[논문]막비등 영역에서 액적-벽면 충돌 시 충돌각도가 열전달에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

박준석; 김형대

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.3.129

막비등 영역에서 액적-벽면 충돌 시 충돌각도가 열전달에 미치는 영향에 관한 실험적 연구
Experimental Study of Collision Angle Effects on Heat Transfer During Droplet-wall Collision in Film Boiling Regime 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.22 no.3, 2017년, pp.129 - 136

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Effects of collision angle on heat transfer characteristics of a liquid droplet impinging on a heated wall above the Leidenfrost point temperature were experimentally investigated. The heated wall and droplet temperatures were $506^{\circ}C$ and $100^{\circ}C$, respectively, and the impact angle varied from $20^{\circ}$ to $90^{\circ}$ while the normal collision velocity was constant at 0.27 m/s. The droplet collision behaviors and the surface temperature distribution were measured using synchronized high-speed video and infrared cameras. The major physical parameters influencing upon droplet-wall collision heat transfer, such as residence time, wall heat flux, effective heat transfer area, heat transfer amount, were analyzed. It was found at the constant normal collision velocity that the residence time, wall heat flux and effective heat transfer area were hardly not changed, resulting in the almost constant heat transfer amount.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 단일 포화 액적이 Leidenfrost 온도 이상으로 가열된 벽면에 충돌할 때 충돌 각도가 액적의 열전달 특성에 미치는 영향을 실험적으로 관측하고자 한다. 충돌 각도의 영향만을 도출하기 위하여 막비등 상황이 유지될 수 있는 벽면온도, 액적의 직경, 온도, 수직 방향 충돌 속도를 모두 일정하게 유지하는 상태에서 충돌 각도를 20–90° 범위에서 변화시키면서 액적의 충돌 및 열전달 특성을 분석하였다.
본 실험은 중력 방향으로 액적을 토출시켜 기울어진 벽면에 충돌하는 액적을 관측하였다. Froude 수는 액적의 관성력과 중력의 관계를 나타내는 무차원수이다.
본 연구는 막비등 시 액적-벽면 충돌 열전달을 예측하기 위한 모델의 개발을 위한 연구의 일환이다. 이후 연구에서는 충돌 속도, 충돌 각도 및 벽면 온도의 복합적 영향을 반영한 열전달 특성에 대한 열전달 맵을 제작하고, 막비등 영역에서 각 인자들이 열전달 특성에 미치는 영향을 분석할 예정이다.

제안 방법

Leidenfrost 온도 이상으로 가열된 벽면에 충돌하는 포화 액적의 충돌 동안 충돌 각도에 따른 열전달 특성의 변화에 대해 실험을 수행하였다. 충돌 시 수직방향 웨버수(Wen)가 2.
액적의 충돌 시 거동 및 벽면 온도 변화를 고속 카메라(High Speed Video, HSV)와 적외선 카메라(Infra-Red, IR)를 통해 이용하여 동시에 측정하였다. 실험은 대기압 조건에서 수행되었으며, 벽면 온도는 506^oC로 고정하고, 액적은 원통형 수조에 담겨진 순수 물을 밴드 히터로 100^oC(포화 온도)로 가열한 후 31 게이지의 주사 바늘을 활용하여 형성시켰다⁽¹⁰⁾. 고속 카메라를 통해 측정된 액적의 평균 지름은 2 mm이며, 측정오차는 최대 85 μm이다.
액적의 초기속도(Vd)는 충돌하기 직전의 두 프레임에서 액적이 이동한 거리(Δh)에 시간 간격(Δt)을 나눠서 구하였다.
1은 액적-벽면 열전달 측정용 실험장치의 개략도를 나타낸다. 액적의 충돌 시 거동 및 벽면 온도 변화를 고속 카메라(High Speed Video, HSV)와 적외선 카메라(Infra-Red, IR)를 통해 이용하여 동시에 측정하였다. 실험은 대기압 조건에서 수행되었으며, 벽면 온도는 506^oC로 고정하고, 액적은 원통형 수조에 담겨진 순수 물을 밴드 히터로 100^oC(포화 온도)로 가열한 후 31 게이지의 주사 바늘을 활용하여 형성시켰다⁽¹⁰⁾.
충돌 각도의 영향만을 도출하기 위하여 막비등 상황이 유지될 수 있는 벽면온도, 액적의 직경, 온도, 수직 방향 충돌 속도를 모두 일정하게 유지하는 상태에서 충돌 각도를 20–90° 범위에서 변화시키면서 액적의 충돌 및 열전달 특성을 분석하였다.

이론/모형

8에서 보듯이 액적-벽면 충돌 열유속(~10⁵W/m²)은 자연대류 영역의 열유속(~10⁴W/m²) 대비 10배 이상 크기 때문에, 유효 열전달 면적은 열유속구배를 이용하여 정의될 수 있다^(11,12). 열유속 구배를 기준으로 Sobel edge detection 방법⁽²¹⁾을 활용하여 열전달 면적을 측정하였다.

