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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 물을 작동 유체로 사용하고 평판 표면과 낮은 핀, Turbo-B, Thermoexcel-E 촉진 표면을 사용하여 임계 열유속까지의 전체 열유속 구간에서 비등 열전달 현상을 살펴보려 한다. 또한 동시에 표면에서의 유동 속도 변화에 따른 열전달 계수와 임계 열유속의 변화를 살펴봄으로써 산업계가 필요로 하는 기초 자료를 제시하고자 한다.
- 이로써 내경 10mm 관에서 나온 유체는 열전달 표면 바로 위로 움직이게 된다. 본 연구에서는 여러 표면에서 유동이 없는 경우와 유동 속도가 0.1, 0.15, 0.2m/s인 경우 비등 열전달 계수와 임계 열유속이 어떻게 변하는가를 살펴보았다.
- 본 연구에서는 임계점 부근의 높은 열유속에서도 비등 열전달 계수를 측정할 수 있도록 작은 크기의 고열유속 평면 열전달 시험부를 제작하였다. Fig.
- 본 연구에서는 평판과 낮은 핀, Turbo-B, Thermoexcel-E 촉진 표면에서 증류수를 작동 유체로 사용하여 유동 속도에 따른 임계 열유속과 열전달 계수의 변화를 살펴보았다. 이를 위해 풀 내부의 온도를 60℃로 고정하고 정지 상태와 0.
- 본 연구에서는 히터가 망가지지 않는 범위 내에서 가능한 높은 열유속까지 열량을 증대시켜가며 데이터를 취하였다. 그러나 실제로 임계 열유속 부근에 도달하면 유동이 안정적으로 되지 못하고 순식간에 막 비등으로 넘어가서 히터가 망가지게 되므로 본 연구에서는 히터 표면의 온도를 2초마다 측정하여 온도가 130℃도 이상이 되면 자동으로 히터의 전원이 차단되도록 하였다.
- 본 연구의 목표 중 하나는 다양한 열전달 표면에 유동이 있어 속도가 변할 때 열전달 계수와 임계 열유속이 어떻게 변하는가를 살펴보는 것이다.
- 이에 본 연구에서는 물을 작동 유체로 사용하고 평판 표면과 낮은 핀, Turbo-B, Thermoexcel-E 촉진 표면을 사용하여 임계 열유속까지의 전체 열유속 구간에서 비등 열전달 현상을 살펴보려 한다. 또한 동시에 표면에서의 유동 속도 변화에 따른 열전달 계수와 임계 열유속의 변화를 살펴봄으로써 산업계가 필요로 하는 기초 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 열전달 히터에서 발생하는 열이 구리 판 쪽으로만 가도록 하기 위해서 열전도도가 매우 낮은 MC 나일론으로 단열 블록(40mm×40mm×20mm)을 제작하였다. MC 나일론 블록의 위쪽에는 가로 18mm, 세로 15mm, 깊이 6mm의 사각형 부위를 만들어 열전달 시험부를 넣을 수 있게 하였고, 블록의 옆면에 직경 13mm, 깊이 15mm의 구멍을 내서 스테인리스 스틸 관을 꽂을 수 있게 하였다. 그 뒤에 열전달 히터/구리 판 어셈블리를 MC 나일론 블록 안의 사각형 부위에 넣고 어셈블리 양 끝단에 전선을 단 뒤 은 납을 이용하여 이것을 직류 전원 공급기와 연결하였다.
- 그 뒤에 열전달 히터/구리 판 어셈블리를 MC 나일론 블록 안의 사각형 부위에 넣고 어셈블리 양 끝단에 전선을 단 뒤 은 납을 이용하여 이것을 직류 전원 공급기와 연결하였다.
- 본 연구에서는 히터가 망가지지 않는 범위 내에서 가능한 높은 열유속까지 열량을 증대시켜가며 데이터를 취하였다. 그러나 실제로 임계 열유속 부근에 도달하면 유동이 안정적으로 되지 못하고 순식간에 막 비등으로 넘어가서 히터가 망가지게 되므로 본 연구에서는 히터 표면의 온도를 2초마다 측정하여 온도가 130℃도 이상이 되면 자동으로 히터의 전원이 차단되도록 하였다.
