선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 액체질소에 대한 열전달 촉진 및 압력강하 특성을 규명하기 위해 수행되었고, 평활관과 와이어코일 삽입법욜 사용한 열전달촉진관을 제작하였다. 또 물과 에틸렌글리콜이 체적비율로 50%씩 혼합된 수용액올 가열유체(Heating Fluid)로 택하여 증발 열전달촉진 및 압력강하 특성실험을 수행하였다.
- 그저온유체로는 액체질소를 사용하였으며 시험관은 2개의 다른 직경을 사용하였다. 액체질소에 대한 중발 열전달 실험자료룰 토대로 열전달상관식을 제시하여 액체질소롤 냉매로 사용하는 극저온 열교환기의 기초 설계자료로 활용토록 하였다. 끝으로, 이 실험결과와 타연구결과 및 상관식과 비교, 분석하여 실험자료의 신뢰성을 확인하였다.
- 액체질소에 대한 평활관과 와이어코일 삽입관의 증발열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험 결과자료를 제시하였다. 그리고 와이어코일 삽입관에 대한 무차원 열전달계수를 타 연구결과와 비교, 검토하였는데 여기에는 단상 및 증발열전달자료가 포함되며 비교를 위한' 타' 연구결과가 Table 2에 요약되어 있다.
- 이 연구에서는 극저온 유체의 증발 2상유동에 대한 열전달 및 압력강하 특성울 규명하고, 와이어 코일을 삽입한 열전달촉진관의 열전달 성능을 평가하고자 한다. 그저온유체로는 액체질소를 사용하였으며 시험관은 2개의 다른 직경을 사용하였다.
제안 방법
- 액체질소 공급부에 대한 외부로부터의 열유입과 단열재 사이에 잔류하는 공기를 차단하기 위해 액체질소 공급관 외부에 비닐 테이프를 사용하여 완전히 밀착시켰고, 그 위에 폴리우레탄 단열재와 실리콘접착제를 사용하여 단열처리하였다. 그리고, 폴리우레탄 단열재외부에 코팅 테 이프로 코팅처리 하여 외부로부터 공기유입 과열유입을 방지하였다. 한편, 외부에 의한 열유입을 계산한 결과, 총 열전달량에 약 2% 정도였다.
- 액체질소에 대한 중발 열전달 실험자료룰 토대로 열전달상관식을 제시하여 액체질소롤 냉매로 사용하는 극저온 열교환기의 기초 설계자료로 활용토록 하였다. 끝으로, 이 실험결과와 타연구결과 및 상관식과 비교, 분석하여 실험자료의 신뢰성을 확인하였다.
- 이와 같은 쿨다운과정은 극저온 열교환시스템의 기계적 성질을 결정짓는 매우 중요한 과정으로 최대한 충분한 시간동안 진행되어야 하는 과정이다. 따라서, 본 실험에서는 약 1 ~ 2시간동안 쿨다운과정을 거친 후 정상상태에서 실험을 수행하였다.
- 제작하였다. 또 물과 에틸렌글리콜이 체적비율로 50%씩 혼합된 수용액올 가열유체(Heating Fluid)로 택하여 증발 열전달촉진 및 압력강하 특성실험을 수행하였다. 그 결과, 열전달 촉진관에 대한 압력강하는 평활관보다 내경 8 Iml와 15 血!일 때 각각 약 100~300%, 약 50-100% 각각 높게 발생하였다.
- 따라서, LNG운반선의 LNG중발기에 사용되는 원통다관형 열교환기의 기초설계자료로 사용될 수 있으리라 판단된다. 또, 액체헬륨, 액체산소 등과 같은 여러 종류의 극저온유체에 본 연구결과를 적용시키기 위해서는 이들 유체에 대한 비교. 검토가 요구된다.
- 본 연구결과를 바탕으로 액체질소를 사용하는 중발기의 기초설계자료로 활용될 수 있도록 와이어코일을 사용한 열전달촉진관에 대한 열전달 상관식올 둥가 레이놀즈수와 액상 프란틀수의 함수로 표현하였으며, 식 (17)과 같다.
