[논문]튜브 직경이 풀핵비등 열전달에 미치는 영향

강명기

doi:10.22634/ksme-b.2000.24.7.930

튜브 직경이 풀핵비등 열전달에 미치는 영향
Effects of Tube Diameter on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.24 no.7 = no.178, 2000년, pp.930 - 937

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A series of data sets for the heat transfer coefficient versus wall superheat has been obtained experimentally using various combinations of tube diameters ($9.7{\sim}25.5mm$), surface roughness ($15.1{\sim}60.9nm$), and tube orientations (horizontal and vertical) to obtain effects of tube diameters on nucleate pool boiling heat transfer for the saturated water at atmospheric pressure. In addition, the results are compared with the well known Cornwell and Houston's correlation for horizontal tubes to identify the deviation of the present experimental data from the correlation and the applicability of it to vertical tubes. The experimental results show that the heat transfer coefficient decreases as the tube diameter increases for both horizontal and vertical tubes and they are in good agreement with the Cornwell and Houston's correlation within ${\pm}20%$ scatter range.

주제어

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문제 정의

특히, 튜브 표면거칠기와 설치 방향 등과 관련하여 튜브 직경이 풀핵비등열전달에 미치는 영향을 상세하게 살펴보고 주요 결과들간의 비교를 통해 적용성을 평가하는 것이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 (1) 기존에 Chun 과 Kang°)이 개요적으로 발표한 튜브 직경과 비등열전달 사이의 관계를 수평 및 수직구조 각각에 대해 보다 상세하게 분석함으로서 기존의 연구결과를 보완하고, (2) 수평吁 조에 대한 실험값을 이용하여 개발된 Cornwell 과 Houston©의 상관식을 수평 및 수직 구조에 대한 실험결과와 상호 비교함으로서 그 적용성을 평가하고 수직구조까지 그 적용범위를 확장하는 것을 주요목적으로 설정하였다. 이렇게 함으로서 보다 정확한 열교환기 설계 및 분석에 일조 할 수 있을 것으로 생각한다.
수직 튜브 길이와 비동열전달계 수 사이의 관계는 Kang, 그의 논문에서 비교적 상세하게 설명되고 있으며, 결과에 의하면 비등열전달계수(如)와 튜브 길이에 대한 무차원수 L/D) 사이에는 加产1/丑°02의 관계가 있는 것으로 나타나고 있다. 따라서, 수직으로 설치한 튜브의 열전달 특성에 가장 많은 영향을 줄것으로 생각되는 튜브 길이의 영향을 번저 보정한 다음 튜브 직경 변화에 따른 열전달 특성올 살펴보는 것이 .적절할 것으로 생각되므로 우선 Kang")의 결과에 준해 전체 튜브를 동일한 H 를 갖는 조건으로 변경한 후, 실험값들을 서로 비교하는 방식을 채택하였다.

제안 방법

따라서, 수직으로 설치한 튜브의 열전달 특성에 가장 많은 영향을 줄것으로 생각되는 튜브 길이의 영향을 번저 보정한 다음 튜브 직경 변화에 따른 열전달 특성올 살펴보는 것이 .적절할 것으로 생각되므로 우선 Kang")의 결과에 준해 전체 튜브를 동일한 H 를 갖는 조건으로 변경한 후, 실험값들을 서로 비교하는 방식을 채택하였다. Fig.
대기압 조건하에 있는 포화수조 내부에 수평으로 설치한 튜브 표면에서의 핵비등열전달계수를 결정하기 위한 실험을 수행하였으며, 21 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig.
제거하기 위하여 100 ℃ 포화상태에서 약30 분간 가열하였다. 수조 내부가 포화온도에 이르면 열유속을 변화시키면서 열유속 변화에 따른 튜브 온도를 측정하였다. 하나의 열유속에 대한측정이 끝나면 열유속을 변경하여 온도 측정 실험을 계속하였다.
3을 이용하여 수성한 열전달계수를 사용하였다, 서론에서 언급한 바와 같이 Comwell과 Hgstor料이 개부!후卜 상관식은 수평구조에 대한 것이며, 수식구조에 대해서는 아직까지 S7. 적용성이 검증된 넌} 없으므로 본 언구에서는 일차적으로 수평튜브 구조에 대해 상관식과 실험값을 서로 비교한 후, 수직튜브 구조에 대해 양자를 서로 비교해 뽐으로서 그 적용성을 평가하였다. Fig.
튜브 직경이 핵비등열전달계수에 미치는 영향을 규명하고, 수평孑조에 대해 개발된 Comwell 과 Houston 상관식을 수식구조에 적용시 그 타당성을 검증하기 위하여 튜브외경 刀=9.7~254 mm, 튜브 길이£=300_~530.5 mm, 표면K칲기e=15.1~60.9 nm 범위 내에서 실험 및 분석을 수행하였9며, 본연■구를 통하여 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.
수조 내부가 포화온도에 이르면 열유속을 변화시키면서 열유속 변화에 따른 튜브 온도를 측정하였다. 하나의 열유속에 대한측정이 끝나면 열유속을 변경하여 온도 측정 실험을 계속하였다.

