[논문]평활관 및 와이어코일을 삽입한 열전달촉진관에서 액체질소의 흐름비등열전달 특성

황지상; 윤린; 김용찬; 정진택

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.8.927

문제 정의

또한, 극저온 유체의 특성상 관내 비등 시 막비등(film boiling) 이쉽게 발생하기 때문에 드라이아웃 이후의 관내 측 증발 열전달 특성을 규명하기 위해서도 연구가 꾸준히 진행되었다. 본 연구는 LNG 기화 설비에서 필요한 LNG의 관내측 흐름비등 열전달 성능을향상시키기' 위한 방안을 제시하기 위하여 진행되었다.
않았다. 본 연구에서는 평활관 및 와이어 코일 삽입관에 대하여 액체질소의 흐름비등 열전달 특성을 측정하였다. 실험결과를 바탕으로 관 내부에서 일정 건도 이후에 발생하는 액체질소의 드라이아웃 현상에 대해 고찰하였고, 질량 유속 및 열유속의 변화에 따른 증발열전달계수의 변화를 건도에 따라 나타냈다.

가설 설정

시험부 입출구에서의 엔탈피측정을 위해 작동유체는 각각 과냉액체와 과열 기체 상태로 유지하였다. 시험부를 진공 단열하여 외부 열유입을 최소화하였고, 전원공급장치로 시험 부를 직접 가열시키고 있으므로 열유속은 시험 부 길이방향(z)으로 일정한 양이 공급된다고 가정할 수 있다. 이 때 길이에 따라 일정하게 유입되는 열유속으로 인해 건도는 시험부 길이 z의 함수로 표현되며, 임의의 위치 z지점의 건도는 식 (4)와 같이 엔탈피를 포함한 열역학적 상태량으로나타낼 수 있다.

제안 방법

액체 질소의 증발열전달계수는 드라이아웃 이전과 이후를 기준으로 확연한 차이를 보였으며, 각각 기존의 증발열전달 상관식으로 잘 예측됨을 보였다. Fuller⑶의 경우 비틀림 테이프를 이용하여 액체질소의 증발열전달 실험을 수행하였다. Mori et aL("은 비틀림테이프와 와이어 코일을 액체질소와 LNG에 적용하여 성능을 측정하였으며, 와이어코일이 비틀림테이프보다 열전달 특성은 더 우수하고 압력강하는 작게 나타남을 밝힌 바 있다.
Umekawa 및 Ozawa©는 내경이 각각 3.0, 5.0mm인 관에서 액체질소의 증발열전달계수를 측정하였다. 액체 질소의 증발열전달계수는 드라이아웃 이전과 이후를 기준으로 확연한 차이를 보였으며, 각각 기존의 증발열전달 상관식으로 잘 예측됨을 보였다.
출구, 유량계 직전의 액체질소 온도와 시험부 다섯 군데에서 측정되는 관벽면 온도는 ±0.VC의 정밀도를 갖는 T형 열전대로 측정하였다. 관벽면 온도는 시험부를 균일하게 6등분한각 구간에서 관 중심을 기준으로 상하로 대칭된 두 지점에서 측정한 온도를 평균한 값을 취했다.
액체질소는 일반적으로 약 -196°C 이하의 온도(대기압 포화온도)에서 액체 상태로 유지되기 때문에 외부와의 불필요한 열교환을 차단하는■ 데 세심한 주의가 요구된다. 따라서 실험장치 전반에 걸쳐 폴리우레탄 재질의보냉용 특수 단열재를 관 직경의 약 20배 이상의 두께로 덮어서 관외부를 단열처리를 하였다. 특히 시험부는 외부 열유입으로 인한 실험 오차를 최소화하기 위해 Fig.
실험결과를 바탕으로 관 내부에서 일정 건도 이후에 발생하는 액체질소의 드라이아웃 현상에 대해 고찰하였고, 질량 유속 및 열유속의 변화에 따른 증발열전달계수의 변화를 건도에 따라 나타냈다. 또한 와이어코일의 피치와 두께를 바꾸어 가며 형상변화가 증발 열전달 계수에 미치는 영향을 고찰하였다.
시험부를 진공단열 처리했음에도 불구하고 이와 같은 외부 열유입이 존재하였으며, 이를 식 (3)에 나타낸. 바와 같이 시험부입출구에서 측정한 엔탈피(kJ/kg) 변화량을 이용하여 계산하였다. 시험부 입출구에서의 엔탈피측정을 위해 작동유체는 각각 과냉액체와 과열 기체 상태로 유지하였다.
본 연구에서는 작동유체로 액체질소를 사용하였고, 관 자체의 저항을 이용한 직접 가열방식을 적용하여 시험부에 열유속을 공급하였다. Fig.
본 연구에서는 평활관 및 와이어 코일 삽입관에 대하여 액체질소의 흐름비등 열전달 특성을 측정하였다. 실험결과를 바탕으로 관 내부에서 일정 건도 이후에 발생하는 액체질소의 드라이아웃 현상에 대해 고찰하였고, 질량 유속 및 열유속의 변화에 따른 증발열전달계수의 변화를 건도에 따라 나타냈다. 또한 와이어코일의 피치와 두께를 바꾸어 가며 형상변화가 증발 열전달 계수에 미치는 영향을 고찰하였다.
액체질소를 작동유체로 하여 평활관 및 와이어 코일을 삽입한 열전달촉진관에서 흐름비등 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
8 nun로 변화시킨 wire 2, 4, 5를 삽입한 후 열전달 계수를 측정하였다. 열유속은 약 32-34 kW/irf로고정하였고, 질량유속을 58.0, 70.6, 88.0, 그리고 104.9 kg/rSs로 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
와이어 '피치가 증발열전달계수에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 와이어 코일의 두께를 2.0 nun로 고정시키고, 피치를 각각 18.4, 27.6, 36.8 nun로 변화시킨 wire 2, 4, 5를 삽입한 후 열전달 계수를 측정하였다. 열유속은 약 32-34 kW/irf로고정하였고, 질량유속을 58.
와이어 두께가 증발열전달계수에 미치는 영향을 고찰하기 위해서 Table 1에 나타낸 바와 같이와이어 피치를 18.4 nun로 고정하고 두께를 각각 1.5, 2.0, 2.5 mm로 변화시킨 wire 1~3에 대해서 열전달계수를 측정하였다. 이 때 질량유속은 58.
실험장치는 크게 액체질소 공급부, 시험부, 열 공급부, 유량 측정부, 안전장치부, 실험자료획 득장치 로 구성 하였 다. 작동유체 는 저 장용기 에서 토출되어 스테인리스 강관 내부로 일정하게 흐르면서 시험부를 통과하도록 설계하였다. 액체질소가 시험부 및 배관 내부에서 기화하면서 압력이 급격히 상승하는 경우를 대비하여 안전밸브 (SV, safety valve)를 설치하였다.
13%의 오차율을 지닌 압력센서를 설치하였다. 작동유체의 체적유량은 로터미터(rotermeter) 를 이용하여 측정하였고, 로터미터 입구에서 작동 유체의 온도조건은 관외부에 히터를 감아 히터 열량의 조절을 통해 일정하게 유지시켰다. 로터미터 입구에는 기체 밀도를 계산하기 위한 압력계와 열전대를 각각 설치하였다.