- 본 연구에서 액체질소에 대한 중발 열전달 촉진 및 압력강하 성능을 실험적인 방법을 사용하였다. 이를 위해 액체질소를 저장탱크에서 2중관열교환기 내부관 입구로 기체와 액체가 혼합된 상태로 유입하고, 외부관의 에틸렌글리콜 수용액과 상호 열교환을 이룬 후에 가열기를 거쳐 완전 기화된 상태로 시험부를 빠져나가도록 시스템을 구성하였다.
- 상변화룔 동반하는 2상유동에서 열전달 특성은 축방향에 따라 계속적으로 크게 변화하므로, 본 논문에 사용된 누셀트 수와 둥가 레이놀즈 수는 길이가 0.5 이인 세부구간의 국부 평균값(Local Average)을 사용하였다.
- 시험부 내부관의 압력은 시험부에 설치한 압력공(Pressure ' Hole)에 극저온용 압력 계를 부착하여 절대압력 (Absolute Pressure) 과 차압 (Differential Pressure)올 측정하였다. 절대압력은 열전달계수와 마찰계수를 계산하는데 필요한 열역학적 물성치를 산정하는데 이용하였으며, 차압은 시험부내의 압력강하를 측정한 것으로, 마찰계수를 계산하는데 사용하였다.
- 시험부에 유입된 액체질소의 유량은 액체질소와 질소가스가 혼합되어져 있는 상点이기 때문에 시험부 출구부분에 가열기(Superheater)를 설치하여 완전히 기화시킨 후 가스상태의 질소유량을 로타미터로 ; 측정하였다. .
- 한편 실험 중 시험관내부의 국부압력이 갑작스런 기화에 의한 체적팽창으로 약 10 胸정도까지 급상승할 수 있으므로 모든 밸브는 배관 내에 액체상태의 질소가 완전히 기체로 기화될 수 있도록 충분한 시간을 두고, 안전밸브도 설치하였다. 액체질소 공급부에 대한 외부로부터의 열유입과 단열재 사이에 잔류하는 공기를 차단하기 위해 액체질소 공급관 외부에 비닐 테이프를 사용하여 완전히 밀착시켰고, 그 위에 폴리우레탄 단열재와 실리콘접착제를 사용하여 단열처리하였다. 그리고, 폴리우레탄 단열재외부에 코팅 테 이프로 코팅처리 하여 외부로부터 공기유입 과열유입을 방지하였다.
- 액체질소와 에틸렌글리콜 수용액의 온도는 T형열전대(Copper-Constantan) 를 사용하여 측청하였고, 열전달계수는 다옴 절에 제시된 식을 이용하여 계산하였다. 이 계산올 위하여 벽면온도를 측정하였는데 관 표면에 원주방향으로 3개의 점에 부착된 열전대의 출력치를 평균하여 사용하였다.
- 공급하였다. 열전달효과의 극대화롤 위해 내부관과 대향류(Counter Flow)로 흐르게 하였다. 이 수용액은 물과 에틸렌글리콜을 체적비율로 50%씩 혼합하였으며, 열역학적 및 전달 물성치(Thermodynamic and Transport Properties) 는 ASHRAE Handbooks)에서 제시한 자료롤 사용하였다.
- 계산하였다. 이 계산올 위하여 벽면온도를 측정하였는데 관 표면에 원주방향으로 3개의 점에 부착된 열전대의 출력치를 평균하여 사용하였다. 온도측정에 대한 불확실성(Uncertainty)은 土 0.
- Heat Exchanger)7} 주로 사용된다. 이 연구에서는 구조가 간단하고 작동온도와 압력범위가 광범위하며, 제작 및 유지보수가 용이한 2중관식열교환장치를 제작하여 증발 열전달 및 압력강하특성실험을 수행하였는데, 실험에 사용된 실험장치의 개략도가 Fig. 1에 나타나 있다.
