[논문]수평 가까운 튜브 표면의 평균 풀비등 열전달계수의 측정

강명기

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.1.081

수평 가까운 튜브 표면의 평균 풀비등 열전달계수의 측정
Measurement of Average Pool Boiling Heat Transfer Coefficient on Near-Horizontal Tube 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.1 = no.340, 2014년, pp.81 - 88

초록
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수평에 가깝게 설치된 튜브 원주면에 대해 평균 열전달계수를 결정하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 실험을 위하여 대기압 상태하의 물속에 잠긴 50.8 mm의 스테인리스강 튜브를 사용하였다. 과냉 및 포화 풀비등 조건을 모두 고려하였으며, 튜브 경사각은 수평으로부터 $9^{\circ}$까지 $3^{\circ}$ 간격으로 변경하였다. 포화상태에서는 튜브의 최하부로부터의 방위각이 $90^{\circ}$인 위치에서 측정한 국소비등열전달계수가 평균값으로 취급될 수 있으며, 이러한 경향은 튜브 경사각과는 무관함을 확인하였다. 그러나 물이 과냉상태인 경우, 평균 열전달계수의 위치는 경사각과 열유속에 의존한다. 열전달을 변화시키는 주된 열전달 기구는 액체교란 강도 및 기포군집에 의한 큰 기포 덩어리의 형성과 밀접한 관계가 있는 것으로 설명된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study is performed to obtain an average heat transfer coefficient around the perimeter of a near horizontal tube. For the test a stainless steel tube of 50.8 mm diameter submerged in water at atmospheric pressure is used. Both subcooled and saturated pool boiling conditions are considered and the inclination angle of the tube is changed from the horizontal position to $9^{\circ}$ in steps of $3^{\circ}$. In saturated water, the local boiling heat transfer coefficient at the azimuthal angle of $90^{\circ}$ from the tube bottom can be regarded as the average of the coefficients regardless of the tube inclination angles. However, when the water is subcooled the location for the average heat transfer coefficient depends on the inclination angle and the heat flux. It is explained that the major mechanisms changing the heat transfer are closely related with the intensity of the liquid agitation and the generation of big size bubbles through bubble coalescence.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그렇지만 열설계 관점에서 고려할 때는 APR+의 예⁽²⁾에서 살펴본 것과 같이 수평튜브 구조는 실제로 적용하기는 어려운 문제점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 수평튜브 구조에 대한 것을 수평으로부터 약간 기울어져 있는 튜브까지 확장함과 아울러, PCHX 작동 초기에 발생하는 과냉비등 영역까지 살펴봄으로서 APR+ 설계 관련 참고자료 확보는 물론 PCHX와 유사한 특성을 가지는 설비들의 열설계 및 해석에 기여하고자 한다.
본 연구에서는 APR+에 대한 적용을 염두에 두고 Φ=3°에 대한 결과만을 도출하였으므로 다양한 경사각에 대해 과냉도가 평균열전달계수에 미치는 영향을 규명함으로서 적용 범위를 확장하는 것도 향후 연구로서 의미가 있는 것으로 생각한다.

제안 방법

물 저장용 수조의 치수는 가로×세로×높이(내부길이)가 각각 1300×950×1400mm이다. 균일한 온도 유지를 위하여 2중벽 구조로 구성하였다. 안쪽과 바깥쪽 수조 사이의 공간에 용량이 5kW인 예열용 히터 4개를 설치하였다.
보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 접합하였다. 물 온도는 표면에 등 간격으로 열전대를 접합한 튜브를 수조 구석에 수직으로 세워 측정하였다.
5mm)열전대를 사용하여 측정하였으며, 튜브 표면 온도를 측정하기 위하여 5개의 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 접합하였다. 물 온도는 표면에 등 간격으로 열전대를 접합한 튜브를 수조 구석에 수직으로 세워 측정하였다.
수평으로부터 약간 경사진 튜브 표면의 풀비등 열전달을 대기압 상태 하에 있는 과냉수 및 포화수에 대하여 관찰하고 평균열전달계수의 변화를 해석하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.
시편에 전달되는 열전달량을 조절/측정하기 위하여 공급되는 전압(V)과 전류(I)가 숫자로 표시되는 출력 조절장치를 제작하여 사용하였다. 시편에 대한 개도는 Fig.
시편의 한 쪽 끝에는 플랜지를 부착하여 플랜지의 회전에 의하여 방위각의 조절이 가능하도록 하였다. 시편은 Fig.
실험은 대기압 상태 하에 있는 수조 내부에 일정 높이(1.1m)로 물을 채운 후 예열히터를 이용해 포화상태(100℃)까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 표면 온도를 측정하였다.
포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 표면 온도를 측정하였다. 정밀한 온도 산출을 위해 측정값을 산술평균하였으며, 그것을 그 열유속에 대한 온도로 결정하였다. 과냉시험의 경우 열유속을 고정한 후 물이 포화상태에 도달할 때까지 가열하였다.
튜브 표면과 수조 내부 물의 온도는 T-형식(지름=1.5mm)열전대를 사용하여 측정하였으며, 튜브 표면 온도를 측정하기 위하여 5개의 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10mm 정도 튜브 표면에 접합하였다.
1m)로 물을 채운 후 예열히터를 이용해 포화상태(100℃)까지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 시편의 열유속을 변화시키면서 표면 온도를 측정하였다. 정밀한 온도 산출을 위해 측정값을 산술평균하였으며, 그것을 그 열유속에 대한 온도로 결정하였다.
과냉시험의 경우 열유속을 고정한 후 물이 포화상태에 도달할 때까지 가열하였다. 하나의 조건에 대한 실험이 끝나면 다른 방위각 및 경사각에 대해 실험을 수행하였다.

