파이프의 길이(Length)와 직경(Diameter), 거칠기(Roughness)에 변화를 주면서 수직 원형관내 자연대류열전달을 측정하였다. 고부력 조건에 대한 높은 Rayleigh수를 구현하기 위하여 상사성에 기초한 물질전달실험을 수행하였다. Pr수는 2,014였다. 수직 원형관의 길이(L)는 0.1m, 0.3m, 0.5m였으며 이는 Gr수 $4.2{\times}10^7$, $1.1{\times}10^9$, $5.5{\times}10^9$에 해당한다. 각 수직 원형관에 대하여 직경(D)을 0.005m, 0.01m, 0.03m로 변화시키면서 열전달을 측정하였다. 실험결과 모든 직경(D)에 대해서 높이(L) 0.1m에서의 열전달 계수는 Le Fevre의 수직평판에 대한 층류 자연대류상관식과 일치하였다. 동일한 직경(D)에 대해서 길이(L)가 감소할수록 열전달이 증가하였다. 그리고 동일한 길이(L)에 대하여 직경(D)이 증가하였을 때는 열전달이 감소하였다. 파이프 내부 표면에 거칠기를 주어 일반 수직원형관과 열전달을 비교하였을 때, 층류영역에서는 열전달의 차이가 있었으나, 천이영역에서는 열전달 차이가 없었다.
파이프의 길이(Length)와 직경(Diameter), 거칠기(Roughness)에 변화를 주면서 수직 원형관내 자연대류 열전달을 측정하였다. 고부력 조건에 대한 높은 Rayleigh수를 구현하기 위하여 상사성에 기초한 물질전달실험을 수행하였다. Pr수는 2,014였다. 수직 원형관의 길이(L)는 0.1m, 0.3m, 0.5m였으며 이는 Gr수 $4.2{\times}10^7$, $1.1{\times}10^9$, $5.5{\times}10^9$에 해당한다. 각 수직 원형관에 대하여 직경(D)을 0.005m, 0.01m, 0.03m로 변화시키면서 열전달을 측정하였다. 실험결과 모든 직경(D)에 대해서 높이(L) 0.1m에서의 열전달 계수는 Le Fevre의 수직평판에 대한 층류 자연대류상관식과 일치하였다. 동일한 직경(D)에 대해서 길이(L)가 감소할수록 열전달이 증가하였다. 그리고 동일한 길이(L)에 대하여 직경(D)이 증가하였을 때는 열전달이 감소하였다. 파이프 내부 표면에 거칠기를 주어 일반 수직원형관과 열전달을 비교하였을 때, 층류영역에서는 열전달의 차이가 있었으나, 천이영역에서는 열전달 차이가 없었다.
Natural convection heat transfer rates in vertical pipes were measured varying the diameter, length, and roughness of vertical cylinder. To achieve high Rayleigh number with relatively small test rig, mass transfer experiments instead of heat transfer were performed based on the analogy. Prandtl num...
Natural convection heat transfer rates in vertical pipes were measured varying the diameter, length, and roughness of vertical cylinder. To achieve high Rayleigh number with relatively small test rig, mass transfer experiments instead of heat transfer were performed based on the analogy. Prandtl number was 2,014. The length of vertical cylinder was 0.1m, 0.3m, and 0.5m, which correspond to GrL $4.2{\times}10^7$, $1.1{\times}10^9$, and $5.5{\times}10^9$. To each length of vertical cylinder, the heat transfer rates were measured varying the iameter 0.005m, 0.01m, and 0.03m. The heat transfer rate for a short length pipe(0.1m) agreed with the prediction from Le Fevre correlation developed for a vertical plate for all diameter. The heat transfer rate decreases as the diameter and the length of the pipe increases. The heat transfer rate inside of vertical cylinder is affected by roughness only for a laminar flow regime.
Natural convection heat transfer rates in vertical pipes were measured varying the diameter, length, and roughness of vertical cylinder. To achieve high Rayleigh number with relatively small test rig, mass transfer experiments instead of heat transfer were performed based on the analogy. Prandtl number was 2,014. The length of vertical cylinder was 0.1m, 0.3m, and 0.5m, which correspond to GrL $4.2{\times}10^7$, $1.1{\times}10^9$, and $5.5{\times}10^9$. To each length of vertical cylinder, the heat transfer rates were measured varying the iameter 0.005m, 0.01m, and 0.03m. The heat transfer rate for a short length pipe(0.1m) agreed with the prediction from Le Fevre correlation developed for a vertical plate for all diameter. The heat transfer rate decreases as the diameter and the length of the pipe increases. The heat transfer rate inside of vertical cylinder is affected by roughness only for a laminar flow regime.
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문제 정의
본 연구는 격납용기 내부의 열제거를 위하여 설치되는 자연대류 열교환기 파이프를 실험적으로 모사하였다. 파이프의 높이, 직경, 내부 표면 거칠기를 변화시키면서 열전달량을 실험적으로 측정하였다.
