계면활성제 수용액 내 고온 수직 금속봉의 최소막비등점에 대한 연구 Investigation on Minimum Film Boiling Point of Highly Heated Vertical Metal Rod in Aqueous Surfactant Solution원문보기
다양한 온도 조건의 계면활성제 수용액 내에서 급속 냉각되는 고온 수직 금속봉의 최소막비등점에 대한 실험을 수행하였다. 액체로는 Triton X-100 수용액(100 wppm)과 순수(pure water)를 이용하였고, 액체의 온도는 $77^{\circ}C{\sim}100^{\circ}C$ 영역이었다. 고체 시편으로는 시편 중심의 초기 온도가 $500^{\circ}C$인 스테인레스 스틸(stainless steel) 수직봉을 이용하였다. Triton X-100 수용액과 순수에서, 액체의 온도가 감소함에 따라 최소막비등점의 도달시간은 감소하였고, 온도 및 열유속은 증가하였다. 한편, 본 실험 온도 영역에서, Triton X-100 수용액의 경우가 순수의 경우보다 최소막비등점의 도달시간은 길었고, 온도 및 열유속은 감소하는 경향을 나타냈다. 본 실험데이터를 토대로 고온 수직 금속봉에 대해서 Triton X-100 수용액과 순수에서의 최소막비등 온도에 대한 실험식을 제안하였다.
다양한 온도 조건의 계면활성제 수용액 내에서 급속 냉각되는 고온 수직 금속봉의 최소막비등점에 대한 실험을 수행하였다. 액체로는 Triton X-100 수용액(100 wppm)과 순수(pure water)를 이용하였고, 액체의 온도는 $77^{\circ}C{\sim}100^{\circ}C$ 영역이었다. 고체 시편으로는 시편 중심의 초기 온도가 $500^{\circ}C$인 스테인레스 스틸(stainless steel) 수직봉을 이용하였다. Triton X-100 수용액과 순수에서, 액체의 온도가 감소함에 따라 최소막비등점의 도달시간은 감소하였고, 온도 및 열유속은 증가하였다. 한편, 본 실험 온도 영역에서, Triton X-100 수용액의 경우가 순수의 경우보다 최소막비등점의 도달시간은 길었고, 온도 및 열유속은 감소하는 경향을 나타냈다. 본 실험데이터를 토대로 고온 수직 금속봉에 대해서 Triton X-100 수용액과 순수에서의 최소막비등 온도에 대한 실험식을 제안하였다.
In this study, experiments were conducted on the MFB(minimum film boiling) point of highly heated vertical metal rod quenched in aqueous surfactant solution at various temperature conditions. The aqueous Triton X-100 solution(100 wppm) and pure water were used as the liquid pool. Their temperatures ...
In this study, experiments were conducted on the MFB(minimum film boiling) point of highly heated vertical metal rod quenched in aqueous surfactant solution at various temperature conditions. The aqueous Triton X-100 solution(100 wppm) and pure water were used as the liquid pool. Their temperatures ranged from $77^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$. A stainless steel vertical rod of initial center temperature of $500^{\circ}C$ was used as a test specimen. In both liquid pools, as the liquid temperature decreased, the time to reach the MFB point decreased with a parallel increase in the temperature and heat flux of the MFB point. However, over the whole present temperature range, in the aqueous Triton X-100 solution, the time to reach the MFB point was longer, while the temperature and heat flux of the MFB point were reduced when compared with pure water. Based on the present experimental data, this study proposed the empirical correlations to predict the MFB temperature of a high temperature vertical metal rod in pure water and in aqueous Triton X-100 solution.
