[논문]미립피복 로릭산 슬러리의 관내 대류 열전달에 관한 연구

정동주; 최은수

문제 정의

상변화 물질 슬라러에 관한 연구는 고상에서 액상으로의 이상 유동에 관한 연구로서 미국을 비롯한 몇몇 선진국가들에 의해 수행된 바는 있으나, 아직까지는 실험적 자료들이 정성적 그리고 정량적으로 매우 부족하고 이에 따른 이론적 비경 또한 미흡한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 상변화 물질 슬러리의 일종인 미랍과복 로릭산 슬러리에 이용한 충류 열 역에서의 판니 대류 열전달 특성에 관한 연구를 수행하였다.
개략도이다. 본 장치는 압력 차에 의해 유체를 순환시키도록 제작되었으며, 이는 펌프를 사용할 경우에 발생할지도 모르는 미립피복 로릭산의 파손과 진동으로 인한 오차를 줄이기 위해서이다. 본 장치의 구성은 크게 가압부, 저장부, 시험 부, 전원부 및 자료 인식부로 나눌 수 있다.

제안 방법

저장부는 내경이 200 nun, 높이가 500 mm 그리고 두께가 6.5 mm이며 스테인리스 스틸로 제작되었고, 저장부의 외벽에 원통형의 물 순환부 luoater jack虹)를 설치하여 항온순환수조에서 나오는 일정 온도의 물을 순환시킴으로서 저장 부내의 슬러리의 온도를 조절하였고, 온도 변화를 고려하여 단열재를 사용하여 단열시켰다. 저장 부하 단에 자석 교반기를 설치하였으며, 용기 내부에서 자석 막대가 빠른 속도로 회전하여 상변화 물질이 균질하게 운반 유체에 섞일 수 있게 하였다.
구성되어 있으며, 슬라이닥스의 최대 전압 및 전류는 각각 220 Volts 및 114 Amperes이고,전원 공급 장치의 최대 전압 및 최대 전류는 각각 50 Volts 및 500 Amperes이다. 전원부에서 공급되는 전력은 시험 부의 양단에 연결된 공급용 플랜지를 통해 공급하여 시험 부가 일정 열 유속경계 조건이 되도록 하였다. 가열 시험부에 전달되는 전력을 측정하기 위하여 전원부와 가열 판과의 연결 전선에 전류계와 전압계를 설치하여 전류 및 전압을 측정하였다.
전원부에서 공급되는 전력은 시험 부의 양단에 연결된 공급용 플랜지를 통해 공급하여 시험 부가 일정 열 유속경계 조건이 되도록 하였다. 가열 시험부에 전달되는 전력을 측정하기 위하여 전원부와 가열 판과의 연결 전선에 전류계와 전압계를 설치하여 전류 및 전압을 측정하였다. 본 장치에 사용된 자료 인식부는 오메가사의 remscanlOOOA 모델이다.
시험부의 유체역학적 발달영역 부는 시험부 입구에서부터 X/力=47가 되는 부분이다. 가열 시험 부는 전체 길이를 x/O = 237로 하였고, 가열 시험 부의 외벽에는 총 11개의 7형 열전대를 x/D = 27의 간격으로 설치하였으며, 외벽 온도를 측정한 후, 관의 열전도 계수를 이용하여 내벽 온도를 구하여 해석에 사용하였다. 시험 부 끝은 밸브가 부착된 고무 튜부를 연결하였으며, 가해주는 압력 뿐만 아니라 벨브를 통해서도 유량 조절이 가능하도록 하였다.
가열 시험 부는 전체 길이를 x/O = 237로 하였고, 가열 시험 부의 외벽에는 총 11개의 7형 열전대를 x/D = 27의 간격으로 설치하였으며, 외벽 온도를 측정한 후, 관의 열전도 계수를 이용하여 내벽 온도를 구하여 해석에 사용하였다. 시험 부 끝은 밸브가 부착된 고무 튜부를 연결하였으며, 가해주는 압력 뿐만 아니라 벨브를 통해서도 유량 조절이 가능하도록 하였다.
가열 시험 부의 양단은 열전도 계수를 고려하여 길이가 190 nun 및 폭이 20 mm 인 구리로 제작된 가열 판을 은 납땜하여서 전원부에서 공급되는 전력이 가열시험부에 전달되도록 하였다.
본 연구에서는 알케인류의 일종인 로릭산을 요소 수지와 젤라틴을 이용하여 삼중으로 피복을 입힌, 입자 직경이 각각 25, 50, 100, 200 例 인 미 립 피복 로릭산을 운반 유체인 물에 일종 농도로 분산시켜 슬러리로 만들어 사용하였으며, 如初己1에 실험 조건을 나타내었다.
실험은 로릭산의 상태를 고려하여, 시험 부의 입구 및 출구 온도가 로릭산의 용융 온도 보다 낮아 로릭산이 유동 시에 고체 상태로만 존재하는 경우, 시험 부의 입구 온도는 용융 온도 보다 낮고 출구 온도는 용융 온도보다 높아 유동 시에 고체에서 액체로의 상변화를 수반하는 경우 그리고, 입구 및 출구 온도가 로릭산의 용융 온도 보다 높아 유동 시에 항상 액체 상태로 존재하는 경우로 나누어 수행하였다. 여기서 로릭산의 용융 온도는 46.
본 연구의 해석을 위해 사용된 레이놀드 수와 프란틀 수는 미립피복 로릭산 슬러리의 점도와 유효 열용량을 직접 측정⑺하여 얻은 값을 이용한 값이며, 슬러리의 밀도는 문헌에 제시된 로릭산의 밀도를 온도에 따라 보간하여 평균한 값을 사용하였다. 그림에서 실선으로 나타낸 곡선은 층류 영역에서 물의 국소 누셀트 수를 이론적⑻으로 얻은 결과이고, % 는 미립피복 로릭산의 첨가농도를 나타낸다.

