결국, 열을 회수하기 위해서는 또다른 에너지, 즉 유체를 펌핑하는 에너지를 사용해야 하기 때문에 고효율의 열 회수방법만이 경제성을 제공한다.

이를 해결하기 위해 개발된 것이 히트 파이프인바, 일반적으로 히트 파이프(heat pipe, 10)는 열전달 성능이 가장 우수한 기기로 도 1과 도 2 및 도 3에 도시된 바와같은 구조를 갖고 있으며, 그 내부의 밀폐공간에서 순환되는 작동 유체가 연속적으로 액체에서 증기로 상변화를 일으킬때 동반되는 잠열을 이용하여 열을 전달시킴으로서 단일상의 작동 유체를 이용하는 통상의 열전달 기기에 비해 획기적인 성능을 발휘하게 된다.

이러한 히트 파이프는 응축부(condenser)에서 증발부(evaporator)로 액체 상태의 작동 유체를 돌려보내기 위해 소위 위크(wick) 또는 그루브(groove)라 불리우는 모세관 구조물(capillary structure)을 이용하며, 이러한 모세관 구조물은 액체의 표면장력에 의해 발생되는 모세관 현상을 일으키고, 이러한 모세관 현상에 의해 발생된 모세관 압력은 액체 상태의 작동 유체를 응축부에서 증발부로 귀환시키는 작용을 하게 된다.

상기 히트 파이프는 효율이 가장 높은 열전달기구중 하나임이 널리 알려졌으며, 이를 널리 상용되기 위해 값이 낮으면서도 효율이 높은 소재의 개발이 필요하게 되었다.

한편, 산업용 보일러의 배기가스 온도는 200도(℃)에서 350도(℃)로 보일러의 구조 및 설계에 따라 또 열회수장치의 부착 여부에 따라 다르다.

본 발명은 열전달 효율이 높은 히트 파이프의 자재와 그 자재를 열 회수장치에 응용하는 것이다.

본 발명은 열효율이 높은 히트 파이프를 제공하여 자원 이용을 보다 효율적으로 대처토록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 내부가 밀폐되는 원통형의 내부에 수용되는 작동유체가 액체-증기간 상변화를 이루면서 열을 이동시키는 히트 파이프에 있어서,

상기 히트 파이프의 내주연에 열전달률을 높이기 위한 길이방향의 미세홈(Groove)을 일체로 성형하고, 동시에 외주연에 일정두께의 방열핀을 전조하여 일체로 성형한 것이 특징이다.

도 1은 일반적인 히트 파이프 구성도.

도 2는 도 1의 A-A면 단면도.

도 3은 도 1의 B-B면 단면도.

도 4는 본 발명의 히트 파이프 구성도.

도 5는 도 4의 단면도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예도.

도 7은 본 발명의 설치 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 종래의 히트 파이프 20: 본 발명의 히트 파이프

21: 미세홈(Groove) 22: 방열핀

23: 오목부 24: 볼록부

30: 브라켓

이하에서 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 히트 파이프 구성도.

도 5는 도 4의 단면도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예도.

도 7은 본 발명의 설치 예시도로서, 도시한 바와같이,

내주연에 길이방향의 미세홈(21)이 일체로 성형되고, 동시에 외주연에 방열핀(22)이 일체로 성형된 구성이다.

상기의 히트 파이프 성능을 향상시키기 위해서는 관 밖에서 얼마나 효율적으로 열을 가하고 또 열을 빼앗느냐에 달려있는데, 관 밖에서의 열전달 계수를 증가시키고 관 내면에서도 열전달 계수를 증가시키면 전체적인 성능이 더욱 증가하게 된다.

이를 위해 본 발명은 히트 파이프(20) 내면에 높이 0.1 - 0.3밀리미터의 길이방향의 미세홈(21)을 형성하였다.

그리고, 이렇게 변형된 표면에서는 기존 히트 파이프(20)에 형성되는 매끈한 면보다 효율이 200퍼센트(%) 증가하는 것으로 실험결과 나타났다.