In this study, experiments were conducted on the MFB(minimum film boiling) point of highly heated vertical metal rod quenched in aqueous surfactant solution at various temperature conditions. The aqueous Triton X-100 solution(100 wppm) and pure water were used as the liquid pool. Their temperatures ranged from $77^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$. A stainless steel vertical rod of initial center temperature of $500^{\circ}C$ was used as a test specimen. In both liquid pools, as the liquid temperature decreased, the time to reach the MFB point decreased with a parallel increase in the temperature and heat flux of the MFB point. However, over the whole present temperature range, in the aqueous Triton X-100 solution, the time to reach the MFB point was longer, while the temperature and heat flux of the MFB point were reduced when compared with pure water. Based on the present experimental data, this study proposed the empirical correlations to predict the MFB temperature of a high temperature vertical metal rod in pure water and in aqueous Triton X-100 solution.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 온도 조건의 Triton X-100 계면활성제 수용액과 고온의 수직 금속봉을 이용하여 급랭 실험을 수행하였다. 급랭 실험 결과를 바탕으로 에너지 평형식과 집중계 해석(lumped system analysis)을 적용하여 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향을 보고하고 검토하였으며, 최소막비등 온도에 대한 실험식을 제안하였다.
본 연구에서는 Triton X-100 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 비교를 위해 순수를 이용하여 추가적인 급 랭 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Triton X-100 수용액(100 wppm)과 순수를 이용하여 다양한 액체 온도 조건에서 급랭 열전달 실험을 수행하였다. 이를 통하여 Triton X100 계면활성제와 액체의 온도가 최소막비등점의 도달시간, 온도 및 열유속에 미치는 영향을 파악하였다.
제안 방법
비교를 위해 순수를 이용하여 추가적인 급 랭 실험을 수행하였다. Triton X-100 수용액과 순수에서 수직 금속봉의 최소막비등점을 찾기 위하여, 급랭 곡선으로부터 아래와 같은 에너지 평형식을 이용하여 시편의 표면온도와 열유속 간곡선을 얻었다.(1)
이는 Triton X-100 계면활성제에 의해서 증기막의 붕괴가 지연될 수 있음을 의미한다. 본 실험데이터를 이용하여 Triton X100 수용액과 순수에 대하여 수직 금속봉의 최소 막비등 온도에 대한 실험 상관식을 제안하였다.
본 연구에서는 Triton X-100 수용액(100 wppm)과 순수를 이용하여 다양한 액체 온도 조건에서 급랭 열전달 실험을 수행하였다. 이를 통하여 Triton X100 계면활성제와 액체의 온도가 최소막비등점의 도달시간, 온도 및 열유속에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 다양한 온도 조건의 Triton X-100 계면활성제 수용액과 고온의 수직 금속봉을 이용하여 급랭 실험을 수행하였다. 급랭 실험 결과를 바탕으로 에너지 평형식과 집중계 해석(lumped system analysis)을 적용하여 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향을 보고하고 검토하였으며, 최소막비등 온도에 대한 실험식을 제안하였다.
본 연구에서는 본 연구자의 기존 연구(5,6)를 참고하여 실험장치 및 시험부를 제작, 이용하였다.
본 연구에서는 시편의 중심 온도가 500 °C이고, 액체의 온도는 약 77 °C~100 °C인 조건에서 실험을 수행하였다.
한편, 액체 온도를 측정하기 위하여 유리비이커(beaker)에 K-type 열전대를 설치하였고, 액체를 원하는 온도로 가열하기 위하여 유리 비이커를 가열기 위에 위치시켰다. 시편과 액체의 온도를 측정하기 위한 열전대를 데이터수집장치(Data Translation, DT9828)에 연결하여 온도 실험데이터를 저장하였다.
Wu 등(12)은 고온의 구형(sphere) 구리 시편과 SLS(Sodium Lauryl Sulfate) 계면활성제가 첨가된 액체풀을 이용하여 급랭 실험을 수행하였다. 이 연구에서는 SLS 계면활성제가 임계열유속에 미치는 영향을 평가하였으나 최소막비등점(MFB point; minimum film boiling point)에 대한 연구는 수행하지 않았다. 급랭 시 계면활성제가 최소 막비등점에 미치는 영향에 대한 연구가 거의 이루어지지 않은 것으로 판단되는 바, 이에 대한 실험이 더욱 활발하게 수행되어야 한다.