대상 데이터

본 장치는 압력 차에 의해 유체를 순환시키도록 제작되었으며, 이는 펌프를 사용할 경우에 발생할지도 모르는 미립피복 로릭산의 파손과 진동으로 인한 오차를 줄이기 위해서이다. 본 장치의 구성은 크게 가압부, 저장부, 시험 부, 전원부 및 자료 인식부로 나눌 수 있다. 가압 부는 압축기, 공기탱크 및 수은 마노미터로구성되어져 있으며, 공기탱크는 용기의 부피를 고려하여 압축 공기가 충분히 안정적으로 시험 부에 공급되도록 두 개를 연결하여 사용하였다.
가열 시험부에 전달되는 전력을 측정하기 위하여 전원부와 가열 판과의 연결 전선에 전류계와 전압계를 설치하여 전류 및 전압을 측정하였다. 본 장치에 사용된 자료 인식부는 오메가사의 remscanlOOOA 모델이다.
시험 부는 내경이 3.66 mm, 외경이 4 mm, 총길이가 1.2 m인 스테인리스 스틸관으로 제작하였다. 시험부의 유체역학적 발달영역 부는 시험부 입구에서부터 X/力=47가 되는 부분이다.

성능/효과

이론적인 국소 누셀트 수는 급격히 감소하는 구간을 거친 후에 서서히 감소하여 4.364에 수렴하는 경향을 나타내는 반면에, 슬러리의 경우는 급격히 감소하는 구간을 거친 후에 다소 불규칙하게 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 슬러리가 지속적으로 가열됨에 따라 반지름 방향으로뿐만 아니라 유동 방향으로도 슬러리의 물성치들이 지속적으로 변화하는 재발달 효과(redeveloping 前ect)에 의한 것으로 추정되며, 따라서 일 정한값으로 수렴하는 경향은 나타나지 않는 것으로해석되어진다.
동일 농도에서의 입자 크기에 따른 경향을 살펴보면, 로릭산의 상태에 무관하게 입자 크기가 클수록 국소 누셀트 수도 비선형적으로 크게 나타났으며, 용융 과정을 거칠 경우에 더욱 크게 나타났다. 이러한 경향은 입자 주위에서 발생하는 미소 대류 열전달에 기인한 것으로 입자 크기가 증가할수록 입자 주위에 미소 대류가 크게 형성되며, 이에따라 국소 누셀트 수가 비선형적으로 증가한 것으로 추정된다.
전체적으로 스테판 수가 감소할수록 국소 누셀트수는 증가하는 경향을 나타내었다. 스테판 수의감소는 잠열의 영향의 증가를 나타내며, 이는 첨가 농도의 증가를 나타낸다.
얻었다. (1) 슬러리의 국소 누셀트 수는 입자 크기가 증가할수록 비선형적으로 증가하였으며, 이는 미소 대류 열전달에 의한 것으로 미소 대류 열전달은 입자 m기가 증가할수록 비선형적으로 증가하였다.
(2) 슬러리의 국소 누셀트 수는 스테판 수가 감소 할수록 증가하였으며, 이는 첨가 농도 증가에 따른 잠열의 영향의 증가 때문이다.
(3) 슬러리의 유효 열용량은 용윰과정올 거칠 경우에 최고 50% 증가하였으며, 첨가 농도가 증가 할수록 유효 열용량 또한 증가 하였다.

후속연구

기존에 사용되었던 열전달 유체인 냉수, 온수, 증기 및 냉매 등은 이용 조건에 따라 사용 한계가 있으므로 이러한 문제 해결을 위해서는 새로운 개념의 열전달 유체에 대한 연구가 필요하다. 새로운 개념의 열전달 유체는 우선 고밀도 축열 및 축냉이 가능하고, 고밀도 열에너지의 고속 수송과 열에너지 수송 시 요구되는 반송 동력의 감소를 위한 유동 저항 감소, 열적 온도 이용 폭의 확대와 이용 열량의 증대 및 환경 친화적인 문제 등 여러 요구 조건을 만족하여야만 한다.
뿐만 아니라, 소형화되는 전자 부품의 새로운 냉각 기술인 미소유로 열전달(micro-channel heat打寸齐丿에 적용이 가능하며, 열전달 유체의 질적인 향상과 양적인 감소를 통해 열교환기의 소형화도 가능할 것으로 생각된다.

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