대상 데이터

2와 같은 구조를 갖는 진공 단열 관으로 제작하였다. 시험부의 양 끝에는 시험 부에 열을 가하기 위한 전원공급장치가 연결되어 있어 시험부를 제외한 구간과의 절연을 위해 특수 절연용 배관장치 (dielectric fitting, Teflon union)를 사용하였다.
1 은 본 연구에 적용한 실험장치의 개략도를 나타낸다. 실험장치는 크게 액체질소 공급부, 시험부, 열 공급부, 유량 측정부, 안전장치부, 실험자료획 득장치 로 구성 하였 다. 작동유체 는 저 장용기 에서 토출되어 스테인리스 강관 내부로 일정하게 흐르면서 시험부를 통과하도록 설계하였다.
따라서 실험장치 전반에 걸쳐 폴리우레탄 재질의보냉용 특수 단열재를 관 직경의 약 20배 이상의 두께로 덮어서 관외부를 단열처리를 하였다. 특히 시험부는 외부 열유입으로 인한 실험 오차를 최소화하기 위해 Fig. 2와 같은 구조를 갖는 진공 단열 관으로 제작하였다. 시험부의 양 끝에는 시험 부에 열을 가하기 위한 전원공급장치가 연결되어 있어 시험부를 제외한 구간과의 절연을 위해 특수 절연용 배관장치 (dielectric fitting, Teflon union)를 사용하였다.
실험장치 전 구간에 걸쳐 측정하는 온도와 압력은 데이터로거 (data logger, FLUKE NetDAQ 2640A)를 사용하여 컴퓨터에 저장하였다. 평활관과 와이어코일을 포함한 열전달촉진관 시험부는 모두 길이(L) 1.65 m의 스테인리스(Stainless_AISI316) 튜브를 사용하였고, 본연구에 사용한 평활관과 와이어코일의 주요 치수 및 형상은 Table 1과 Fig. 3에 각각 나타내었다.

이론/모형

본 실험의 불확실도 해석은 Moffat@이 제시한 RSS(Root-Sum-Square) 방법을 따랐다. 로터미터의측정값과 작동유체의 밀도로부터 계산한 질량 유량의 불확실도는 평균 3.

