[논문]경사각이 좁은 틈새를 가지는 환상공간 내부 풀비등 열전달에 미치는 영향

강명기

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.3.237

경사각이 좁은 틈새를 가지는 환상공간 내부 풀비등 열전달에 미치는 영향
Effect of Orientation on Pool Boiling Heat Transfer in Annulus with Small Gap 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.3 = no.306, 2011년, pp.237 - 244

초록
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경사각이 대기압하의 포화상태인 물의 풀비등에 미치는 영향을 조사하기 위해 실험을 통한 연구를 수행하였다. 연구를 위하여 5mm의 틈새간격을 가지는 하부유로개폐 상태인 환상공간을 고려하였다. 환상공간의 내부에 설치된 튜브를 가열하였으며 튜브의 직경과 길이는 각각 25.4mm와 500mm이다. 경사각은 수평부터 수직까지 변경하였다. 본 실험의 결과를 틈새간격이 더 큰 환상공간 및 단일튜브에 대한 결과와 서로 비교하였다. 작은 틈새간격을 가지는 환상공간의 경우 경사각이 열전달에 미치는 영향은 그다지 크지 않음을 확인하였다. 그러나 환상공간이 수평상태인 경우 80kW/$m^2$에서 임계열유속이 관찰되었다. 액체 교란의 정도와 기포군집형성이 환상공간 내부 풀비등의 주된 열전달 기구로 이해된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was carried out to investigate the effect of the inclination angle on the nucleate pool boiling of saturated water at atmospheric pressure. We considered an annulus with a gap of 5 mm and a bottom opening. The inner tube of the annulus was heated, and the outer diameter and the length of the tube were 25.4 mm and 500 mm, respectively. The inclination angle was varied from horizontal to vertical. The results were compared to those for an annulus with a larger gap and a single tube. In the small-gap annulus, the effect of the inclination angle on the heat transfer was not significant. However, an early onset of the critical heat flux was observed at 80 kW/$m^2$ when the annulus was horizontal. Liquid agitation and bubble coalescence were considered to be the major heat-transfer mechanisms.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 환상공간의 경우 경사각이 풀비등에 미치는 영향은 틈새간격에 크게 의존한다는 것을 짐작할 수 있다. 본 연구에서는더 좁은 틈새간격을 가지는 환상공간에 대한 연구를 수행함으로서 환상공간에 대한 이전의 연구를 개선함과 아울러 환상공간에서 경사각과 틈새간격이 풀비등에 미치는 영향을 상세하게 규명해보려고 하며, 그 결과는 풀비등을 수반하는 환상공간 열설계시 활용 될 수 있을 것이다.

