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문제 정의
- 가열형상이 좁은 공간에 제한되지 않은 경우는 다양한 연구 결과가 발표되었다. Judd 등⑦은 핵 비등영역에서 과냉도가 비등열전달에 미치는 영향을 조사하였다. 그들은 이전의 결과들을 정리 하여 과냉도와 과열도 사이의 관계를 이론적으로 연구하였다.
- 강제대류 비등에 대한 기구는 풀비등과 서로 다 르며, (D 제한된 공간에 대한 비등은 제한되지 않은 경우와는 서로 다르다. 따라서, 본 연구는 하 부폐쇄 환상공간 내부의 과냉풀비등 열전달에 대해 연구함으로서 주요 열전달기구를 규명함과 아 울러 성능이 향상된 피동형열교환기를 설계하기 위한 실마리를 제안하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
제안 방법
- 외부 수조 바닥면으로부터 llOOmm 높이가 되 도록 수조 내부에 물을 채운 후 4개의 예열히터 를 작동하여 물을 가열하였다. 가열과정 중 물의 온도를 측정하였다. 물의 온도가 실험을 위한 과 냉도에 도달하였을 때 예열시편에 대한 전원공급 을 차단하고 가열시편을 작동하였다.
- 물의 온도가 실험을 위한 과 냉도에 도달하였을 때 예열시편에 대한 전원공급 을 차단하고 가열시편을 작동하였다. 가열시편에 공급되는 열유속을 변화시키면서 원하는 실험값을 측정하였다. 실험 수행 도중 내부 수온에 대한 과냉도 변화는 거의 없는 것을 확인하였다.
- 5는 수조 내부 액체의 과냉도 변화에 따른 열전달계수를 열유속과 틈새간격의 함수로 나타낸 것이다. 구속되지 않은 단일 튜브의 경우를 세 가지 틈새간격에 대한 결과와 서로 비교하였다. 동일 열유속에 대해 액체 과냉도가 감소하면 기포유동에 의한 액체교란 효과가 증가하므로 열 전달계수가 증가한다.
- 가열과정 중 물의 온도를 측정하였다. 물의 온도가 실험을 위한 과 냉도에 도달하였을 때 예열시편에 대한 전원공급 을 차단하고 가열시편을 작동하였다. 가열시편에 공급되는 열유속을 변화시키면서 원하는 실험값을 측정하였다.
- 정확한 온도 측 정을 위해 열전대의 끝 부분을 10mm 정도 직각 으로 굽힌 후 굽힌 부분을 튜브 표면에 청동으로 접합하였다. 수조 내부 몰온도를 측정하기 위하여 6개의 T-형식 열전대(직경 1.5mm)를 내부 수 조의 바닥면으로부터 상부방향으로 180mm 간격 으로 설치하였다. 모든 열전대는 물의 포화온도 에서 교정하였다.
- 열손실을 줄이기 위해 수조의 좌, 우, 그리고 뒷면은 50mm 두께의 유리섬유로 단열처리 하였다. 열교환 튜브는 Fig.
- 모든 열전대는 물의 포화온도 에서 교정하였다. 예열히터 및 가열시편에 공급 되는 전압 및 전류를 각각 측정하고 제어하기 위하여 전압 및 전류를 디지털 값으로 읽을 수 있는 3개의 채널로 구성된 두 대의 전력공급계를 사용하였다. 각 채널당 용량은 10kW이다.
- 1(c)에 나타낸 것과 같이 가는 강선으로 만들어진 고정구를 유 리관과 시편 사이공간에 끼워 넣어 지지하였다. 외부 수조 바닥면으로부터 llOOmm 높이가 되 도록 수조 내부에 물을 채운 후 4개의 예열히터 를 작동하여 물을 가열하였다. 가열과정 중 물의 온도를 측정하였다.
- 튜브 표면온도는 직경 L5mm인 5개의 T-형식 열전대를 사용하여 측정하였다. 정확한 온도 측 정을 위해 열전대의 끝 부분을 10mm 정도 직각 으로 굽힌 후 굽힌 부분을 튜브 표면에 청동으로 접합하였다. 수조 내부 몰온도를 측정하기 위하여 6개의 T-형식 열전대(직경 1.
- 튜브 표면에서 열전달계수의 변화가 가장 많이 발생하는 위치를 발견하기 위하여 시편 표면의 상(T/C 1), 중(T/C 3), 그리고 하(T/C 5) 세 군데 위치에서 계산한 열전달계수를 환상공간과 단일 튜브에 대하여 계산하고 그 비를 Fig. 7에 나타내었다. s=28.
