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Thermal optimization of circular tubes and heat pipes with axial internal fins = 내부 휜을 가지는 원 관 및 히트 파이프의 열성능 최적화
서명 / 저자 Thermal optimization of circular tubes and heat pipes with axial internal fins = 내부 휜을 가지는 원 관 및 히트 파이프의 열성능 최적화 / Kyu-Hyung Do.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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In the present work, two kinds of heat transfer devices, which are commonly used in engineering applications, are dealt with: one is an internally finned tube and the other is a heat pipe with axial internal fins. The new analytical solutions for velocity and temperature profiles in the internally finned tube are presented. It is found that two simplifying assumptions employed in the previous study may lead to significant errors in predicting the temperature distributions of the internally finned tube, as the number of fins increases or the thermal conductivity ratio, the porosity, or the dimensionless fin height decreases. In order to optimize the thermal performance of the internally finned tube, the total thermal resistance is minimized for a pumping power. It is shown that there exists an optimum value for the total thermal resistance with respect to the fin height as well as the number of fins and the porosity. Finally, the effects of the pumping power and the tube diameter on the thermal performance of the internally finned tube are examined. A mathematical model for precisely predicting the thermal performance of a heat pipe with axial internal fins is developed. The effects of the liquid-vapor interfacial shear stress, the contact angle, and the amount of liquid charge are included in the present model. In particular, the axial variations of the wall temperature and the evaporation and condensation rates are considered by solving the one-dimensional conduction equation at the wall and the augmented Young-Laplace equation, respectively. The results obtained from the proposed model are in close agreement with several existing experimental data for the wall temperatures and the maximum heat transport rate. From the validated model, it is found that the assumptions employed in most previous studies may lead to significant errors for predicting the thermal performance of the heat pipe by comparing among the results obtained from the proposed and the simplified 1D models and experimental data. It is also shown that the assumptions that evaporation and condensation occur uniformly in the axial direction, evaporation occurs in the only evaporator section, and condensation occurs in the only condenser section are valid as the effect of the axial wall conduction decreases. The effect of the amount of liquid charge on the thermal performance of the flat heat pipe is also examined. Finally, the thermal optimization of the grooved wick structure for the maximum heat transport rate is performed with respect to the width and the height of the groove by using the proposed model. The maximum heat transport rate is 128 W with the optimum conditions, S = 0.1437 mm and H = 0.525 mm for $T_v$=90^{\circ}C$, which is enhanced by about 20 % compared with the previous experimental result.

최근 들어 전자장비에서 발생하는 열량은 성능향상에 비례하여 꾸준히 증가하고 있으며 냉각에 사용될 수 있는 공간은 매우 제약적이기 때문에 작고 효율적인 열전달 장치가 요구되고 있다. 열전달 향상을 위한 방법 가운데 가장 간단한 방법은 휜을 부착하는 것이다. 이 방법은 유효 열전달 면적을 증가시키기 위해 소형 열교환기나 전자장치 냉각기기 등에 널리 이용되어 왔다. 휜의 개수와 길이 등이 증가함에 따라 유효 열전달 면적은 증가하지만 유동저항 역시 증가하게 된다. 따라서, 작고 효율적인 내부 휜을 가지는 열전달 장치를 설계하기 위해서는 내부에서 일어나는 유체유동 및 열전달 현상에 대한 정확히 이해와 내부 휜의 형상에 대한 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 여러 산업분야에서 널리 사용되는 열전달 장치인 내부 휜 관과 히트 피이프를 다루고자 한다. 먼저, 원관 내부에 휜이 장착된 열교환기의 유체 유동 및 열전달 특성을 파악하기 위하여 해석적 연구를 수행하였다. 정상, 층류, 강제 대류 조건 하에서 휜을 포함하는 유체 영역과 완전 유체 영역으로 나누어 모델링하였다. 본 연구에서는 휜을 포함하는 유체 영역에 다공성 매질 접근법을 적용하여 해석하였으며 내부 휜 관 내의 유체 속도와 유체 및 휜의 온도에 대한 해석해를 구하였다. 얻어진 해석해는 수치 해석 결과 및 기존 연구자들의 수치적, 실험적 결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 또한 해석해를 이용하여 내부 휜 관의 열성능에 영향을 미치는 주요 공학 인자들을 파악하였으며 Parametric Study를 통해 주요 공학적 인자들의 영향을 연구하였다. 마지막으로, 제시된 해석해로부터 열저항을 도출하여 동일 Pumping Power 조건에서 열저항을 최소화 하는 휜의 형상을 제시하였다. 두번째로 내부 휜을 가지는 히트 파이프의 열성능을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하였다. 본 연구에서 제안한 모델은 기체-액체 경계면에서의 전단력, 접촉각, 그리고 작동유체의 충진량에 의한 영향을 고려하였다. 뿐만 아니라, 축방향에 따른 벽면온도와 증발률 및 응축률의 변화도 고려하였다. 개발된 모델로부터 구한 최대열전달량과 벽면 온도분포들을 기존 연구자들의 실험결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 검증된 모델을 이용하여 Simplified 1D model에 도입된 가정들의 타당성을 조사하였다. 또한, Hopkins 등이 실험한 히트 파이프의 형상을 바탕으로 작동유체의 충진량 변화가 히트 파이프의 열성능에 미치는 영향이 조사되었다. 충진량이 증가함에 따라 히트 파이프의 유효길이가 감소하여 최대열전달량이 19% 증가하였다. 반면에 열저항은 충진량이 증가함에 따라 최대 160% 증가함을 알 수 있었다. 따라서 히트 파이프의 열성능은 Liquid block의 길이가 0일 때, 즉, Filling ratio가 0.29일 때 가장 우수함을 알 수 있었다. 마지막으로, 검증된 해석모델을 이용하여 그루브 윅을 가지는 히트 파이프의 열성능을 극대화 시키는 최적화된 그루브 구조의 형상 변수값을 도출하였다. 그 결과, 최대열전달량은 실험적으로 얻은 기존의 결과에 비해 20% 증가함을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 내부 휜 관과 내부 휜을 가지는 히트 파이프의 열성능은 개발된 수학적 모델을 이용하여 쉽게 최적화시킬 수 있음을 보였다. 본 연구에서 개발된 모델은 소형 열교환기와 히트 파이프 등의 다양한 열전달 장치의 열성능을 평가하고 최적화하는데 이용될 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 07041
형태사항 xvii, 129 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Inculdes appendix
저자명의 한글표기 : 도규형
지도교수의 영문표기 : Sung-Jin Kim
지도교수의 한글표기 : 김성진
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Reference : p. 112-124
주제 Circular tube, Heat pipe, Mathematical model, Analytical solution, Thermal optimization
원 관, 히트 파이프, 수학적 모델, 해석해, 열성능 최적화
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