제안 방법

및 본 연구를 통하여 열유속 대비 과열도에 대한 모두 209개의 데이터를 다양한 틈새간격과 경사각을 고려하여 선정하였으며, 그내역은 Table 1과 같다. 경사각이 열전달계수에 미치는 영향을 평가하기 위하여 간단한 실험식을 제안하였다. 상관식 개발을 위하여 Table 1에 나타낸 실험값과 회귀분석(regression) 기법으로 최소자승법을 이용한 통계프로그램을 사용하였으며, 그 결과로 얻어진 식은 다음과 같다.
1(a)]를 사용하였다. 균일한 온도 유지를 위하여 2중벽 구조로 구성하였다. 안쪽과 바깥쪽 수조 사이의 공간에 용량이 5kW인 예열용 시편 4개를 설치하였다.
보다 정밀한 표면 온도측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 등 간격으로 접합하였다. 물 온도는 표면에 등 간격으로 열전대를 접합한 튜브를 수조 구석에 수직으로 세워 측정하였다.
포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 시편 온도를 측정했다. 보다 정밀한 온도의 산출을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열유속에 대한 온도로 결정하였다. 하나의 각도에 대한 실험이 끝나면 시편의 각도를 변경하여 실험을 수행하였다.
튜브표면의 온도를 측정하기 위하여 5개의 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 등 간격으로 접합하였다. 물 온도는 표면에 등 간격으로 열전대를 접합한 튜브를 수조 구석에 수직으로 세워 측정하였다.
4와같다. 본 실험의 결과를 틈새간격이 15mm인 환상공간⁽²³⁾과 환상공간이 없는 단일튜브인 경우⁽¹¹⁾에 대한 결과와 서로 비교하였다. 환상공간의 경우 가열면으로부터 이탈한 기포는 틈새 공간을따라 환상공간의 바깥으로 이동하게 되며, 이 때기포 군집 형성과 강한 액체교란 효과를 유발하게 된다.
시편에 전달되는 열전달량을 조절/측정하기 위하여 공급되는 전압(V )과 전류(I)가 숫자로서 표시되는 출력 조절장치를 제작하여 사용하였다. 한편, 시편[Fig.
실험과정에 대하여 간단하게 살펴보면, 대기압상태 하에 있는 수조 내부에 일정 높이(1100mm)로 물을 채운 후 예열히터를 이용하여 포화상태(100℃)까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 시편 온도를 측정했다.
실험과정에 대하여 간단하게 살펴보면, 대기압상태 하에 있는 수조 내부에 일정 높이(1100mm)로 물을 채운 후 예열히터를 이용하여 포화상태(100℃)까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 시편 온도를 측정했다. 보다 정밀한 온도의 산출을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열유속에 대한 온도로 결정하였다.
하부유로가 개방된 환상공간의 경사각과 틈새간격이 대기압 하에 놓여있는 포화상태인 물의풀비등에 미치는 영향을 조사하기 위해 s=5mm인 환상공간에 대한 실험을 수행하고 그 결과를기존의 연구 결과들과 서로 비교하면서 분석하였다. 환상공간의 내부에 설치된 스테인리스강 재질의 매끈한 튜브를 가열하였으며 튜브의 직경과길이는 각각 25.

대상 데이터

환상공간을 구현하기 위하여Fig. 1(b)와 같이 내경 및 길이가 각각 35.4mm와 600mm인 유리관을 사용하였다.
기존 연구^(22,23)및 본 연구를 통하여 열유속 대비 과열도에 대한 모두 209개의 데이터를 다양한 틈새간격과 경사각을 고려하여 선정하였으며, 그내역은 Table 1과 같다. 경사각이 열전달계수에 미치는 영향을 평가하기 위하여 간단한 실험식을 제안하였다.
실험을 위해 가로×세로×높이(내부길이)가 각각 1300×950×1400mm인 대형수조[Fig. 1(a)]를 사용하였다.
균일한 온도 유지를 위하여 2중벽 구조로 구성하였다. 안쪽과 바깥쪽 수조 사이의 공간에 용량이 5kW인 예열용 시편 4개를 설치하였다. 시편 설치와 각도 조절은 별도로 지지대를만들어 사용하였으며, 시편에 대한 경사각은 수평으로부터 측정한 값을 나타낸다.
튜브 표면과 수조 내부 물의 온도는 T-형식(지름=1.5mm)열전대를 사용하여 측정하였다. 튜브표면의 온도를 측정하기 위하여 5개의 열전대를 가열 표면에 설치하였다.
5mm)열전대를 사용하여 측정하였다. 튜브표면의 온도를 측정하기 위하여 5개의 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 등 간격으로 접합하였다.
하부유로가 개방된 환상공간의 경사각과 틈새간격이 대기압 하에 놓여있는 포화상태인 물의풀비등에 미치는 영향을 조사하기 위해 s=5mm인 환상공간에 대한 실험을 수행하고 그 결과를기존의 연구 결과들과 서로 비교하면서 분석하였다. 환상공간의 내부에 설치된 스테인리스강 재질의 매끈한 튜브를 가열하였으며 튜브의 직경과길이는 각각 25.4mm와 500mm이다. 경사각은 수평부터 수직까지 15° 간격으로 변경하였으며, 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

데이터처리

비등열전달계수는 q /ΔTsat의 계산을 거쳐 결정되므로 결과에 대해 통계분석 수행 후 오차 확산법칙을 적용하여 불확실도를 결정하였으며 ±6%의 값을 가진다.
경사각이 열전달계수에 미치는 영향을 평가하기 위하여 간단한 실험식을 제안하였다. 상관식 개발을 위하여 Table 1에 나타낸 실험값과 회귀분석(regression) 기법으로 최소자승법을 이용한 통계프로그램을 사용하였으며, 그 결과로 얻어진 식은 다음과 같다.

