[논문]이력현상이 물의 풀비등에 미치는 영향

강명기

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.8.1037

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 매끈한 표면을 갖는 열 교환기 튜브를 구성하는 여러 가지 매개변수(외 경, 형상, 길이, 표면 상태, 설치 방향)와 물의 조합에 대한 풀비 등 열전달 시 발생하는 이력현상에 대하여 실험적으로 살펴보려고 한다. 이러한 연구를 통하여, 이들 매개변수들이 미치는 영향과 전 반적인 경향을 파악하는데 일차적인 목적이 있으며 나아가 이들 자료를 활용하여 보다 최적화된 열교환기 설계를 위한 자료를 확보하는 것에 최종적인 목적이 있다.
이러한 연구를 통하여, 이들 매개변수들이 미치는 영향과 전 반적인 경향을 파악하는데 일차적인 목적이 있으며 나아가 이들 자료를 활용하여 보다 최적화된 열교환기 설계를 위한 자료를 확보하는 것에 최종적인 목적이 있다. 부가적으로, 이러한 목적 달성을 위한 한 가지 방편으로 튜브에 대한 실험 결과를 이용하여 열 유속의 증가와 감소에 대한 실험적 상관 식을 수평 및 수직 구조에 대해 새롭게 제시함으로서 보다 정확한 열전달 계수와 경향올 예측하는데 활용할 수 있도록 하였다.
따라서, 본 연구에서는 매끈한 표면을 갖는 열 교환기 튜브를 구성하는 여러 가지 매개변수(외 경, 형상, 길이, 표면 상태, 설치 방향)와 물의 조합에 대한 풀비 등 열전달 시 발생하는 이력현상에 대하여 실험적으로 살펴보려고 한다. 이러한 연구를 통하여, 이들 매개변수들이 미치는 영향과 전 반적인 경향을 파악하는데 일차적인 목적이 있으며 나아가 이들 자료를 활용하여 보다 최적화된 열교환기 설계를 위한 자료를 확보하는 것에 최종적인 목적이 있다. 부가적으로, 이러한 목적 달성을 위한 한 가지 방편으로 튜브에 대한 실험 결과를 이용하여 열 유속의 증가와 감소에 대한 실험적 상관 식을 수평 및 수직 구조에 대해 새롭게 제시함으로서 보다 정확한 열전달 계수와 경향올 예측하는데 활용할 수 있도록 하였다.