한편, 막비등 영역에서는 Biot수가 매우 작아서(Bi<0.1) 집중계 해석의 적용이 타당한 것으로 알려져 있으므로,(4,10) 시편의 벽면 온도와 열유속 간 곡선을 도출하는데 집중계 해석 방법을 적용하였다.
급랭이 일어나는 액체의 경우, Triton X-100 비이온계(nonionic) 계면활성제 수용액(100 wppm)과 순수(pure water)를 이용하였다. 한편, 액체 온도를 측정하기 위하여 유리비이커(beaker)에 K-type 열전대를 설치하였고, 액체를 원하는 온도로 가열하기 위하여 유리 비이커를 가열기 위에 위치시켰다. 시편과 액체의 온도를 측정하기 위한 열전대를 데이터수집장치(Data Translation, DT9828)에 연결하여 온도 실험데이터를 저장하였다.
대상 데이터
5 mm K-type 열전대를 삽입하여 제작하였다. 급랭이 일어나는 시편은 직경 10 mm, 길이 50 mm의 원통형이며, 하부는 곡률 반경 5 mm의 반구형으로 가공하였다. 시편의 재질은 스테인레스 스틸이고, 중심부에 25 mm 깊이로 지름 0.
급랭시 일어나는 시간에 따른 시편의 온도 변화를 데이터수집장치를 이용하여 저장한다. 데이터 수집속도는 초당 20개로 설정하였고, 실험은 각 조건에서 1회 실시하여 실험데이터를 획득하였다.
급랭이 일어나는 시편은 직경 10 mm, 길이 50 mm의 원통형이며, 하부는 곡률 반경 5 mm의 반구형으로 가공하였다. 시편의 재질은 스테인레스 스틸이고, 중심부에 25 mm 깊이로 지름 0.5 mm의 구멍을 가공하였다. 해당 구멍에 지름 0.
시험부는 시편과 2개의 스테인레스 스틸 튜브(stainless steel tube)를 연결하고 직경 0.5 mm K-type 열전대를 삽입하여 제작하였다. 급랭이 일어나는 시편은 직경 10 mm, 길이 50 mm의 원통형이며, 하부는 곡률 반경 5 mm의 반구형으로 가공하였다.
데이터처리
본 연구에서는 Triton X-100 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 비교를 위해 순수를 이용하여 추가적인 급 랭 실험을 수행하였다. Triton X-100 수용액과 순수에서 수직 금속봉의 최소막비등점을 찾기 위하여, 급랭 곡선으로부터 아래와 같은 에너지 평형식을 이용하여 시편의 표면온도와 열유속 간곡선을 얻었다.
액체의 과냉도가 증가함에 따라 최소막비등온도가 증가하는 경향을 보이고 있으며, 이는 기존 연구 결과(19,20)와 일치한다. 한편, 본 실험데이터 중 순수의 결과를 수직 금속봉과 순수를 이용한 Yamada 등(19)의 기존 상관식과 비교하여 보았다. Yamada 등(19)은 식 (4)의 C1과 C2 값을 각각 4.
성능/효과
Figs. 6-9를 토대로 볼 때, Triton X-100 계면활성제는 최소막비등점의 도달시간을 증가시키고, 최소막비등점의 온도 및 열유속을 감소시키는 것으로 나타났다. 이는 Triton X-100 계면활성제가 막비등 영역에서 증기막 붕괴를 지연시키는 역할을 한다는 것을 의미하고, 추후 계면활성제와 증기막 붕괴 간 상관관계를 규명하기 위한 세부 연구가 필요할 것으로 판단된다.
7에 나타낸 최소막비등 온도와 유사한 경향을 나타내었다. 두 액체에서 모두 액체의 온도가 증가함에 따라 최소막비등 열유속이 감소하는 경향이 나타났으며, Triton X-100 수용액에서 순수에서보다 더 낮은 최소막비등 열유속이 나타났다.
6)은 Triton X-100 수용액과 순수 모두의 경우에서 액체의 온도가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 본 실험의 액체 온도 영역에서 Triton X-100 수용액이 순수에 비하여 최소막비등점 도달시간이 증가하는 것으로 측정되었다. 이는 막비등 영역이 더 늦은 시간에 종료된다는 것을 의미한다.