- 용접이나 전기 도금 방법 등으로 열전달 표면에 직접 열전대를 부착시키는 경우에는 표면 조건의 변화로 인해 실제 매끈한 표면에서의 비등 열전달 계수를 측정하기 어렵다. 따라서 Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 본 연구에서는 열전달 표면에 변화를 주지 않고 표면 온도를 정확하게 측정하기 위해서 히터 위에 접합된 구리 판에 드릴을 이용하여 직경 1.0mm, 깊이 5.0mm의 구멍 네 개를 동일한 간격으로 냈고 그 안에 T-type 열전대를 넣었다. 이렇게 4개의 열전대를 각각 구멍 안에 넣고 구멍을 은 납으로 채워 넣어 빈 공간이 생기지 않게 하였다.
- 비등이 발생할 때 유체의 온도를 정확하게 측정하기 위해 T-type 열전대 2개를 유체가 있는 공간에 설치하였다. 또 실험에 사용한 유체의 과냉 여부를 확인하기 위해 고정밀 압력 변환계를 용기 상단에 설치하고 용기 내 유체 입구 부분에 T-type 열전대를 추가로 설치하였다.
- 실험이 끝난 뒤에는 작동 유체를 빈 용기에 회수한 후 열전달 시험부를 비등 용기에서 분리하고 비등 용기를 분해해서 아세톤 등의 세정제를 이용해 깨끗이 닦아내고 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 실험을 수행하였다. 또한 비등 열전달 계수가 표면 불결 효과의 영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 열전달 시험관의 표면을 동일한 2000번 사포로 균일하게 닦고 아세톤으로 세척하여 표면 조건을 항상 균일하게 유지하면서 실험을 수행하였다.
- 이렇게 연결된 전선과 4개의 열전대는 MC 나일론 블록의 옆 면에 연결된 스테인리스 스틸 관을 통해 MC 나일론 블록 밖으로 빼내어 비등 용기 내의 실험 유체와 닿지 않도록 하였다. 또한, 전선과 열전대 등을 밖으로 빼내는 작업을 마친 뒤 MC 나일론 블록의 사각형 부위와 스테인리스 스틸 관 주변을 냉매와 반응을 일으키지 않는 에폭시를 이용하여 막음으로써 작동 유체가 스며들지 못하게 하였다.
- 본 실험에서는 증류수를 작동 유체로 쓰는 풀에서 작동 유체가 열전달 표면에서 일정한 속도로 움직일 때 임계 열유속 근방까지 열유속을 증대시켜가며 평판, 낮은 핀, Turbo-B, ThermoexcelE 표면에서의 풀 비등 열전달 계수를 유동이 없는 경우와 유동 속도가 0.1, 0.15, 0.2m/s인 경우에 대해 측정하였다.
- 비등 실험에서 무엇보다 중요한 것은 비등 용기의 밀폐성 확보와 증발온도 유지이다. 본 실험에서는 질소와 냉매로 비등 용기를 20기압까지 충전한 뒤에 할로겐 디텍터로 가스의 누출을 확인하였다. 문제가 없음이 확인되면 약 두 시간 동안 진공 펌프를 구동한 뒤 실험할 유체를 충전하였다.
- 본 연구에서 사용된 열전달 히터는 매우 작기 때문에 외부로의 미세한 열손실도 비등 열전달 계수에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 비등 용기와 외부 응축기 및 연결 배관 등에 20mm 두께의 단열재를 붙여 철저하게 단열하였다.
- 본 연구에서는 기존의 만액식 증발기에 널리 사용되고 있는 낮은 핀, Turbo-B, Thermoexcel-E관에서 일부를 잘라내어 앞에서 설명한 평면 열전달 시험부와 동일한 크기(9.53mm×9.53mm)로 가공하여 임계점 부근의 높은 열유속에서도 비등 열전달 계수를 측정할 수 있게 하였다.
- 실험에서 요구되는 고열유속을 균일하게 내기 위해 열전달 시험부 내에 삽입된 히터에 직류 전원 공급기(Agilent 6030A, 200V, 17A)를 연결하였고 이 공급기를 통해 열유속을 조절하였다. 열전달 시험부에 들어가는 열량은 션트 저항(Yokogawa 221509, 50mV, 20A)을 장착하여 전류와 전압 강하를 측정하여 계산하였다.