본 연구는 원전 중대사고시의 격납용기 내부 냉각을 위한 피동냉각계통을 설계할 때, 수직 원형관의 직경과 높이 그리고 표면 거칠기를 설계하는 현상학적 기초를 제공한다. 즉 자연대류의 유량을 극대화하기 위하여는 열경계층의 중첩이 요구되므로 열경계층의 충분한 발달길이를 담보해야 함을 알 수 있다 또한 이들이 굴뚝효과를 나타내기 위해서는 열경계층의 상호작용이 요구되는 바, 발달된 열경계층에 상당하는 직경이 요구됨을 알 수 있다.
수직 원형관에서 직경(D)과 길이(L) 그리고 내부 표면 거칠기의 변화가 자연대류 열전달에 주는 영향을 실험적으로 연구하였다. 열과 물질전달의 유사성(Analogy)에 기초하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 대체하였으며, 물질전달계로는 전기도금계를 채택하였다.
제안 방법
물질전달계로는 황산-황산구리(H2SO4-CuSO4)수용액의 전기도금계를 채택하였다. 가열벽면으로 모사되는 음극수직원형관의 길이(L)는 0.1m, 0.3m, 0.5m이며 직경(D)을 0.005m, 0.01m, 0.03m로 변화하며 실험을 수행하였다. 이때 GrL수는 4.
9m이다. 가열벽면을 모사하는 음극구리관은 외부표면에 절연처리를 하였으며 상․하단에 아크릴 지지대를 설치하였다. 양극봉은 구리파이프 내부 중앙에 위치한다.
5m이다. 각 길이(L)에 대해서 직경(D)을 0.005m, 0.01m, 0.03m로 변화하여 실험을 수행하였다. 또한 직경 0.
열과 물질전달의 유사성(Analogy)에 기초하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 대체하였으며, 물질전달계로는 전기도금계를 채택하였다. 길이(L) 0.1m, 0.3m, 0.5m의 수직 원형관의 평균 자연대류 열전달을 측정하였다. 이때 직경(D)을 0.
Elenbass[4]는 원형관의 직경이 커지면 수직 평판으로 간주할 수 있다고 하였다. 또한 대칭적으로 가열되어있는 등온평판에 대해서 상관식을 제시 하였다(1).
파이프의 높이, 직경, 내부 표면 거칠기를 변화시키면서 열전달량을 실험적으로 측정하였다. 상사성(Analogy)의 원리를 이용하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 수행하였다. 물질전달계로는 황산-황산구리(H2SO4-CuSO4)수용액의 전기도금계를 채택하였다.
수직 원형관에서 직경(D)과 길이(L) 그리고 내부 표면 거칠기의 변화가 자연대류 열전달에 주는 영향을 실험적으로 연구하였다. 열과 물질전달의 유사성(Analogy)에 기초하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 대체하였으며, 물질전달계로는 전기도금계를 채택하였다. 길이(L) 0.
5m의 수직 원형관의 평균 자연대류 열전달을 측정하였다. 이때 직경(D)을 0.005m, 0.01m, 0.03m로 변화시켰으며, 직경 0.03m의 원형관에 대해서는 내부 표면 거칠기(14.1㎛)효과를 적용하였다.
본 연구는 격납용기 내부의 열제거를 위하여 설치되는 자연대류 열교환기 파이프를 실험적으로 모사하였다. 파이프의 높이, 직경, 내부 표면 거칠기를 변화시키면서 열전달량을 실험적으로 측정하였다. 상사성(Analogy)의 원리를 이용하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 수행하였다.
대상 데이터
Fluke사의 15B Digital Multimeter를 연결하여 전류측정을 하였으며, 전원공급장치로 VüPOWER사의 DC Power supply-18B10을 사용하였다.
상사성(Analogy)의 원리를 이용하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 수행하였다. 물질전달계로는 황산-황산구리(H2SO4-CuSO4)수용액의 전기도금계를 채택하였다. 가열벽면으로 모사되는 음극수직원형관의 길이(L)는 0.
본 연구에서는 황산-황산구리(H2SO4-CuSO4)수용액의 전기도금계를 물질전달계로 선택하였다. 전기도금계(Electroplating system)의 전달현상에 대한 연구는 Levich[10]에 의해 시도되었으며 Selman과 Tobias[11]는 여러 조건에서의 물질전달 상관식을 체계적으로 정립했다.
2는 실험장치와 회로의 개략도이다. 실험장치는 아크릴로 제작된 수조, 음극구리관과 양극봉으로 구성된다. 아크릴 수조의 크기는 0.
양극봉은 구리파이프 내부 중앙에 위치한다. 양극봉과 음극관을 수조 내부에 위치시켜 실험을 수행하였다. Fluke사의 15B Digital Multimeter를 연결하여 전류측정을 하였으며, 전원공급장치로 VüPOWER사의 DC Power supply-18B10을 사용하였다.
이론/모형
그러나 전기도금계에서 음극표면에서의 구리이온의 농도를 알기 어렵다. 이와 같은 문제는 한계전류기법을 사용하여 해결한다. 황산구리 수용액에 담겨진 구리 양극과 구리음극에 인가된 전압을 증가시키면서 측정한 전류를 Fig.
