히트파이프

정의

히트파이프는 밀폐관 속 작동유체의 상변화로 열을 나르는 장치다.

적은 온도차로 많은 열을 무동력으로 옮기는 것이 핵심이다.

시험에서는 이 한 줄 정의를 답안 첫머리에 쓰는 것이 기본이다.

구조와 작동 순서

구조는 밀폐관, 작동유체, 심지 세 가지로 이루어진다.

증발부에서 열을 받은 작동유체가 기화하여 증기가 된다.

증기는 압력차로 응축부에 이동하고, 열을 내놓고 액으로 바뀐다.

응축액은 심지의 모세관력이나 중력으로 증발부에 돌아온다.

이 순환이 계속되므로 작은 온도차로도 많은 열이 옮겨진다.

계산 예제

열사이펀 히트파이프가 옮길 수 있는 열량을 어림해 보자.

증발 잠열이 주된 열전달 요소이므로 질량유량에 잠열을 곱하는 식을 쓴다.

작동 유체는 물, 100℃ 기준 증발 잠열 2,257 kJ/kg, 질량유량 0.5 g/s를 대입한다.

단위를 kg/s × kJ/kg = kJ/s = kW로 맞추면 약 1.1 kW가 나온다.

이 정도 열량은 상변화 수송으로 가능한 범위라 상식 범위에 있다.

정답은 2배다. Q는 질량유량에 비례하므로 열량도 2배가 된다.

유형 비교

히트파이프는 응축액을 되돌리는 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다.

일반 히트파이프는 심지의 모세관 힘으로, 열사이펀은 중력으로 액을 되돌린다.

그래서 열사이펀은 설치 방향에 따라 성능이 크게 달라진다.

열사이펀은 응축부를 증발부 위에 두어야 하고, 루프형은 장거리 열수송이 가능하다.

시험에서는 유형별 복귀 방식과 중력 의존성을 비교해 쓰는 것이 핵심이다.

한계와 주의

히트파이프에는 대표적인 한계가 세 가지 있다.

첫째, 모세관 한계다. 윅이 액을 공급하지 못하면 증발부가 건조되어 성능이 급락한다.

둘째, 비응축성 가스다. 응축부 면적을 줄여 효율을 떨어뜨리므로 진공 밀폐가 중요하다.

셋째, 작동 온도 범위다. 범위를 벗어나면 동결 또는 과압이 발생한다.

그래서 관 재질과 작동유체를 사전에 검증하고 충전량을 정확히 관리한다.

정리

마지막으로 핵심 내용을 암기용으로 정리한다.

구성은 밀폐관, 심지, 작동유체이고, 원리는 증발 흡열에서 액 복귀까지 이어진다.

가동부가 없어 유지보수가 거의 필요 없고, 열회수환기장치 등에 쓰인다.

답안은 정의, 구조와 원리, 특징과 적용 순서로 쓴다.