- 실험이 끝난 뒤에는 작동 유체를 빈 용기에 회수한 후 열전달 시험부를 비등 용기에서 분리하고 비등 용기를 분해해서 아세톤 등의 세정제를 이용해 깨끗이 닦아내고 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 실험을 수행하였다. 또한 비등 열전달 계수가 표면 불결 효과의 영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 열전달 시험관의 표면을 동일한 2000번 사포로 균일하게 닦고 아세톤으로 세척하여 표면 조건을 항상 균일하게 유지하면서 실험을 수행하였다.
- 실험에서 요구되는 고열유속을 균일하게 내기 위해 열전달 시험부 내에 삽입된 히터에 직류 전원 공급기(Agilent 6030A, 200V, 17A)를 연결하였고 이 공급기를 통해 열유속을 조절하였다. 열전달 시험부에 들어가는 열량은 션트 저항(Yokogawa 221509, 50mV, 20A)을 장착하여 전류와 전압 강하를 측정하여 계산하였다.
- 열전달 히터에서 발생하는 열이 구리 판 쪽으로만 가도록 하기 위해서 열전도도가 매우 낮은 MC 나일론으로 단열 블록(40mm×40mm×20mm)을 제작하였다.
- 이런 목표를 달성하기 위해 유체가 용기로 유입되는 내경 10mm의 스테인리스 스틸 관을 주 파이프 왼쪽 플랜지를 통과시켜 열전달 시험부의 MC 블록 바로 앞까지 연장시켰다. 이로써 내경 10mm 관에서 나온 유체는 열전달 표면 바로 위로 움직이게 된다.
- 그 뒤에 열전달 히터/구리 판 어셈블리를 MC 나일론 블록 안의 사각형 부위에 넣고 어셈블리 양 끝단에 전선을 단 뒤 은 납을 이용하여 이것을 직류 전원 공급기와 연결하였다. 이렇게 연결된 전선과 4개의 열전대는 MC 나일론 블록의 옆 면에 연결된 스테인리스 스틸 관을 통해 MC 나일론 블록 밖으로 빼내어 비등 용기 내의 실험 유체와 닿지 않도록 하였다. 또한, 전선과 열전대 등을 밖으로 빼내는 작업을 마친 뒤 MC 나일론 블록의 사각형 부위와 스테인리스 스틸 관 주변을 냉매와 반응을 일으키지 않는 에폭시를 이용하여 막음으로써 작동 유체가 스며들지 못하게 하였다.
- 53mm×4mm)을 제작하였다. 이렇게 열전달 시험부를 만들기 위해 구리 판과 히터를 선정한 뒤 히터 표면에 은 납을 대고 가열하여 히터와 구리 판을 직접 접합하였다.
- 본 연구에서는 평판과 낮은 핀, Turbo-B, Thermoexcel-E 촉진 표면에서 증류수를 작동 유체로 사용하여 유동 속도에 따른 임계 열유속과 열전달 계수의 변화를 살펴보았다. 이를 위해 풀 내부의 온도를 60℃로 고정하고 정지 상태와 0.1, 0.15, 0.2m/s의 유동 속도가 있는 상태에서 임계 열유속까지의 전체 열유속 구간에서 풀 비등 열전달 계수를 측정하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 유동이 없는 경우에는 충전이 다 된 뒤 정밀온도 제어 항온조를 사용하여 풀 온도를 60℃로 유지한 채 열유속 10kW/m2에서부터 실험을 수행하였다. 주어진 열유속에서 정상 상태가 유지되면 비등 열전달 계수를 측정하고 다시 열유속을 10kW/m2씩 증가시키면서 높은 열유속까지 데이터를 측정하였다. 유동이 있는 경우에는 마그네틱 펌프를 이용하여 원하는 속도를 만든 뒤 역시 같은 방법으로 10kW/m2에서부터 실험을 수행하였다.
- 풀 비등 데이터를 분석하기 전에 먼저 본 연구에서 제작한 실험 장치 및 방법의 신뢰성을 확인하기 위해 본 연구의 데이터를 Lee 등(14)이 물을 사용하여 취한 데이터와 또 문헌에서 잘 알려진 상관식과 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 2는 본 연구에서 제작한 열전달 시험부(9.53mm×9.53mm)를 보여 준다.
- 본 실험 조건에서 계산된 기포 이탈 지름은 2mm이다. Table 1에서 볼 수 있듯이 Turbo-B와 Thermoexcel-E 표면의 핀 높이와 갭은 2mm보다 훨씬 작다.