- 이를 위해 액체질소를 저장탱크에서 2중관열교환기 내부관 입구로 기체와 액체가 혼합된 상태로 유입하고, 외부관의 에틸렌글리콜 수용액과 상호 열교환을 이룬 후에 가열기를 거쳐 완전 기화된 상태로 시험부를 빠져나가도록 시스템을 구성하였다. 실험에서 주요 측정인자는 고온 및 저온측 유체의 유량 및 출.
- 본 실험에서는 두 유체간의 큰 온도차에 의해 상호 열교환이 빨리 진행되어, 약 1시간 ~ 2시간정도 경과한 후에 압력과 온도가 안정되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 방법으로 획득한 온도, 압력 그리고 유량은 에너지 평형식(Energy Balance Equation)올 이용하여 ±7% 범위롤 만족하는 실험자료만을 선별하여 열전달계수를 구하는데 사용하였다. 액체질소가 증발과정에서 에틸렌글리콜 수용액으로부터 얻은 열량(QL)은 식 (1)과 같이 시험부 입- 출구의 엔탈피(kJ/kg) 변화량으로 계산할 수 있으며, 입 .
- 실험에서 주요 측정인자는 고온 및 저온측 유체의 유량 및 출. 입구온도, 관 벽면온도, 시스템 내 액체질소 증발부의 압력 둥이며, 이들 측정인자들은 열, 수력학적 정상상태에 도달한 이후에 충분한 시간을 준 후 측정하였다. 본 실험에서는 두 유체간의 큰 온도차에 의해 상호 열교환이 빨리 진행되어, 약 1시간 ~ 2시간정도 경과한 후에 압력과 온도가 안정되는 것을 확인할 수 있었다.
- 측정하였다. 절대압력은 열전달계수와 마찰계수를 계산하는데 필요한 열역학적 물성치를 산정하는데 이용하였으며, 차압은 시험부내의 압력강하를 측정한 것으로, 마찰계수를 계산하는데 사용하였다. 압력측정에 대한 불확실성은 ±0.
- 실험시 극저온상태로 유동하는 액체질소에 의해 발생될 수 있는 열웅력올 견디기 위해 큭저온에서 일반적으로 사용되는 스테인레스 강관(Stainless Steel Tube)올 사용하였고, 열웅력은 용접부위에 집중되기 때문에 특수용접을 통해 열웅력 발생에 의한 시스템의 파손을 방지하였다. 평활관에 대한 실험을 마친 후 2중관식 열교환장치의 내부관에 와이어코일올 삽입하여 열전달촉진 및 압력강하의 성능평가도 수행할 수 있도록 하였다. 본 연구에 사용된 와이어코일외 형상과 주요 치수는 Fig.
- 에틸렌글리콜 수용액의 유량측정온 관내에 설치한 오리피스를 이용하였으며 전. 후 단면에 발생한 압력차를 차압계로 측정하여, 보정실험을 통해 구한 송출계수(Discharge coefficient, Cd)를 사용하였다. 액체질소와 에틸렌글리콜 .
대상 데이터
- 한다. 그저온유체로는 액체질소를 사용하였으며 시험관은 2개의 다른 직경을 사용하였다. 액체질소에 대한 중발 열전달 실험자료룰 토대로 열전달상관식을 제시하여 액체질소롤 냉매로 사용하는 극저온 열교환기의 기초 설계자료로 활용토록 하였다.
- 내부관에는 액체질소가 흐르며 외부관에는 에틸렌글리콜 수용액을 작동유체로 사용하여 내부관의 액체질소롤 가열시키는 매체로 사용하였다. 내부관은 8 皿와 15 mm의 내경올 사용하였고, 외부관은 내경이 20 剛와 30 mm인 관을 사용하였다. 실험시 극저온상태로 유동하는 액체질소에 의해 발생될 수 있는 열웅력올 견디기 위해 큭저온에서 일반적으로 사용되는 스테인레스 강관(Stainless Steel Tube)올 사용하였고, 열웅력은 용접부위에 집중되기 때문에 특수용접을 통해 열웅력 발생에 의한 시스템의 파손을 방지하였다.