서론 부분에서 표면장력에 대한 최소막비등 온도 예측이 기존 상관식 간 경향 차이가 있다는 것을 언급한 바 있다. 본 실험 결과를 토대로 볼 때, Triton X-100 수용액이 순수에 비해 더 낮은 표면장력을 나타낼 것으로 보이고(Fig. 2), 더 낮은 최소막비등 온도를 보였다(Fig. 7). 즉, 본 실험에서는 표면장력이 작은 경우 최소막비등 온도가 낮아지는 경향이 관찰되었다.
1) 집중계 해석의 적용이 타당한 것으로 알려져 있으므로,(4,10) 시편의 벽면 온도와 열유속 간 곡선을 도출하는데 집중계 해석 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 Kline(18)이 제안한 방법을 이용하여 불확실도(uncertaint y)를 평가하였고, 시편의 부피, 면적, 시간에 따른 온도 차 변화의 불확실도는 2 %, 1.3 %, 3.6 % 이내이고, 열유속의 불확실도는 9 % 이내로 평가되었다.
5에 다양한 온도 조건의 Triton X-100 수용액에 대한 급랭 곡선을 나타내었다. 액체의 온도가 감소함에 따라 급랭 곡선은 왼쪽으로 이동하는 경향을 나타냈고, 최소막비등점은 더 높은 온도에서 발생하는 것으로 관찰되었다. 이는 액체 온도가 감소함에 따라 시편 주위에 생성된 증기막 내 응축 현상이 활발하게 일어나므로 증기막이 빨리 붕괴될 수 있기 때문이다.
액체의 온도가 낮아짐에 따라 Triton X-100 수용액과 순수 모두에서 최소막비등점에 도달하는 시간은 짧아지고, 최소막비등점의 온도 및 열유속은 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 액체의 온도가 감소함에 따라 증기막에서의 응축이 활발하게 일어나기 때문으로 판단된다.
65와 233로 제안하였다. 전체적으로, 본 실험 상관식이 Yamada 등(19)의 상관식에 비 하여 최소 막 비등 온도를 약간 크게 예측하고 있음을 알 수 있고, 두 실험 상관식 간 차이는 6 %로 평가되었다. 이러한 차이가 나타난 이유 중 하나는 Yamada 등(19)이 사용한 시편의 재질(pure silver) 및 크기(지름: 32 mm, 길이: 48 mm, 하부 반구형의 반경: 16 mm)가 본 실험에서 사용한 시편의 재질 및 크기와 다르기 때문으로 판단된다.
7). 즉, 본 실험에서는 표면장력이 작은 경우 최소막비등 온도가 낮아지는 경향이 관찰되었다.
최소막비등점 온도(TMFB, Fig. 7)의 경우, 두 액체에서 모두, 액체의 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 본 실험의 액체 온도 영역에서, 순수에서보다 Triton X-100 수용액에서 더 낮은 최소막비등 온도를 나타냈다. 서론 부분에서 표면장력에 대한 최소막비등 온도 예측이 기존 상관식 간 경향 차이가 있다는 것을 언급한 바 있다.
최소막비등점에 도달하는 시간(tMFB), 즉, 막비등영역이 종료되는 시간(Fig. 6)은 Triton X-100 수용액과 순수 모두의 경우에서 액체의 온도가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 본 실험의 액체 온도 영역에서 Triton X-100 수용액이 순수에 비하여 최소막비등점 도달시간이 증가하는 것으로 측정되었다.
온도가 증가함에 따라 순수의 표면장력은 점차적으로 감소하였으나, Triton X-100 수용액의 경우, 23 °C와 80 °C에서의 표면장력 측정 데이터는 큰 차이를 보이지 않았다. 한편, 온도가 증가함에 따라 순수와 Triton X-100 수용액 간 표면장력 차이가 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
한편, Figs. 6-9에서 나타난 바와 같이, 액체의 온도가 낮을 경우가 높은 경우에 비해 순수와 Triton X-100 수용액 간 차이가 큰 것처럼 관찰되는데 추후 이와 관련한 추가연구가 필요하다. 서론에서 언급한 바와 같이 기존의 비등 관련 연구에서 계면활성체 수용액의 액체풀과 수직봉을 이용하여 급랭 실험을 수행하여 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향을 파악한 연구는 거의 찾아볼 수 없다.