- 비등이 발생할 때 유체의 온도를 정확하게 측정하기 위해 T-type 열전대 2개를 유체가 있는 공간에 설치하였다. 또 실험에 사용한 유체의 과냉 여부를 확인하기 위해 고정밀 압력 변환계를 용기 상단에 설치하고 용기 내 유체 입구 부분에 T-type 열전대를 추가로 설치하였다.
- 히터를 직접 액체 냉매에 접촉시킬 수 없기 때문에 본 실험에서는 히터와 같은 크기의 구리 판(9.53mm×9.53mm×4mm)을 제작하였다.
이론/모형
- 본 실험에서 발생한 실험 데이터의 불확실성을 결정하기 위해 Kline and McClintock(13)이 제안한 방법을 적용하였으며 모든 표면에서 1.8% 이하인 것으로 나타났다. 또한 한 유체에 대해 반복 실험을 한 결과 실험 데이터의 재현율은 5% 이내로 나타났다.
- 본 실험에서 열전달 계수는 에너지 방정식을 사용하여 구하였다. 열전대가 설치된 열전달 표면에서의 국부 열전달 계수는 식 (2)에 의해서 결정된다.
성능/효과
- (1) 모든 표면에서 유동이 있을 때의 임계 열유속은 유동이 없을 때에 비해 높았다.
- (2) 표면적의 증가와 기포 이탈에 충분한 핀 간격 등으로 인해 낮은 핀 표면의 임계 열유속은 평판이나 Turbo-B, Thermoexcel-E 표면보다 훨씬 놓았고 평판에 비해서는 무려 5배 정도의 향상을 보였다. 그러므로 핵발전소의 증기발생기는 낮은 핀 형상의 표면을 최적화하여 만들면 안전 면에서 크게 유리함을 알 수 있다.
- (3) 50kW/m2 이하의 저열유속에서는 모든 표면에 대해 유동 속도 증가에 따라 열전달 계수가 증가하였다.
- (3) 대형 냉동기의 증발기용으로 개발된 Turbo-B와 Thermoexcel-E 표면은 물에서 기포의 이탈 지름이 크므로 열전달 계수와 임계 열유속 모두 예상보다 큰 효과를 나타내지 않았다.
- (4) 250kW/m2 이하의 열유속에서는 Thermoexcel-E 표면의 열전달 계수가 가장 높았지만 1000kW/m2 이상에서는 오히려 낮은 핀과 Turbo-B 표면의 열전달 계수가 높았다.
- (5) 핵발전소의 증기발생기 용으로는 낮은 핀 형상의 표면이 가장 좋은 것으로 나타났고 Turbo-B나 Thermoexcel-E 표면 같이 복잡한 하부 구조를 가진 표면들은 큰 효과가 없을 것으로 보인다.
- Figs. 4와 5에서 볼 수 있듯이, 평판 표면에서 유동 속도가 0.1, 0.15, 0.2m/s일 경우 임계 열유속은 정지 상태의 임계 열유속에 비해 각각 122%(2.2배), 144%, 180% 향상되었다. 임계 열유속은 0.
- Figs. 4와 7에서 볼 수 있듯이, Turbo-B 표면의 경우 유동 속도가 0.1m/s일 경우의 임계 열유속은 정지 상태에 비해 78% 향상되었고 속도가 0.15, 0.2m/s일 때는 정지 상태에 비해 모두 103% 향상되었다. Turbo-B 표면에서의 임계 열유속은 평판 표면의 임계 열유속보다 크게 높지 않았고 낮은 핀 표면에 비해서는 무려 40% 정도나 낮은 것으로 나타났다.
- 4와 8에서 볼 수 있듯이, Thermoexcel-E 표면에서 유동 속도가 0.1, 0.15, 0.2m/s일 경우 임계 열유속(800kW/m2)은 정지 상태에 비해 각각 37%, 53%, 70% 향상되었다.
- 3은 본 연구에서 취한 데이터와 본 연구의 실험 조건과 동일한 온도 조건에서 실험을 수행한 Lee 등(14)의 풀 비등 실험 결과와 Zuber(15)의 식을 이용한 예측치를 보여 준다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 전체 열유속 범위에서 본 연구의 데이터는 Lee 등(14)의 데이터와 10% 이내에서 잘 일치하였다.