또한, 히트 파이프 외주연에 방열핀(22)을 형성하되, 방열핀(22)과 히트 파이프(20) 본체 사이의 접촉이 완전히 이루어지기 위하여 전조방법에 의해 형성시킴으로서 일체형이 되게 하여 열전달 효율을 극대화 한다.

한편, 보일러의 폐가스 열회수의 경우 관내의 유체는 증류수를 사용한다.

그리고, 본 발명의 히트 파이프(20)는 수직으로 배열할 수도 있고, 다소의 경사를 둘 수도 있다.

그리고, 내주연에 미세홈(21)을 그리고 외주연에 일체로 방열핀(22)을 성형 (Forming)한 히트 파이프 본체는 증류수를 주입하고 진공된 상태를 유지하며 마개로 밀폐시켰다.

이후, 상기 히트 파이프(20)에 열을 가하면 물이 증발하여 위로 올라가고 위쪽에서 열을 제거하면 수증기는 튜브 내면에 응축하게 되고 응축된 물은 튜브의 벽면을 따라 중력에 의하여 흘러내린다.

또한, 본 발명은 히트 파이프(20)의 관외부의 열전달을 크게 하기 위하여 방열핀(22)의 형상을 파형이 되도록 변형하였는바, 이 경우 블덱스가 일어나 평면 핀보다 열전달 계수가 50 내지 70퍼센트(%) 증가한다.

도 6에서 방열핀(22)은 오목부(23)와 볼록부(24)가 연속되는 파형으로 되어 있다.

방열핀(22)을 파형으로 만들면 물론 압력손실이 70 - 90퍼센트(%) 증가하나, 압력손실은 속도의 1.8승에 비례하지만 열저달 계수는 속도의 0.6승에 비례하므로 튜브를 배열할때 그 간격을 약간 크게 함으로서 압력손실은 평면 핀 때와 같이 하고 열전달 계수는 40퍼센트 이상 크게 할 수 있다.

튜브 내에서 증발에 의한 열전달 계수를 크게 하기 위하여는 전술한 바와같이 길이방향의 미세홈을 성형하는바, 핀의 높이가 0.1 - 0.3밀리미터가 되고 폭(두께)이 1 - 1.5밀리미터로 성형시키는 것이 바람직하다.

도 4에서 히트 파이프(20)의 관부분의 두께는 0.6밀리미터에서 1밀리미터로 하고, 길이방향의 미세홈(21)은 가능한 많은 수로 하되 두께는 2밀리미터보다 작게 한다.

상기와 같이 히트 파이프(20)가 제작되면 상기 히트 파이프(20)를 여러개 조합으로 하여 폐열 회수장치에 응용한다.

이때 폐열은 산업용 보일러의 폐가스에 남아있는 열을 이용하여 연소용 공기를 가열함으로서 폐가스에서 열을 회수한다.

도 7은 히트 파이프를 장착한 도면으로서, 여기서 히트 파이프는 7 - 10도 정도로 기울어져 있다.

이관의 양 끝단은 히트 파이프(20)를 잡아주는 판인 튜브쉬트(40)의 뚫린 구멍에 넣어서 고정되어 있으며, 여기서 칸막이벽(30)은 폐가스와 공기가 섞이지 않게 하는 작용을 한다.

상기에서 폐가스는 아래에서 위로 흐르며 냉각하고 차가운 공기는 위에서 아래로 흐르며 가열되는바, 예를 들어 실제 엔지니어링 데이터를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 하기로 한다.

스팀을 매시간당 5톤 생산하는 산업용 보일러에 20도(℃)의 공기가 매시간당 4200Nm²/h로 연소실로 유입되면 연소가스의 유량은 4600Nm²/h로 나오며, 이때 폐가스의 온도는 260도(℃)로 냉각된 후 대기로 방출하거나 열 회수장치를 이용하여 열을 더 회수한후 대기로 방출된다.