성능/효과

(1) 평활관에서 액체질소의 흐름비등은 표면과 열도가 매우 크기 때문에 액막의 드라이아웃이 매우 낮은 건도에서 발생하였고, 액막의 드라이아웃 시점을 기준으로 이상유동현상은 크게 달라진다. 드라이아웃 이전에는 관 표면에 액막이 존재하여 증발열전달계수가 비교적 높게 유지되지만, 드라이아웃 이후에는 분산유동 비등(dispersed flow film boiling)현상이 나타나며, 열전달 계수가 크게 감소하게 된다.
(2) 와이어코일을 삽입한 열전달촉진관의 경우 질량 유속과 와이어코일의 형상에 따라 각기 다른 열전달 계수의 향상정도를 나타낸다. 와이어 코일의 두께가 두꺼울수록 피치가 짧을수록 열전달 향상 효과가 뚜렷하였으며, 향상정도가 가장 큰 wire 3의 경우 평활관의 열전달계수와 비교하여 평균 123.
Figs. 8과 9를 통해 고찰할 수 있는 특징은 와이어 코일을 삽입한 전열촉진관의 열전달 상승 폭이고 건도 영역보다 저건도 범위에서 크다는 것이다. 이는 본 실험 질량유속 조건에서는 와이어 코일을 삽입함으로써 발생하는 유체의 선회유동이 액막의전체적인 드라이아웃이 쉽게 발생하는 고건도 영역보다 시험부 하부에 안정적으로 액막이 유지되는 저건도 영역에서 큰 효과가 있음을 의미한다.
Fig. 9에 나타낸 바와 같이 와이어코일 촉진 관의 평활관 대비 열전달 향상 정도는 와이어 코일의 피치가 작을수록 우수하게 나타났다. 이는 와이어 코일의 피치가 짧을수록 선회유동에 의한 열전달 향상 효과가 우수하다는 것을 의미한다.
각 질량유속에 대한 각 와이어 코일의 평활관 대비 열전달 증가율은 Table 2에 나타내었다. 가장 우수한 열전달 촉진 성능을 나타낸 wire 3 삽입관의 경우 각 질량유속 구간에서 평활관 대비 평균 66.6%에서 173.9%의 열전달증가율을 보였다.
방법을 따랐다. 로터미터의측정값과 작동유체의 밀도로부터 계산한 질량 유량의 불확실도는 평균 3.0%이다. 열전달 계수의 불확실 도는 식 (1)을 이용하여 계산하였고, 평활관 및 와이어코일 촉진관 모두 평균 6.
4는 수평유동에서 Steiner°)가 개발한 유동 양식 상관식에 본 연구에 서 적 용한 작동유체 와 실험조건을 사용하여 나타낸 유동양식 선도이다. 본 실험의 질량유속은 58 蛔血七에서 105 kg/m2s 범위에 있으므로 증발과정 전 건도에 걸쳐 성층류 (stratified flow) 나 성증파형류(stratified waveflow)가 유지될 것으로 판단된다. 이와 같은 유동 양식은 각 질량유속에 대해서 시험부 5개 구간에서 관벽면 상하 온도를 측정하여 나타낸 Fig.
0mm인 관에서 액체질소의 증발열전달계수를 측정하였다. 액체 질소의 증발열전달계수는 드라이아웃 이전과 이후를 기준으로 확연한 차이를 보였으며, 각각 기존의 증발열전달 상관식으로 잘 예측됨을 보였다. Fuller⑶의 경우 비틀림 테이프를 이용하여 액체질소의 증발열전달 실험을 수행하였다.
향상정도를 나타낸다. 와이어 코일의 두께가 두꺼울수록 피치가 짧을수록 열전달 향상 효과가 뚜렷하였으며, 향상정도가 가장 큰 wire 3의 경우 평활관의 열전달계수와 비교하여 평균 123.9%, 최대 173.9%의 열전달계수 증가율을 나타냈다.
8과 9를 통해 고찰할 수 있는 특징은 와이어 코일을 삽입한 전열촉진관의 열전달 상승 폭이고 건도 영역보다 저건도 범위에서 크다는 것이다. 이는 본 실험 질량유속 조건에서는 와이어 코일을 삽입함으로써 발생하는 유체의 선회유동이 액막의전체적인 드라이아웃이 쉽게 발생하는 고건도 영역보다 시험부 하부에 안정적으로 액막이 유지되는 저건도 영역에서 큰 효과가 있음을 의미한다. 즉, 관내 하부에 위치한 액상을 선회유동을 통해 관 상부까지 이동시켜 액막의 관내 표면접촉 면적을 보다 증가시켰을 것으로 판단된다.

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