AFT085 히트 파이프 원리 적용 지열 탐침 — 열공학 실험 장비 및 교육용 기자재1 설명
천부 지열 에너지 발전(shallow geothermal energy generation)은 지표면 아래에 저장된 열에너지를 난방 목적으로 활용하는 방식입니다.
이 장비는 히트 파이프(heat pipe) 원리를 이용한 지열 탐침(geothermal probe)의 작동 과정을 시연합니다. 투명하게 제작된 실험 장치는 열 전달이 이루어지는 밀폐 회로의 내부를 상세히 보여줍니다. 이를 통해 히트 파이프 내부에서의 증발, 탐침 헤드에서의 응축, 그리고 히트 파이프 내벽을 타고 흐르는 열 전달 매체의 환류(reflux) 과정을 육안으로 명확하게 관찰할 수 있습니다. 또한 이 장비를 활용하면 지열 탐침 주변 토양의 열전도율을 측정하는 데 사용되는 기초적인 방법들을 심층적으로 살펴볼 수 있습니다.
작동 특성을 분석하게 될 히트 파이프는 이 교육 장비의 핵심 구성 요소입니다. 히트 파이프 내부에는 비등점이 낮은 열 전달 매체가 충전되어 있습니다. 토양으로부터 유입되는 열은 가열 회로가 내장된 온도 제어 재킷(temperature control jacket)을 통해 모의 구현됩니다. 열 전달 매체로부터 발생한 열은 탐침 헤드 내부에 흐르는 작동 매체(working medium)로 전달됩니다. 센서들은 열교환기 내부를 흐르는 작동 매체의 온도와 유량을 감지합니다. 이렇게 측정된 값들은 실제로 전달된 열출력을 산출하는 데 활용됩니다. 또한 전용 소프트웨어는 이 측정값들을 바탕으로, 장비에 연결된 히트 펌프의 에너지 수지(energy balance)를 모의 분석합니다.
주변 토양의 열전도율을 측정하는 방법 중 하나로, 소위 '열응답 시험(Thermal Response Test)'이라 불리는 기법이 있습니다. 이 실험에서는 펌프를 이용하여 가열된 물을 모래 속에 매설된 U자형 지열 탐침으로 지속적으로 순환시킵니다.
이 과정에서 지열 탐침의 입·출구 온도, 유량, 그리고 가열 출력이 실시간으로 기록됩니다. 이렇게 측정된 데이터는 토양의 열전도율을 계산하는 데 사용됩니다.
또 다른 실험에서는 원통형 열원을 이용하여 원통형 모래 시료를 가열합니다. 모래 시료 내부에서 방사형으로 확산되는 열 분포(온도 프로파일)를 감지하고, 이를 활용하여 해당 모래 시료의 열전도율을 산출합니다. 이후 두 가지 측정 방법을 통해 얻은 결과값을 서로 비교 분석하게 됩니다. 모든 측정값은 USB 인터페이스를 통해 PC로 직접 전송되며, 함께 제공되는 전용 소프트웨어를 사용하여 상세하게 분석할 수 있습니다.
2 사양
히트 파이프 원리를 이용한 지열 탐침 작동 시연. 투명한 온도 제어 재킷이 장착된 유리 재질의 히트 파이프. 열 교환기 내 열 방출을 위한 작동 유체로 물 사용. 최대 수온 16°C 유지를 위해 실험실 네트워크 또는 냉각기(Chiller) WL 110.20을 통해 작동 유체 공급. 소프트웨어를 이용한 열펌프 에너지 수지 시뮬레이션. 냉매: R1233zd (GWP: 1). Windows 8.1 및 10 환경에서 USB를 통한 데이터 수집용 소프트웨어 제공.
3 기술 데이터
히트 파이프 길이: 약 1000mm. 외경: (히트 파이프) 약 56mm, (온도 제어 재킷) 약 80mm. 가열 회로 내 히터 출력: 2kW. 가열 회로 내 펌프 최대 유량: 1.9m³/h, 소비 전력: 58W. 구리 재질의 U자형 지열 탐침 길이: 약 1000mm. 열 응답 시험용 펌프 유량: 4.8~28.2L/h, 소비 전력: 최대 60W. 물 탱크 내 가열 소자 출력: 100W. 모래 용기 내 가열 소자 출력: 50W. 냉매: R1233zd (GWP: 1).
충전량: 2.3kg. CO2 환산량: 0t. 측정 범위: (모래 시료 내 가열 소자 온도) 0~250°C, (유량) 0.4~6L/min. 전원: 230V, 50Hz, 단상 / 230V, 60Hz, 단상 / 120V, 60Hz, 단상 (UL/CSA 인증 옵션 제공).