제안 방법

Table 2에 나와 있는 조합에 의해 실험한 결과 얻어진 값 중 표면 거칠기에 대한 값이 나와 있는 튜브 구조를 이용하여 수평 및 수직 구조에 대한 실험적 상관 식(empirical correlation)을 개발하였다. 상관식 개발에는 모두 1, 966개의 실험값이 사용되었으며, 수평 구조에 대한 것은 1, 076 개(열유속 증가: 594, 열유속 감소: 482)이며, 수직구조에 대한 것은 890개(열 유속 증가: 463, 열 유속 감소: 427)이다.
포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열 유속을 변화시키면서 시편의 온도를 측정하였다. 모든 온도는 표면 온도가 정상 상태에 도달하였을 때 (시편에 따라 3~10분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다. 보다 정밀한 온도의 산출을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열 유속에 대한 온도로서 결정하였다.
세 번째 방법은 열간 압연한 것을 사용하는 것으로 평판형 시편에 적용하였다. 물의 영향을 살펴보기 위하여 일반적으로 실험에서 많이 사용되는 증 류수와 실제 현장에서의 사용 조건과 유사할 것으로 생각되는 비등수를 사용하였다. 특히, 비등수는 수조 내부에 일정 높이로 물을 채운 후 물에 포함되어 있는 공기 등을 제거하기 위하여 100 t 포화상태에서 약 30분간 가열한 후 실험에 사용하였다.
모든 온도는 표면 온도가 정상 상태에 도달하였을 때 (시편에 따라 3~10분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다. 보다 정밀한 온도의 산출을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열 유속에 대한 온도로서 결정하였다. 하나의 시편에 대한 전 열 유속 범위에서의 실험이 끝나면 시편을 교환하여 동일한 과정을 거쳐서 실험을 수행하였으며, 이러한 전 실험 과정은 실험값 재현성을 확인하기 위하여 적어도 2~3회 반복 실험을 수행하였다.
5 mm인 K- 형식 열전대(수조 1의 경우)와 T-형식 열전대(수조 2와 3의 경우)를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 등간격으로 접합하였다. 수조 내부 물의 온도 는 수조 내부 높이에 따라 설치한 열전대로서 측정하였다.
보다 정확성을 기하기 위하여 실험에 대한 시편 제작 및 측정, 그리고 주변 환경에 따른 오차를 검토하였다. 표면 거칠기에 대하여 발생하는 오차범위 는 ±5.
세 번째 방법은 열간 압연한 것을 사용하는 것으로 평판형 시편에 적용하였다. 물의 영향을 살펴보기 위하여 일반적으로 실험에서 많이 사용되는 증 류수와 실제 현장에서의 사용 조건과 유사할 것으로 생각되는 비등수를 사용하였다.
보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 등간격으로 접합하였다. 수조 내부 물의 온도 는 수조 내부 높이에 따라 설치한 열전대로서 측정하였다. 튜브와 수조 1의 내부에 설치한 열전
수조는 부식을 방지하기 위해 스테인리스강으로 제작되었으며, 다양한 조건에 대한 실험값을 획득하기 위해 서로 크기가 다른 세 개의 수조를 사용하였다. 수조들에 대한 주요 치수는 Table 1에 나타낸 것과 같으며, 수조의 전면에는 사진촬 영과 비등 현상 관찰을 위하여 강화유리를 설치하였다. 열교환용 시편은 스테인리스강 재질의 튜브와 평판을 사용하였으며, 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착하고 전기적인 절연을 한 후 사용하였다.
스테인리스강 재질로 된 여러 가지 다양한 시편과 물의 조합을 사용하여 풀비 등 열전달 시 발생하는 이력현상에 대하여 실험적인 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 내렸다.
실험과정은, 대기압 상태 하에 있는 수조 내부에 물을 채운 후 예열히터를 이용하여 포화상태까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열 유속을 변화시키면서 시편의 온도를 측정하였다.
열교환용 시편은 스테인리스강 재질의 튜브와 평판을 사용하였으며, 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착하고 전기적인 절연을 한 후 사용하였다. 튜브 표면의 온도를 측정하기 위하여 3~5개의 지름이 1.5 mm인 K- 형식 열전대(수조 1의 경우)와 T-형식 열전대(수조 2와 3의 경우)를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 등간격으로 접합하였다.
8은 평 판에 대한 이력현상을 나타내고 있다. 평판은 이력현상 효과를 보다 분명 하게 나타낼 수 있도록 열간압연한 거친 표면을 사용하였으며, 열 유속은 튜브 구조의 1.5~3 배 정도 값인 230 kW/m2 정도까지 올려 실험을 수행하였다. 그림을 살펴보면 이력현상이 어느 정도 분명하게 나타나고 있음을 알 수 있는데, 그 현상은 수평 구조에서보다 잘 관찰되고 있다.
실험과정은, 대기압 상태 하에 있는 수조 내부에 물을 채운 후 예열히터를 이용하여 포화상태까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열 유속을 변화시키면서 시편의 온도를 측정하였다. 모든 온도는 표면 온도가 정상 상태에 도달하였을 때 (시편에 따라 3~10분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다.
보다 정밀한 온도의 산출을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열 유속에 대한 온도로서 결정하였다. 하나의 시편에 대한 전 열 유속 범위에서의 실험이 끝나면 시편을 교환하여 동일한 과정을 거쳐서 실험을 수행하였으며, 이러한 전 실험 과정은 실험값 재현성을 확인하기 위하여 적어도 2~3회 반복 실험을 수행하였다.