대상 데이터

수조는 스테인리스강으로 제작하였으며, 가로X 세로X 높이가 790X 860X 1000 mm의 크기를 가진다. 열교환기 튜브를 모사하기 위하여 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착한 스테인리스강 튜브를 사용하였으며, 튜브 표면의 온도를 측정하기 위하여 3~5개의 지름이 L5 mm 인 K-형식 열전대를 튜브 표면에 설치하였다.
실험장치는 수조, 열교환기 모사용 튜브, 물 및 동력공급설비, 그리고 튜브 표면과 물의 온도를 측정하고 분석하는 설비로서 구성되어 있다. 수조는 스테인리스강으로 제작하였으며, 가로X 세로X 높이가 790X 860X 1000 mm의 크기를 가진다.
수조는 스테인리스강으로 제작하였으며, 가로X 세로X 높이가 790X 860X 1000 mm의 크기를 가진다. 열교환기 튜브를 모사하기 위하여 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착한 스테인리스강 튜브를 사용하였으며, 튜브 표면의 온도를 측정하기 위하여 3~5개의 지름이 L5 mm 인 K-형식 열전대를 튜브 표면에 설치하였다.

이론/모형

성능/효과

비록, Chongrungreong 고} Sauer(1)가냉매를 사용하여 실험한 결과를 이용하여 무차원변수로서 조합한 상관식이 Comwell 등의 결과에 선행하여 발표되었지만, 그 연구의 주 목적이 듀브 직경의 효과를 보기 위한 것이 아니었기 때문에 Comwell 동")의 연구결과를 튜브 직경 효과를 규명하기 위한 최초의 시도로 인성하는 것이 적절할 것이다. Comwell과 Houstor陳은 Comwell 등이 제시한 상관식을 개선한 새로운 상관식을 발표하였으며, 그 적용 범위를 확장하였다.
(1) 듀브 지경 중가는 수평 및 수직구조 모두에서 핵비둥얼전덜계수의 감소를 초래하며, 그 영향 성도는 수식구조이변서 표변이 거친 경우에가장 부명하게 나타난다,
(2) 수평 및 수직구조에 대해 얻어진 실험값은 Comwell과 Houston의 상관식과 ± 20% 범위 내에서 잘 일치하고 있다.
(3) 본 실험에서 사용한 주요 매개변수의 범위내에서는 CornwEl과 Houston의 상관시을 수식구조에 확장하여 적용하여도 수용 가능한 오차범위내에 들어오는 것을 확인하였다.
4 K 정도의 차이가 있음을알 수 있다. 따라서, 거친 표면의 경우 튜브 직경이 9.7 mm에서 25.4 mtn로 162% 증가하면 튜브 표면과열도는 5.8 K에서 9.2 K로 59% 증가하여 동일조건의 수평튜브보다 15% 정도 더 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 튜브 외경이 증가할 때 튜브 표면에서의 비등열전달계수의 변화를 살펴보면 거친표변이고 튜브 과열도가 6.
73)와 7(b)에 나타낸 것과 같이 측정값과 계산값은 ±20% 범위 내에서 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 양자간의 차이를 계산한 값에 대한 표준편차는 수평구조에서 0.85, 수지구조에서 0, 93율 나타내 수평吁조에서 보다 잘 맞고 있지만 수지구조에서도 대체적으로 실험값과 잘 일치하고 있는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (10)

Corletti M. M. and Hochreiter L. E., 1991, 'Advanced Light Water Reactor Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger Test,' Proc. of the 1st JSME/ASME Joint International Conference on Nuclear Engineering, Tokyo, Japan, pp. 381-387
Kang M. G., 1998, 'Experimental Investigation of Tube Length Effect On Nucleate Pool Boiling Heat Transfer,' Annals of Nuclear Energy, Vol. 25, No. 4-5, pp. 295-304

상세보기
Chun M. H. and Kang M. G., 1998, 'Effects of Heat Exchanger Tube Parameters on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer,' Trans. ASME, J. of Heat Transfer, Vol. 120, pp. 468-476

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Cornwell K., Schuller R. B., and Einarsson J. G., 1982, 'The Influence of Diameter on Nucleate Boiling Outside Tubes,' Proceedings of The Seventh International Heat Transfer Conference, Munchen, Germany, Vol. 4, pp. 47-53-
Chongrungreong S. and Sauer, Jr. H. J., 1980, 'Nucleate Boiling Performance of Refrigerants and Refrigerant-Oil Mixtures,' Trans. ASME, J. of Heat Transfer, Vol. 102, pp. 701-705
Cornwell K. and Houston S. D., 1994, 'Nucleate Pool Boiling on Horizontal Tubes: a Convection-Based Correlation,' Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 37, Suppl. 1, pp. 303-309

상세보기
van Stralen S. J. D. and W. M. Sluyter, 1969, 'Investigations on the Critical Heat Flux of Pure Liquids and Mixtures under Various Conditions,' Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 12, pp. 1353-1384

상세보기
Hahne E. and Feurstein G., 1977, 'Heat Transfer in Pool Boiling in the Thermodynamic Critical Region: Effect of Pressure and Geometry,' In Heat Transfer in Boiling (Edited by Hahne E. and Grigull U.), Chap. 8, pp. 159-206
강명기, 2000, '튜브설치방향이 풀비등열전달에 미치는 영향,' 대한기계학회논문집 B권, 제24권 제1호, pp. 143-151

원문보기 상세보기
Gupta A., Saini J. S., and Varma H. K., 1995, 'Boiling Heat Transfer in Small Horizontal Tube Bundles at Low Cross-Flow Velocities,' Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 38, No. 4, pp. 599-605

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