성능/효과

(1) 충돌 각도가 변화함에 따라 액적의 충돌 시간, 열 유속 및 유효 열전달 면적은 거의 일정하였으며, 이로 인해 열전달 에너지량 또한 일정하게 나타났다.
(2) 액적의 충돌 각도는 벽면에 수직한 속도 성분이 작은 경우 액적이 벽면을 따라 이동하는 거리에 변화를 주지만 열전달 특성에 영향을 주지는 않았다.
5em">Table 1은 각 인자별 정확도를 나타낸 것으로 결과 해석에 활용되는 각 인자들의 불확실도는 McLintock⁽¹⁵⁾에의해 제안된 아래의 식으로부터 계산할 수 있다. 각 인자들의 최대 불확실도는 국소 열유속 2%, 열전달 에너지 6%였다.
Froude 수는 액적의 관성력과 중력의 관계를 나타내는 무차원수이다. 본 실험의 조건은 Froude 수가 약 1.93으로, 액적의 거동은 중력에 의한 영향보다는 관성력이 지배적이다. Fig.
9는 위 기법을 기반으로 측정된 충돌 각도에 따른 유효 열전달 면적을 나타낸 것이다. 시간에 따른 유효 열전달 면적은 퍼짐과정동안 증가하여 최대 퍼짐 지름에 도달 후 되튐 과정동안 감소하는 동일한 경향성을 보였다. 열전달 면적은 충돌 각도의 변화에 따라 크게 변화하지 않았으며, 30° 결과에서 다소 낮은 결과를 보였다.
열전달 면적은 충돌 각도의 변화에 따라 크게 변화하지 않았으며, 30° 결과에서 다소 낮은 결과를 보였다.
10은 액적 충돌 시 시간에 따른 열전달률의 변화를 나타낸다. 열전달률은 각도에 상관없이 모든 결과가동일한 경향성을 보였으며, 시간의 따른 변화는 열전달 면적에 비례하였다. 이는 열전달 면적이 열전달률을 좌우하는 중요한 인자임을 뜻한다.
이로 인해 열전달률이 증가했을 것으로 판단된다. 즉, 충돌 각도는 열전달 면적의 변화를 초래하여 열전달률 변화에 영향을 주지만 그 경향성은 매우 미비하다는 결과를 얻었다.

후속연구

5em">본 연구는 막비등 시 액적-벽면 충돌 열전달을 예측하기 위한 모델의 개발을 위한 연구의 일환이다. 이후 연구에서는 충돌 속도, 충돌 각도 및 벽면 온도의 복합적 영향을 반영한 열전달 특성에 대한 열전달 맵을 제작하고, 막비등 영역에서 각 인자들이 열전달 특성에 미치는 영향을 분석할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액적-벽면 충돌 열전달이 다양한 산업에 활용되는 이유는?	액적-벽면 충돌 열전달은 분무 냉각(Spray cooling)의 가장 기본적인 현상으로 액적의 증발 잠열을 활용하기 때문에 큰 열전달 효과를 만들 수 있어서 다양한 산업에서 활용되고 있다. 특히 원자력 발전소에서 액적-벽면 충돌 열전달은 사고 대처 및 안전에 있어 매우 중요한 현상으로 다루어지고 있다.
	액적의 충돌 각도의 변화는 원자력발존소 내 설비에 어떤 영향을 초래할 수 있는가?	뿐만 아니라 액적 충돌 열전달이 발생하는 원자력발전소 내 안전 관련 설비에서 액적의 충돌 각도의 변화는 설비의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 원자력 발전소의 노심 내부에 있는 냉각재가 방출되는 사고가 발생하게 되면 핵연료봉은 과열과 함께 부풀어 올라 유로의 형태 및 크기의 변형을 초래하게 된다(2). 부풀어진 핵연료봉은 노심 하부에서 발생하는 액적들이 증기와 함께 상부로 이동할 때 충돌하는 각도를 변화시켜 핵연료의 냉각 특성에 영향을 주게 된다.
	벽면에 Leidenfrost 온도(1) 이상으로 가열 된 경우 무엇이 발생하는가?	특히 원자력 발전소에서 액적-벽면 충돌 열전달은 사고 대처 및 안전에 있어 매우 중요한 현상으로 다루어지고 있다. 벽면이 Leidenfrost 온도(1) 이상으로 가열된 경우 액적과 벽면간의 열전달 시 급격한 증발에 의해 형성된 증기막을 통한 전도 열전달에 의해 발생한다. 액적-벽면 충돌 열전달은 벽면의 온도,액적의 지름, 온도, 충돌 속도 및 충돌 각도 등에 의해 변화하는 액적의 벽면 충돌 거동 및 열전달 특성을 동시에 분석해야하기 때문에 어려움이 존재하고 따라서 아직까지 현상에 대한 충분한 이해가 되어있지 못한 상태이다.

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저자의 다른 논문 :

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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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