대상 데이터

실험 장치는 수조, 열교환 시편, 물 및 동력공급설비, 그리고 시편 표면과 물 온도를 측정하고 분석하는 설비로서 구성되어 있다. 수조는 부식을 방지하기 위해 스테인리스강으로 제작되었으며, 다양한 조건에 대한 실험값을 획득하기 위해 서로 크기가 다른 세 개의 수조를 사용하였다. 수조들에 대한 주요 치수는 Table 1에 나타낸 것과 같으며, 수조의 전면에는 사진촬 영과 비등 현상 관찰을 위하여 강화유리를 설치하였다.
1과 같다. 실험 장치는 수조, 열교환 시편, 물 및 동력공급설비, 그리고 시편 표면과 물 온도를 측정하고 분석하는 설비로서 구성되어 있다. 수조는 부식을 방지하기 위해 스테인리스강으로 제작되었으며, 다양한 조건에 대한 실험값을 획득하기 위해 서로 크기가 다른 세 개의 수조를 사용하였다.
수조들에 대한 주요 치수는 Table 1에 나타낸 것과 같으며, 수조의 전면에는 사진촬 영과 비등 현상 관찰을 위하여 강화유리를 설치하였다. 열교환용 시편은 스테인리스강 재질의 튜브와 평판을 사용하였으며, 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착하고 전기적인 절연을 한 후 사용하였다. 튜브 표면의 온도를 측정하기 위하여 3~5개의 지름이 1.

데이터처리

상관식 개발에는 모두 1, 966개의 실험값이 사용되었으며, 수평 구조에 대한 것은 1, 076 개(열유속 증가: 594, 열유속 감소: 482)이며, 수직구조에 대한 것은 890개(열 유속 증가: 463, 열 유속 감소: 427)이다. 상관식 개발을 위하여 통계처리프로그램(SAS, statistical analysis system)을 사용하여 지수와 상수를 결정한바, 다음과 같은 식을 얻었다. 주요 변수인 D, £, a T, 그리고 q에 대한 단위는 각각 mm, nm, K, 그리고 kW/n「이다.

성능/효과

(1) 열 유속 증가와 감소에 따른 뚜렷한 이력현상은 관찰되지 않았지만 매개변수에 따른 경향성은 살펴볼 수 있었다.
(2) 이력현상은 주변 기포의 영향을 상대적으로 적게 받는 수평 튜브의 경우보다 분명하게 나타나고 있으며, 튜브 과열 도가 증가하면 열 유속을 감소하는 경우가 열 유속을 증가하는 경우보다 큰 열전달 계수를 갖는 것을 확인하였다.
(3) 튜브 과열 도가 낮아지면 열 유속이 감소하는 경우가 열 유속을 증가하는 경우보다 낮은 열전달 계수를 갖는 것을 확인하였다.
(4) 열 유속을 증가하는 경우, 표면을 잘 적시는 액체와 아주 거친 표면의 경우 핵 비등 시작점 부근에서 관찰되곤 하는 표면과 열도의 갑작스러운 변동은 관찰되지 않았다.
65 mm의 스테인레스강 튜브와 R-113의 조합에 대해 초음파 교란의 영향을 살펴보았는데, 이력현상이 나타남을 알 수 있다. Maracy 와 Winterton的은 천이비등 영역에서 열유 속을 감소할 때가 열 유속을 증가할 때보다 열전 달 계수가 감소하는 결과를 발표했다.
기존의 연구들을 종합해보면, 이력현상은 가열 면과 액체의 조합에 따라 달라지며 동일 재질의 가열 면인 경우라도 형상에 따라 변화할 수 있음을 알 수 있다. 천이 영역을 제외한 나머지 결과들에서 공통적으로 나타나는 경향은 핵 비등이 시작되는 순간 과열도( △:「= T甲- 7厲 )의 급감현상으 로 나타나며 이것은 비등 초기에 기포가 생성되기 어려움에 따른 것으로 해석되고 있다.
6 에 나타내었다. 두 가지 경우 모두 뚜렷한 이력현상은 관찰되지 않았지만 튜브 과열 도가 높은 영역에서는 열 유속이 증가하는 경우와 감소하는 경우에 대한 실험값이 약간 차이가 나고 있음을 알 수 있다.
7% 오차범위를 가진다. 두 값을 이용하여 비등 열전달 계수에 대한 불확실성을 분석하면 열 유속이 170 kW/m2일 때 최대 ±17% 의 오차범위를 가진다.

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