- Fig. 9에서 볼 수 있듯이, 평판 표면에서 50kW/m2 이하의 저열유속에서 속도가 0.1, 0.15, 0.2m/s일 때 열전달 계수는 유동이 없을 때에 비해 평균적으로 각각 20%, 116%, 161% 높게 나타났다. 이처럼 저열유속에서 유동이 있을 때 속도에 따라 열전달 계수가 증가하는 것은 기포가 많지 않은 상태에서 유동이 기포의 이탈에 큰 영향을 미쳤기 때문으로 사료된다.
- 2m/s일 때는 정지 상태에 비해 모두 103% 향상되었다. Turbo-B 표면에서의 임계 열유속은 평판 표면의 임계 열유속보다 크게 높지 않았고 낮은 핀 표면에 비해서는 무려 40% 정도나 낮은 것으로 나타났다.
- 다른 표면들과 달리 Thermoexcel-E 표면은 열유속이 200kW/m2 이상일 때 오히려 속도에 따라 열전달 계수의 증가가 뚜렷하게 나타났다.
- 따라서 이 두 표면의 경우 기포들이 기공과 홈 등을 완전히 막을 수 있고 그 결과 임계 열유속이 낮은 핀 표면에 비해 낮으며 특히 Thermoexcel-E 표면의 경우에는 심지어 평판 표면보다도 낮게 됨을 볼 수 있다.
- 한편 Lee 등(14)의 임계 열유속 데이터는 560kW/m2로 본 연구에서 얻은 값과 역시 10% 정도 내에서 일치하였다. 따라서 이러한 비교를 통해 본 실험 장치와 방법의 신뢰성을 간접적으로 확인할 수 있었다.
- 이것은 유동이 임계 열유속을 증대시킴을 보여 준다. 또한 유동이 없는 경우 세 종류의 촉진 표면에서의 임계 열유속은 평판 표면에서의 임계 열유속에 비해서 더 높았다. 이것은 유동이 없을 경우 평판보다는 비등이 활발한 촉진 표면의 임계 열유속이 높다는 것을 보여 준다.
- 8% 이하인 것으로 나타났다. 또한 한 유체에 대해 반복 실험을 한 결과 실험 데이터의 재현율은 5% 이내로 나타났다.
- 본 실험 결과는 낮은 핀 표면과 같이 기포의 이탈 공간이 충분한 표면에서는 임계 열유속이 평판 표면에 비해 상당히 높지만 Turbo-B, Thermoexcel-E 등과 같이 기포의 크기보다 표면의 공동이 작은 경우 임계 열유속이 크게 증가하지 않으며 심지어 Thermoexcel-E 표면처럼 재돌입 공동이 작은 경우 임계 열유속이 평판 표면보다도 낮을 수 있음을 보여 준다.
- 1m/s일 때 임계 열유속은 최대치를 보이고 유동 속도가 증가하면 오히려 조금 감소하는 경향을 보였다. 유동 속도가 0.1m/s일 때 낮은 핀 표면의 임계 열유속은 유동이 없을 때 취한 평판 표면의 임계 열유속에 비해 470%(5.7배) 향상되었다. 이것은 본 연구에서 취한 임계 열유속 가운데 최대치에 해당된다.
- 유동 속도가 0.1m/s일 때 임계 열유속은 최대치를 보이고 유동 속도가 증가하면 오히려 조금 감소하는 경향을 보였다.
- 이것은 본 연구에서 취한 임계 열유속 가운데 최대치에 해당된다. 이 결과는 핵발전소의 증기 발생기의 표면을 낮은 핀 표면으로 가공하면 임계 열유속이 평판 표면보다 5배 정도 향상되어 시스템 안전에 큰 도움을 줄 수 있음을 보여 준다.
- 5배) 향상을 보였다. 이 결과를 통해 가공된 핀들로 말미암아 단순히 열전달 면적이 증가하는 특성을 가진 낮은 핀 표면에서의 임계 열유속은 증가된 면적에 비례해서 역시 증가함을 보여 준다. 이를 정량적으로 살펴보기 위해서는 핀 밀도를 변화시켜가면서 더 연구를 수행할 필요가 있다.
후속연구
- Figs. 9~12에서 볼 수 있듯이 유동이 있을 때 저열유속에서의 열전달 계수는 정지 상태의 열전달 계수보다 상당히 높으므로 200kW/m2 이하에서 결과를 자세히 살펴볼 필요가 있다. 특히 50kW/m2 이하의 낮은 열유속에서는 비등 열전달 계수가 유동에 의해 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다.
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