- 시험부는 동심 2중관식 열교환기 형태로로 내부관(Inner Tube)과 외부관(Outer Tube)으로 구성되어 있는데 길이가 4.7 m으로 0.5 m의 8개 세부구간으로 나누었다. 내부관에는 액체질소가 흐르며 외부관에는 에틸렌글리콜 수용액을 작동유체로 사용하여 내부관의 액체질소롤 가열시키는 매체로 사용하였다.
- 내부관은 8 皿와 15 mm의 내경올 사용하였고, 외부관은 내경이 20 剛와 30 mm인 관을 사용하였다. 실험시 극저온상태로 유동하는 액체질소에 의해 발생될 수 있는 열웅력올 견디기 위해 큭저온에서 일반적으로 사용되는 스테인레스 강관(Stainless Steel Tube)올 사용하였고, 열웅력은 용접부위에 집중되기 때문에 특수용접을 통해 열웅력 발생에 의한 시스템의 파손을 방지하였다. 평활관에 대한 실험을 마친 후 2중관식 열교환장치의 내부관에 와이어코일올 삽입하여 열전달촉진 및 압력강하의 성능평가도 수행할 수 있도록 하였다.
- 실험자료획득장치는 데이터 로거(Data Logger)와 개인용 컴퓨터로 구성되어 있으며 데이터로거는 최대입력단자 100채널, 100 Hz의 표본추출빈도(Sampling Frequency)와 ±10 Volts의 입력범위롤 가진다. 또, 잡신호(Noise) 제거와 입력전압의 증폭을 위해 필터와 앰프롤 사용하였다.
- 있다. 액체질소는 저장탱크에서 0.3 MPa ~ 0.5 MPa로 가압된 후 압력조정기를 통해 시험부로 공급되며, 미세한 유량변화를 위하여 유량조절밸브를 사용하였다. 저장탱크 내부 압력은 부착된 기화기(Vaporizer)를 이용하여 액체질소를 기화시키고 이를 다시 저장탱크로 유입시켜 압력을 조절하였다.
- 액체질소를 증발시키기 위한 열매체로 에틸렌글리콜 수용액올 사용하였고, 에틸렌글리콜 수용액의 온도조절올 위해 전기보일러를 사용하였고, 원심펌프와 유량조절밸브를 롱해 시험부의 외부관으로 공급하였다. 열전달효과의 극대화롤 위해 내부관과 대향류(Counter Flow)로 흐르게 하였다.
- 이 연구에 사용된 극저온 열교환시스템은 크게 시험부, 액체질소 공급부, 에틸렌글리콜수용액 공급부, 온도, 유량, 압력 측성부, 안전장치부, 실험자료획득장치 (Data Aquisition System) 등으로 나눌 수 있다
- 작동유체로는 물과 에틸렌글리콜의 혼합액을 사용하였고, 레이놀즈수 범위는 4, 000 ~ 100, 000이다. 그 결과 와이어코일의 비를림 각도가 60°와 75° 인 경우에 열전달효과가 가장 크다고 보고하였다.
- 3은 평활관과 열전달촉진관에 대한 관내압력강하를 액체질소의 질량유속에 따라 측정한 결과이다. 평활관은 시험부 내경이 8 飾와 15 mm를 사용하였고, 열전달촉진관은 평활관 내경이 8质와 15 mil인 관속에 비틀림 각(Helix Angle)이 50° 인 와이어코일을 삽입하여 사용하였다. 액체질소의 질량유속범위는 300 ~ 2, 800 (kg/m! s)이다.
이론/모형
- 본 연구에 사용한 포화상태에서의 질소 둥가레이놀즈 수(Equivalent Reynolds Number, ReE)는 Cavallini-Zechin")이 제안한 식을 사용하였으며, 둥가 레이놀즈수는 질소의 액체와 기체상태의 물성치와 건도롤 기준으로 구하였으며, 식 (7) ~ (9)와 같이 정의된다.
