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문제 정의
- 본 연구에서는 고온 열유속게이지를 사용하여 냉각수온의 영향에 따른 수분류 스프레이 냉각의 열전달 특성을 확인하였다. 이 때의 열유속게이지는 최소 20 회 이상 반복적으로 사용이 가능하고, 기존의 강제 대류 열전달 실험방식과 비교하여 설치가 용이하여 실험이 간편한 장점을 가지고 있다.
- 철강제조공정에서 대부분의 냉각공정은 수분류 스프레이냉각이 진행되는 동안 냉각수온이 열전달특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 본 연구는 수행되었다. 후판제조공정의 경우, 수분류 냉각은 표면온도 기준으로 800℃ 정도의 오오스테나이트(austenite) 온도에서 시작하여 400℃ 정도의 온도에서 냉각 종료된다.
제안 방법
- 이 때의 열유속게이지는 20회 이상 반복적으로 사용이 가능하고, 기존의 고온 강판의 냉각실험에 사용된 일회용 시편과 비교하여 설치가 용이하고 실험이 간편한 장점을 가지고 있다.(9,10) 본 연구에서는 냉각수온이 수분류 스프레이 충돌 열전달에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실제 900℃ 이상 고온으로 가열된 표면에 적용되었다.
- 67 정도로 거의 1에 가깝기 때문에 고온으로의 가열 및 급속 냉각 후에도 열응력(thermal stress)에 의해 발생하는 기하학적 변형을 최소화 할 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서 본 측정에서 사용된 가열시편은 약 900℃ 정도로 가열하고 냉각하는 실험을 최소 20회 이상 반복적으로 사용할 수 있도록 설계되었다.
- 9 mm 인 fullcone 형태의 노즐(1/4 KS FHS 0865, Everloy®)을 사용하였다. 또한 수분류 스프레이 냉각실험에서 사용된 실험 조건은 Table 1 에 잘 나타나 있고 고온 냉각의 스프레이 열전달 문헌 가운데 잘 알려진 Hoogendoorn과 Hond(3)의 측정방법과 비교하였다.
- 본 연구에서는 가열시편 블록의 폭 방향 열전달이 두께 방향에 비하여 무시할 정도로 작기 때문에 두께 방향으로의 열전달만을 고려하였고, 따라서 1 차원 비정상상태(unsteady-state)의 에너지방정식을 지배방정식으로 이용하였다.
- 수분류 스프레이에 의한 열전달 측정은 정상상태(steady-state)와 비정상상태(transient) 측정법으로 구분되어 연구되었다.(2) 정상상태 측정법은 가열시편 블록에 입력되는 전력과 스프레이에 의한 열전달의 열적 균형이 요구되지만, 일반적으로 시편블록의 온도를 일정하기 유지하기 위해서 입력되는 전력이 107 Watt 이상의 입력 전원이 요구되므로 실제 열전달측정에서는 거의 불가능하게 되고, 이러한 정상상태 측정법은 단일 액적(single droplet)과 같은 낮은 체적유량에서의 열전달 측정에서 제한적으로 사용될 수 있다.
- 스프레이 냉각 실험은 고온으로 가열된 표면의 정가운데에서 수분류 스프레이가 충돌할 때 발생하는 열유속을 정량적으로 측정하였다. 본 연구에서 사용된 스프레이 냉각실험장치의 개략도는 Fig.
대상 데이터
- 대부분의 탄소강의 냉각과정에서는 상변태(phase transformation)에 의한 변태 발열(transformational heat)이 발생하고, 이 때 발생하는 변태 발열은 냉각실험에 있어 추가적인 열 에너지를 제공하기 때문에 열전달 실험에 있어 측정이 까다로워진다. 따라서 본 연구에서는 강판의 냉각과정에서 발생하는 변태발열을 최소화 하기 위하여 상 변태가 거의 발생하지 않는 300 계(SUS304) 스테인리스 강(18% Cr, 8% Ni)을 사용하여 가열시편을 제작하였다.
- 본 연구에서 열유속 및 열전달계수의 측정은 시편블록(test block), 카트리지히터(cartridge heater), 열전대의 조합으로 고안된 열유속게이지(heat flux gauge)를 사용하였다. 이 때의 열유속게이지는 20회 이상 반복적으로 사용이 가능하고, 기존의 고온 강판의 냉각실험에 사용된 일회용 시편과 비교하여 설치가 용이하고 실험이 간편한 장점을 가지고 있다.
- 사용된 스프레이 노즐은 내경이 2.9 mm 인 fullcone 형태의 노즐(1/4 KS FHS 0865, Everloy®)을 사용하였다.
- 1에 잘 나타나 있다. 실험장치는 항온조, 펌프, 전기전자유량계, 스프레이 노즐, 열유속게이지의 기능을 가진 가열시편, 그리고 데이터수집장치로 구성되어있다.
- 직경이 0.5 mm 인 9 개의 K 형 열전대(KMTXL-020G-6, K-type, OMEGA®)는 Fig. 3 과 같이 각각 9 개의 위치에서의 온도측정을 위해 설치되었다.
데이터처리
- 또한 역열전도 문제로 접근한 열유속 값을 검증하기 위해 표면온도와 표면으로부터 1 mm 떨어진 지점에서의 온도 차로부터 다음과 같이 푸리에법칙 (Fourier’s law)을 적용한 열유속과 비교하였다.