- 풀 내부의 액체 과냉도가 대기압 조건하에 있는 물의 풀비등에 미치는 영향을 규명하기 위하여 세 가지 서로 다른 틈새간격(7.05, 18.15, 28.2 mm)을 가지는 하부폐쇄 환상공간에 대한 실험을 실시하고 그 결과를 단일튜브에 대한 결과와 서로 비교하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
- 이러한 경향은 하부영역에서는 외부 액체 유입의 영향을 거의 받지 않으므로 포화상태에 근접하는 조건을 유지하며, 열유속이 증가하거나 과냉도가 줄어들면 기포 유동에 의한 액체교란이 증가함에 따른 것이다. 환상공간 내부 액체의 평 균온도를 결정하기 위하여 Fig. 2에 나타낸 국소 온도를 산술적으로 평균하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. 수조[Fig. 1(a)]의 재질은 스테인리스강이며, 사각형 단면적 (950x1300mm)과 1400mm의 높이를 가지고 있다. 이 수조의 전면은 관찰 및 사진 촬영을 위해 유 리로 되어 있으며 가로X세로가 1000x1000mm이다.
- 열손실을 줄이기 위해 수조의 좌, 우, 그리고 뒷면은 50mm 두께의 유리섬유로 단열처리 하였다. 열교환 튜브는 Fig. 1(b)에 나타낸 것과 같은 전기저항히터(가열길이X직경 =540xl9.1mm)로서 모 사하였다. 히터의 표면은 버핑가공을 거쳐서 매 끈하게 가공하였으며, 220V의 교류 전원은 시편 의 하부를 통하여 공급하였다.
- 튜브 표면온도는 직경 L5mm인 5개의 T-형식 열전대를 사용하여 측정하였다. 정확한 온도 측 정을 위해 열전대의 끝 부분을 10mm 정도 직각 으로 굽힌 후 굽힌 부분을 튜브 표면에 청동으로 접합하였다.
- 환상공간 내부의 액체 온도를 측정하기 위하여 내부 가열튜브와 외부 유리관 사이의 틈새 공간 에 다섯 개의 열전대를 설치하였다. 열전대 설치 위치는 튜브 표면에 설치된 열전대의 위치와 동 일하게 하였다.
- 지대와 유리관 접합부를 실리콘으로 밀봉하였다. 환상공간을 구현하기 위하여 Table 2에 나타낸 것과 같이 세 개의 서로 다른 유리관을 사용하였다. 한편, 유리관과 가열 시편 사이에 균일한 간 격이 유지되도록 하기 위하여 Fig.
데이터처리
- 열전대 설치 위치는 튜브 표면에 설치된 열전대의 위치와 동 일하게 하였다. 측정된 온도는 불연속적인 유체 유입으로 인해 일정범위 내에서 요동하는 값을 가지므로 실험부에서 설명한 것과 같이 초기 일 정시간 동안 측정한 값을 시간 평균한 값을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 과냉도가 증가하면 열전달계수에 많은 변화를 초래한다. 단일튜브인 경우, 과냉도가 50笆에서 0P로 변하면, 열전달계수가 455% 증가한다.
- (2) 과냉도가 10~200일 때 환상공간 도입에 따른 열전달계수 증가가 뚜렷하게 관찰된다. 이러한 경향은 틈새간격이 작을수록 분명하게 나타나는 것을 알 수 있다.
- (3) s=7.05mm인 경우 과냉도가 감소하면 열전 달계수가 감소하는 경향을 보이며, 열유속이 클수록 높은 과냉도에서 이러한 현상이 발생한다.
- (4) 주요 열전달 기구는 단일튜브인 경우 단상 자연대류와 액체교란인 것에 비하여 환상공간의 경우에는 액체교란과 기포군집형성인 것을 확인 하였다.
- 하부유로가 폐쇄된 환상공간 내부에서 발생하는 풀비 등은 비정상상태(unsteady state)이므로 초기 3 초 동안의 비등현상을 나타내었다. 비록, 짧은 시간 동안은 비정상상태이지만 일정 시간 동안 관 찰하면 비등현상은 일정 주기를 가지며 반복적으 로 발생하는 것을 알 수 있었다. 액체가 포화상 태에 접근하면 기포덩어리의 형성 빈도는 점점 증가하게된다.
- 가열시편에 공급되는 열유속을 변화시키면서 원하는 실험값을 측정하였다. 실험 수행 도중 내부 수온에 대한 과냉도 변화는 거의 없는 것을 확인하였다. 실험이 완료되면 다른 과냉도 및 틈새간격에 대한 실험을 수행하였다.
- 기의 2배 이상의 값을 가지고 있다. 이러한 결과로부터 기포 유동이 열 전달에 미치는 영향은 튜브 위치에 따라 서로 다른 것을 알 수 있으며, 그 영향이 가장 강하게 나타나는 위치는 튜브 중심 부위인 T/C 3인 것을 알 수 있다.
- 환상공간의 경우, 전 과냉 도 영역에 걸쳐 단일튜브보다 높은 열전달계수를 가지는 것을 알 수 있다. 특히, 과냉도가 높은 영역에서 양자간의 차이가 크게 나타나며, 고열유 속 영역을 제외하면 틈새간격이 작을수록 그■ 차이가 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 액체교란의 영향에 의한 것이다.
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