성능/효과
- Sieder와 Tate 상관식은 식 (15)와 같고, y b는 혼합평균온도(Bulk Mean Temperature)를 기준으로 산출한 것이고, p w는 벽면온도를 기준으로 한 것이다. 따라서 평활관일 때 극저온 유체에 대한 열전달 특성은 일반유체의 열전달 특성과 유사하였음을 본연구의 실험결과로 알 수 있다.
- 입구온도, 관 벽면온도, 시스템 내 액체질소 증발부의 압력 둥이며, 이들 측정인자들은 열, 수력학적 정상상태에 도달한 이후에 충분한 시간을 준 후 측정하였다. 본 실험에서는 두 유체간의 큰 온도차에 의해 상호 열교환이 빨리 진행되어, 약 1시간 ~ 2시간정도 경과한 후에 압력과 온도가 안정되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 방법으로 획득한 온도, 압력 그리고 유량은 에너지 평형식(Energy Balance Equation)올 이용하여 ±7% 범위롤 만족하는 실험자료만을 선별하여 열전달계수를 구하는데 사용하였다.
- 본 연구에서 제안한 열전달 상관식은 실험에서 수행한 내경 8, 15 卿의 경우를 포함하여 단일식으로 표현하였더】, Kumar et al. (1970)의 결과와는 둥가 레이놀즈수의 범위가 10, 000~100, 000에서, Mori et al. (1986)의 결과와는 둥가 레이놀즈수의 범위가 55,000~300, 000에서 잘 일치하였다. 그리고, 실험에서 구한 누셀트' 수와 본 상관식에서 구한 누셀트 수는 ±2。%의 오차를 가졌으며, Fig.
- 6은 와이어코일을 사용한 열전달촉진관에 대한 누셀트수를 나타낸 그림이다. 열전달촉진관에 대한 누셀트수는 둥가 레이놀즈수에 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 열전달에 대한 실험범위는 액체질소의 둥가 레이놀즈수가 10, 000~300, 000이며, 프란틀수는 2.
- 43 이다. 와이어코일올 이용한 열전달촉진관은 직경외 변화에 따른 큰 열전달 특성은 발견되지 않았으나, 평활관에 비해 177~200% 정도 열전달이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 와이어코일이 관 내부 벽면의 거칠기를 중가시켜 열경계층올 파괴하며, 또 관내에 선회유동(Swirl Flow)올 유발시켜 유체의 혼합효과를 증대시켜 상호간의 열교환을 촉진시켰기 때문이다.
- 그 결과, 열전달 촉진관에 대한 압력강하는 평활관보다 내경 8 Iml와 15 血!일 때 각각 약 100~300%, 약 50-100% 각각 높게 발생하였다. 중발열전달계수는 평활관인 경우, 단상유동에 대한 레이놀즈 수 대신 둥가 레이놀즈 수롤 사용하면 본 실험결과와 Dittus-Boelter식 의 예 측치 와 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다. 와이어코일을 삽입한 열전달촉진관은 평활관에 비해 170~200% 정도 열전달이 중가되 었다.
후속연구
- 특성 실험에 많이 사용된다. 따라서, LNG운반선의 LNG중발기에 사용되는 원통다관형 열교환기의 기초설계자료로 사용될 수 있으리라 판단된다. 또, 액체헬륨, 액체산소 등과 같은 여러 종류의 극저온유체에 본 연구결과를 적용시키기 위해서는 이들 유체에 대한 비교.
- 본 연구에서 제안한 열전달 상관식온 액체질소를 사용하는 열교환기의 설계에 기초자료로 유용하게 사용될 수 있으며, 특히 액체질소는 LNG와 열역학적 물성치가 유사하여 LNG에 대한 열전달 특성 실험에 많이 사용된다. 따라서, LNG운반선의 LNG중발기에 사용되는 원통다관형 열교환기의 기초설계자료로 사용될 수 있으리라 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.