이론/모형
- 지금까지 몇몇의 연구자들이 IHCP 를 위한 수치해석기법을 제안되었다.(11,12) 본 연구에서는 철강 냉각공정에 적용되는 수분류 스프레이 냉각실험에서의 열유속 및 열전달계수를 결정하는데 Beck(11)이 제안한 sequential function specification method 를 적용하였다.
성능/효과
- (2) 정상상태 측정법은 가열시편 블록에 입력되는 전력과 스프레이에 의한 열전달의 열적 균형이 요구되지만, 일반적으로 시편블록의 온도를 일정하기 유지하기 위해서 입력되는 전력이 107 Watt 이상의 입력 전원이 요구되므로 실제 열전달측정에서는 거의 불가능하게 되고, 이러한 정상상태 측정법은 단일 액적(single droplet)과 같은 낮은 체적유량에서의 열전달 측정에서 제한적으로 사용될 수 있다. 하지만 비정상상태 측정법에서는 가열시편 블록을 높은 온도로 균일하게 가열한 후, 수분류 스프레이에 의해 급속하게 냉각되고, 동시에 여러 개의 내부 지점에서 온도가 기록된다.
- (9) 따라서 본 연구에서는 수분류 스프레이 냉각실험이 진행되는 동안 반경방향 온도변화는 거의 무시할 수 있고, 열유속 측정은 두께 방향의 온도측정을 통한 1 차원 비정상 열전달 해석만으로도 만족되었다.
- 냉각수온이 5℃로 낮은 경우에 높은 냉각수온에 비해 높은 현열 열전달을 갖게 되고, 그로 인해 천이 비등은 높은 냉각수온에 비해 먼저 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 본 연구에서 사용한 역열전도 해석(IHCP)과 직접 측정된 열유속 값은 잘 일치하고, IHCP 계산이 열유속의 변화를 비교적 잘 예상하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 냉각수온이 5℃와 45℃ 사이에서 천이 비등영역 동안 열전달 계수가 약 200% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 이것은 표면의 온도가 230~520℃인 천이 비등영역에서 5℃의 낮은 냉각수온을 사용한 경우, 45℃의 높은 냉각수온을 사용한 것보다 매우 높은 열전달 계수를 가지는 것을 보여준다. 그리고 천이 비등영역 가운데 냉각수온 Tw = 5℃와 냉각수온 Tw = 45℃ 사이에서 가장 큰 열전달 계수의 차이는 약 200% 정도로 나타났다. 이것은 막 비등 천이 비등, 그리고 핵 비등 사이의 상관관계가 냉각수온조건에 크게 영향을 받는 것을 보여준다.
- 그리고 본 연구에서 사용한 역열전도 해석(IHCP)과 직접 측정된 열유속 값은 잘 일치하고, IHCP 계산이 열유속의 변화를 비교적 잘 예상하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 냉각수온이 5℃와 45℃ 사이에서 천이 비등영역 동안 열전달 계수가 약 200% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 5%인 전기전자유량계(GF630A/LF600, Toshiba®)를 통해 정밀하게 측정된다. 본 연구에서 스프레이 냉각실험에서의 체적유량은 8 LPM 으로 고정하였고, 냉각수온 Tw=25℃일 때 수분류 스프레이의 레이놀즈 수(Reynolds number)는 약 68,200 정도이다. 체적유량측정에서의 불확도는 최대 0.
- 최대 열유속은 냉각수온이 증가할 때, 온도에 따라 거의 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있고, 최소 열유속(Leidenfrost heat flux) 역시 냉각수온에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. 여기서 냉각수온이 5℃인 경우와 냉각수온이 45℃인 경우에서 최대 열유속 차이와 최소 열유속 차이는 각각 24%와 22% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 여기서 임계열유속을 제외한 영역에서는 역열전도 문제로 근사한 온도 차와 실제 표면온도와 표면으로부터 1 mm 떨어진 지점에서의 온도 차는 거의 차이가 나지 않는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 스프레이 냉각실험에서의 체적유량은 8 LPM 으로 고정하였고, 냉각수온 Tw=25℃일 때 수분류 스프레이의 레이놀즈 수(Reynolds number)는 약 68,200 정도이다. 체적유량측정에서의 불확도는 최대 0.78%이며, 레이놀즈 수의 불확도는 최대 3.9%이다.
- 7 에 나타나 있다. 최대 열유속은 냉각수온이 증가할 때, 온도에 따라 거의 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있고, 최소 열유속(Leidenfrost heat flux) 역시 냉각수온에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. 여기서 냉각수온이 5℃인 경우와 냉각수온이 45℃인 경우에서 최대 열유속 차이와 최소 열유속 차이는 각각 24%와 22% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 하지만 비정상상태 측정법에서는 가열시편 블록을 높은 온도로 균일하게 가열한 후, 수분류 스프레이에 의해 급속하게 냉각되고, 동시에 여러 개의 내부 지점에서 온도가 기록된다. 따라서 비정상상태 측정법은 큰 열전달이 수반될 때 유용하고, 본 연구와 같이 수분류 스프레이에 의한 급속 냉각에서 사용될 수 있다.
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