이 연구에서는 SLS 계면활성제가 임계열유속에 미치는 영향을 평가하였으나 최소막비등점(MFB point; minimum film boiling point)에 대한 연구는 수행하지 않았다. 급랭 시 계면활성제가 최소 막비등점에 미치는 영향에 대한 연구가 거의 이루어지지 않은 것으로 판단되는 바, 이에 대한 실험이 더욱 활발하게 수행되어야 한다.
서론에서 언급한 바와 같이 기존의 비등 관련 연구에서 계면활성체 수용액의 액체풀과 수직봉을 이용하여 급랭 실험을 수행하여 계면활성제가 최소막비등점에 미치는 영향을 파악한 연구는 거의 찾아볼 수 없다. 본 연구는 이러한 연구 주제에 대한 선행 실험 결과이며, 추후 계면활성제 종류와 농도가 급랭 시 최소막비등점에 미치는 영향에 대한 다양한 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
6-9를 토대로 볼 때, Triton X-100 계면활성제는 최소막비등점의 도달시간을 증가시키고, 최소막비등점의 온도 및 열유속을 감소시키는 것으로 나타났다. 이는 Triton X-100 계면활성제가 막비등 영역에서 증기막 붕괴를 지연시키는 역할을 한다는 것을 의미하고, 추후 계면활성제와 증기막 붕괴 간 상관관계를 규명하기 위한 세부 연구가 필요할 것으로 판단된다. 한편, Figs.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
급랭은 어떤 현상인가?
급랭(quenching)은 매우 높은 온도로 가열된 물체가 훨씬 낮은 온도의 액체에 의해 급격히 냉각될 때 일어나는 현상이다. 높은 온도의 물체가 급격하게 냉각되면서, 열전달 영역은 일반적으로 막 비등, 천이비등 및 핵비등, 그리고 단상자연대류로 변화한다.
높은 온도의 물체가 급격하게 냉각될 때 열전달 영역은 어떻게 변화하는가?
급랭(quenching)은 매우 높은 온도로 가열된 물체가 훨씬 낮은 온도의 액체에 의해 급격히 냉각될 때 일어나는 현상이다. 높은 온도의 물체가 급격하게 냉각되면서, 열전달 영역은 일반적으로 막 비등, 천이비등 및 핵비등, 그리고 단상자연대류로 변화한다.(1) 이러한 급랭 현상은 원자력 발전소의 원자로 내 핵연료 냉각 및 화재 상황에서 뜨거운 고체 표면 냉각 과정 등에서 관찰할 수 있다.
급랭 시 과도 열전달 현상에서 계면활성제에 대한 연구현황은 어떠한가?
지금까지 급랭 시 과도 열전달 현상에 대하여 고체 시편(2~7)뿐 아니라 액체(8~10)의 영향을 파악하기 위한 다양한 연구가 수행된 바 있다. 그러나, 계면활성제는 비등 현상에 지대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있고, 그에 대한 다양한 연구가 이루어져 왔으나,(11) 계면활성제 수용액의 액체풀(liquid pool)을 이용한 급랭 열전달 연구는 상대적으로 매우 적었다. Wu 등(12)은 고온의 구형(sphere) 구리 시편과 SLS(Sodium Lauryl Sulfate) 계면활성제가 첨가된 액체풀을 이용하여 급랭 실험을 수행하였다. 이 연구에서는 SLS 계면활성제가 임계열유속에 미치는 영향을 평가하였으나 최소막비등점(MFB point; minimum film boiling point)에 대한 연구는 수행하지 않았다. 급랭 시 계면활성제가 최소 막비등점에 미치는 영향에 대한 연구가 거의 이루어지지 않은 것으로 판단되는 바, 이에 대한 실험이 더욱 활발하게 수행되어야 한다.
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