그리고, 이때 폐가스의 성분은 질량비로 질소가스 71.48퍼센트(%) 수분 11.21퍼센트(%), 탄산가스 13.69퍼센트(%), 그리고 산소 3.62퍼센트(%)로 되어 있다.

본 발명의 히트 파이프(20)의 총길이는 1,500밀리미터이고, 그것의 반이 연소가스가 흐르는 길이고 나머지 반의 외주연을 공기가 흘러간다.

여기서, 히트 파이프의 외경은 19.05밀리미터이고, 내경은 17.3밀리미터이며, 방열핀의 높이는 10밀리미터, 두께 0.4밀리미터인 핀이 25.4밀리미터에 8개를 설치하였다.

이런 히트 파이프(20)를 한개의 열에 10개씩 5개의 열로 배치 하였을 경우 폐가스는 260도(℃)로 들어와 183도(℃)로 나가고 공기는 20도(℃)로 들어와 118도 (℃)로 가열된다.

이때 각각의 히트 파이프의 내부 변화온도는 관의 배치에 따라 다르며 높은 온도는 192.8도(℃) 낮은 온도는 129.2도(℃)로 된다.

그리고, 히트 파이프 관내 유체는 항상 포화상태로 되어 있으며 포화 증기압은 가장 높은 튜브에서는 13.3바(bar)이고 가장 낮은 온도의 튜브에서는 2.6바 (bar)로 된다.

이때 가스쪽의 열전달계수는 124.5W/m²K에서 117W/m²K까지 변하며 공기쪽에서는 74.6W/m²K에서 68.5W/m²K이다.

이때 총 열 회수량은 23.4kW율로 회수된다.

같은 엔지니어링 데이터에서 방열핀(22)을 볼록구조(24)와 오목구조(23)가 번갈아 반복되는 파형구조로 하고, 내면에 길이방향의 미세홈(21)을 형성시켜 주면 폐가스는 260도(℃)에서 161도(℃)로 냉각되고 공기는 20도(℃)에서 145도(℃)로 가열된다.

그리고, 열회수율은 30kW로 되어 28퍼센트(%) 증가한다.

이 예에서 보듯이 방열핀을 파형 형태로 하는 것과 동시에 길이방향의 미세홈(21)을 만드는 것은 히트 파이프의 성능을 높이는 효과적인 방법이다.

본 발명의 히트 파이프재질은 응용에 따라 알루미늄이나 동으로 되어 있다.

상기 히트 파이프 관내에 넣는 유체는 응용에 따라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 배기가스와 같이 한 기체에서 다른 기체로 열전달시키는 가장 효율적인 방법이 히트 파이프이고, 이때 성능 향상에 가장 중요한 요소가 관 밖에서의 열전달 계수인 바, 본 발명에서는 핀을 일체로 형성하여 열전달 면적을 크게 함으로서 열전달 성능을 극대화 하는 효과를 제공한다.

그리고, 성능이 좋은 히트 파이프는 매우 가격이 높아서 폐열회수와 같은 장치에는 사용이 경제적이지 못했으나, 본 발명은 최상의 히트 파이프의 기본 자재를 대량 경제적으로 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Claims (4)

1. 내부가 밀폐되는 원통형의 내부에 수용되는 작동유체가 액체-증기간 상변화를 이루면서 열을 이동시키는 히트 파이프에 있어서,

   튜브의 외주연에 일정두께의 방열핀을 전조하여 일체로 성형하고, 동시에 상기 히트 파이프의 내주연에 열전달률을 높이기 위한 길이방향의 미세홈을 일체로 성형하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열핀은 오목부와 볼록부가 연속하는 파형 형태인 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 방열핀은 높이가 5 - 15mm이며, 두께가 0.25 - 0.7mm인 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 미세홈은 높이가 0.1 - 0.3mm이고, 두께(폭)가 1 - 1.5mm인 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 히트 파이프.