성능/효과
이 역시 파이프의 길이가 감소하면서 물질전달계수가 증가하였다. 거칠기를 효과를 주지 않은 동일한 직경의 파이프와 비교하였을 때, 물질전달계수는 최대 3% 향상했다. 이는 거칠어진 표면이 열전달 표면적을 증가시켰기 때문이다.
5는 직경이 다른 수직 원형관에 대해 길이에 따른 평균 물질전달 계수를 나타낸 그래프이다. 모든 직경(D)에서 가장 짧은 길이(L)인 0.1m의 물질전달계수가 가장 높고, 길이가 증가할수록 평균 물질전달계수가 감소하였다. 이는 경계층이 발달하기 시작하는 선단(Leading edge) 부분의 경계층이 매우 얇으므로 열전달이 매우 높고 이후 열경계층의 발달에 따라서 온도구배가 낮아지기 때문에 열전달면의 길이가 길어질수록 평균열전달능력은 감소하는 것으로 판단된다.
동일한 길이(L)의 수직 원형관에서 직경(D)이 감소함에 따라 열전달계수는 증가하였는데, 이는 직경(D)이 작아질수록 형성되는 경계층이 중첩됨에 따라 굴뚝 효과(Chimney effect)가 발생하였기 때문이다. 수직원형 관에서 거칠기 효과에 따른 열전달은 길이(L)가 가장 짧은 0.1m에서 많이 향상되었다. 이는 경계층이 매우 얇은 부분에서 거칠기 효과가 열전달 변화에 영향을 주었기 때문이라고 판단된다.
이는 열경계층의 발달이 충분하지 않아 상호간섭이 없음을 나타낸다. 평균 열전달량의 경우, 동일한 직경(D)에 대해 수직원형관의 열전달계수는 길이(L)가 작을수록 높았다. 이는 경계층이 발달하기 시작하는 선단(Leading edge) 부분이 경계층이 매우 얇으므로 열전달에 지배적으로 기여하기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수직원형관에서의 열전달 현상은 어떤 것의 열전달 현상과 유사한가?
수직원형관에서의 열전달 현상은 수직 채널(Channel)에서의 열전달 현상과 유사하다. 수직 채널에서 부력은 유동방향으로 상승하게 하는 작용을 한다.
피동냉각계통의 채택이 증가하는 이유는 무엇인가?
후쿠시마 원전사고 이후 붕괴열 냉각을 위해 능동기기 대신 자연력에 의해 구동되는 피동냉각계통(PCCS: Passive Containment Cooling System)의 채택이 증가하고 있다[1]. 피동냉각기기는 자연력에 의해 구동되며 자연대류에 의해 구동되는 계통의 경우 가열량과 유로의 형상에 따라서 유도되는 유량이 상이하다.
피동냉각기기에서 수직원형관의 종횡비와 표면 거칠기에 의해 열전달이 달라지는 이유는 무엇인가?
후쿠시마 원전사고 이후 붕괴열 냉각을 위해 능동기기 대신 자연력에 의해 구동되는 피동냉각계통(PCCS: Passive Containment Cooling System)의 채택이 증가하고 있다[1]. 피동냉각기기는 자연력에 의해 구동되며 자연대류에 의해 구동되는 계통의 경우 가열량과 유로의 형상에 따라서 유도되는 유량이 상이하다. 따라서 자연대류 열전달에서 수직원형관의 종횡비(L/D)와 표면 거칠기에 의해 열전달이 달라진다.
참고문헌 (14)
Development and Conceptual Design for Passive Containment Cooling System, Ministry of Trade, Industry & Energy, Korea Institute Energy Technology Evaluation and Planning, 2014
Frank P. Incopera, David, P Dewitt, Foundation of Heat Transfer 6th, 2011, pp. 572-575
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Ohk, S. M., Chung, B. J., The Influence of the Surface Roughness on the Natural Convection on a Vertical Flat Plate, Journal of Energy Engineering, 2014, 23, 2, pp. 21-27
Lun-Shin Yao, Natural convection along a vertical complex wavy surface, 2006, 49, pp. 281-286
Fage, A and Preston, J. H., On transition from laminar to turbulent flow in the boundary layer, Proceedings of the Royal Society of London, 1941, 178, pp. 201-227
Levich. V. G., Physicochemical Hydrodynamics, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J, 1962
Selman, J. R., Tobias, C. W., Mass transfer Measurement by the Limiting Current Technique, Adv. Chem. Eng., 1978, 10, pp. 211-318
Ko, S. H., Moon, K. W. and Chung, B. J., Applications of Electroplating Method for Heat Transfer Studies Using Analogy Concept, Nuclear Engineering and Technology, 2006, 38, pp. 251-258
Kang, K. U. and Chung, B. J., The Effects of the Anode size and Position on the Limiting Currents of Natural Convection Mass Transfer Experiment in a Vertical Pipe, Trans. of the KSME(B), 2010, 34, pp.1-8
Fenech, E. J. and Tobias, C. W., Mass transfer by free convection at horizontal electrode, Electrochimica Acta, 1960, 2, 311-325
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