대상 데이터

7에 나타내었다. 사진은 열유속이 60kW/m²인 경우이다. ΔT_sub가 20℃일 때 튜브 표면에는 작은 크기의 기포가 관찰되며, 표면을 이탈하는 기포도 그 크기가 크지 않음을 알 수 있다.
2와 같다. 시편은 내부에 전기저항선을 갖는 스테인리스강 튜브(L=0.3m, D=50.8mm)이며, 버핑(buffing)가공을 통해 표면을 매끈하게 만들었다.

이론/모형

국소비등열전달계수를 결정하기에 앞서 1차원 정상상태 열전도 식⁽¹⁵⁾을 적용하여 튜브 원주 방향의 열전달을 해석하였다. 반지름 방향의 q″=100kW/m²이고 Φ=3°이면 T_W의 최댓값과 최솟값은 θ=180°와 0°에서 측정되며, 그 차이는 1.
측정값에 대해 오차확산법칙(error propagation law)⁽¹⁴⁾을 사용하여 불확실도를 분석했다. 데이터 수집 오차(±0.

성능/효과

열적 현상이 원자력발전소의 건전성과 밀접하게 관련되어 있는 경우, 가열 튜브 표면에서의 국소열전달에 대한 정확한 평가는 매우 중요하다.⁽²⁾ 신형원전의 한 형식으로 개발이 진행 중인 APR+ (Advanced Power Reactor Plus)에 채택된 피동 응축 열교환기(PCHX, Passive Condensing Heat Exchanger)는 증기발생기의 2차 측에 설치되어 있으며, 전원 상실시 원자로 노심의 잔열을 최종적으로 제거하는 기능을 수행한다. PCHX의 열교환 튜브는 수격현상(water hammer)을 방지하기 위하여 수평으로부터 3° 기울어져 있다.
(2) 튜브가 경사진 경우 액체과냉도가 증가하면 액체교란 강도가 감소하며, hb,avg로 취급할 수 있는 hb,θ는 열유속과 과냉도에 따라 서로 다르게 나타나므로 하나의 방위각을 대표 위치로 선정하는데 주의를 기울여야 한다.
(3) 액체의 과냉도가 증가하면 단상자연대류가, 포화상태에 근접하면 기포의 운동 및 군집형성이 국소 및 평균열전달계수에 영향을 미치는 주요 기구로 이해된다.
Cornwell과 Einarsson⁽⁴⁾은 비등 액체가 R115일 때 hb,θ의 최댓값이 튜브 하부에서 관찰됨을 보고하였다. 그러나 튜브 주변을 흐르는 유체의 유동 속도가 증가하면 최댓값이 발생하는 위치가 튜브 하부에서 옆면으로 이동함을 확인했다. Cornwell과 Houston⁽⁵⁾은 튜브 원주면 위치에 따라 hb,θ가 서로 다른 이유를 이동기포(sliding bubble)를 들어 설명하고 있다.
그렇지만, 방위각(θ, azimuthal angle)이 45°인 위치에서 국소비등열전달계수의 최댓값이 나타남을 확인하였다.
따라서 튜브 옆면인 θ=90°에서 측정한 국소열전달계수를 평균열전달계수로 취급해도 거의 오차가 없는 것으로 평가되므로 수평 및 수평 가까운 경사각을 가지는 튜브 구조에 대한 열전달은 θ=90°에서 측정한 온도를 기준으로 해석하고 설계에 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
액체가 메탄올(methanol)인 경우 hb,θ의 최댓값이 튜브의 최하부면에서 관찰되던 것이 n-헥산(hexane)으로 액체를 변경하면 최댓값의 위치가 튜브의 옆면으로 이동함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	APR+ (Advanced Power Reactor Plus)에 채택된 피동 응축 열교환기는 어떤 기능을 수행하는가?	열적 현상이 원자력발전소의 건전성과 밀접하게 관련되어 있는 경우, 가열 튜브 표면에서의 국소열전달에 대한 정확한 평가는 매우 중요하다.(2) 신형원전의 한 형식으로 개발이 진행 중인 APR+ (Advanced Power Reactor Plus)에 채택된 피동 응축 열교환기(PCHX, Passive Condensing Heat Exchanger)는 증기발생기의 2차 측에 설치되어 있으며, 전원 상실시 원자로 노심의 잔열을 최종적으로 제거하는 기능을 수행한다. PCHX의 열교환 튜브는 수격현상(water hammer)을 방지하기 위하여 수평으로부터 3° 기울어져 있다.
	과냉도의 증가는 무엇을 유발하는가?	과냉도의 증가는 액체교란의 강도를 감소시켜 열전달의 감소를 유발하며, 열유속의 증가는 튜브 상부 영역에서의 기포군집 형성을 촉진하여 열전달을 감소시키게 된다. 이러한 특성들의 결과로 국소열전달계수는 열유속의 크기와 과냉도 값에 따라 다양한 특성을 나타낸다.

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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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