이론/모형

측정값에 대해 오차확산법칙(error propagation law)⁽²⁴⁾을 사용하여 불확실도를 분석하였다. 측정한 온도에 대한 불확실도는 ±0.

성능/효과

(1) 경사각이 증가하면 s=15mm인 경우 열전달계수의 변화가 크게 나타남에 비해 s ≤12.7mm인 경우 열전달계수의 변화가 크지 않다.
(4) 경사각과 틈새간격을 포함하는 실험적 상관식을 새롭게 제안하였으며, 새로운 식은 실험값을 ±10% 범위 이내에서 잘 예측하고 있다.
는 폭이 좁은 평판을 이용한 비등 실험을 수행하였으며, 평판이 상부로 향하는 수평구조부터 시작하여 수직을 거쳐 평판이하부로 향하는 수평구조까지 경사각을 변경하면서 실험을 수행하였다. 가열 표면이 하부로 향하는 경우 기포군집 형성에 의해 열전달계수가 감소하는 것을 관찰하였으며, 열유속이 증가할수록이러한 현상이 더욱 더 분명하게 나타남을 확인하였다.
은 평판을 이용한 비등 실험을수행하였는데, 평판의 설치 각도를 수평 상부부터 시작하여 거의 수직에 가까운 각도까지 변경하였다. 결과에 의하면, 경사각이 증가할수록 열전달 계수가 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 경향은 저열유속 영역에서 분명하게 관찰되고 있다. 그러나 열유속이 증가하면 경사각의 영향이사라지는 것을 보고하고 있다.
가 백금선을 수평 및 수직으로 설치하여 비등실험을 수행한 것을 들 수 있다. 결과에 의하면, 자연대류와 비등영역 모두에 걸쳐 수평구조가 수직구조보다 효과적으로 열전달을 수행하는 것을 확인하였다. 주된 원인으로 기포군집형성을 들고 있으며, 상대적으로 군집 형성이 더많은 수직구조에서 기포 덩어리가 주변의 비등핵을 제한하기 때문에 열전달 경향이 서로 다르게나타난다고 설명하고 있다.
약간의 값들을제외하면, 새롭게 제안한 식은 실험값을 ±10% 범위 이내에서 잘 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
^(15~20) 발표된 연구 결과들에 의하면, 임계열유속은 경사각에 따라 크게 달라진다. 특히, 제한된 공간의 경우 틈새간격이 매우 중요한 변수가 됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임계열유속은 무엇에 의해 크게 달라지는가?	경사각이 임계열유속에 미치는 영향 역시 평판, 튜브, 제한된 공간 등의 여러 가지 기하학적형상에 대해 연구되어 왔다.(15~20) 발표된 연구 결과들에 의하면, 임계열유속은 경사각에 따라 크게 달라진다. 특히, 제한된 공간의 경우 틈새간격이 매우 중요한 변수가 됨을 확인하였다.
	풀비등열전달에 큰 영향을 미치는 두 가지 요소는?	풀비등열전달은 오랜 기간에 걸쳐서 연구되어왔으며, 최근 들어 신형원전개발에 적용하기 위해 광범위하게 연구되고 있다.(1,2) 기존에 발표된연구 결과들을 살펴보면 풀비등 열전달에 큰 영향을 미치는 기하학적 변수 중 두 가지는 제한된공간과 경사각을 고려하는 것이다.
	전기적으로 가열한 튜브 표면에서의 열유속은 무엇인가?	전기적으로 가열한 튜브 표면에서의 열유속은 공급전력을 열전달면적( )으로 나눈 것이며, 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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