기포 분쇄 물질을 첨가한 삼상 유동층의 열전달 특성

Abstract

기포분쇄 물질을 첨가한 삼상유동층에서의 열전달 특성을 직경 14.2 cm, 길이 200.0 cm 의 아크릴 관을 이용하여 연구하였다. 액상으로는 물을, 기상으로는 공기를, 고체상으로는 glass bead 를 사용하였으며, 기포분쇄를 목적으로 기포분쇄 물질을 이용하였다. 열 공급원으로는 직경 3.0 cm, 길이 36.5 cm 의 immersed heater($60 V × 600 W$) 를 유동층내에 설치하였으며, 액상유속(2.0 - 9.0 cm/sec), 기상유속(2.0 - 12.0 cm/sec)의 범위에서 입자(1.0 - 6.0 mm) 및 기포분쇄 물질($10.0 mm OD × 25.4 mm L$) 을 첨가하고 열전대를 이용하여 heater 온도 및 유동층 내의 온도를 측정하여 열전달 계수를 계산하였다. 상체류량은 pressure profile method를, 기포의 수직길이는 electroresistivity method 를 이용하여 측정하였다. 기포탑에서의 열전달 계수는 낮은 기상유속범위에서는 기상유속의 증가에 따라 급격히 증가하다가 높은 기상유속 범위에서는 증가율이 완만해졌으며 액상유속의 영향은 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 액상유동층에서의 열전달 계수는 액상유속 즉, 액상체류량에 대해 최대값을 보이고 감소하였다. 삼상유동층에서의 열전달은 기포탑 및 액상유동층에서의 열전달 특성을 동시에 나타냈다. 즉, 기상유속의 증가에 따라 증가하고 액상유속의 증가에 따라 최대값을 보이고 감소하였다. 한편, 기포합체 영역의 입자인 1.0, 1.7 mm 입자의 삼상유동층에서는 높은 기상유속 의 동일 조건에서 기포탑 및 기포분쇄 영역의 입자인 3.0, 6.0 mm 의 경우보다 열전달 계수가 낮게 나타났는데 이는 이들 입자가 주입된 기상을 큰 기포로 생성시켜 유동층내의 기상 체류량을 감소시키고 열전달을 증가시키는 액상 eddy 의 움직임을 활발하게하지 못하기 때문으로 나타났다. 따라서 기포분쇄를 목적으로 하는 기포분쇄 물질을 유동층내에 첨가하여 열전달에 미치는 영향을 살펴보면 다음과 같다. 기포합체 영역의 입자인 경우 기포분쇄 물질 혼합비율 약 15% 에서 최대의 열전달 계수를 나타냈으며 증가율은 약 20 % 에 달했다. 그러나 기포분쇄 영역의 입자인 경우에는 입자 자체가 기포분쇄 역할을 하기때문에 기포분쇄 물질 첨가에 따른 열전달 계수의 변화를 기대할수 없었다. 한편 기포분쇄 물질 첨가에 따른 열전달 계수, 기상체류량 및 기포의 수직길이는 상호 밀접한 관계가 있음을 알았다. 즉, 기포합체 영역의 입자인 경우 기포분쇄 물질 첨가에 따라 생성된 기포가 분쇄를 일으켜 기포의 수직길이는 감소하며 분쇄된 기포는 그의 상승속도가 작은 까닭에 유동층내의 기상체류량을 증가시키며 증가된 기상체류량은 액상 eddy 의 움직임을 활발하게 하여 열전달 계수를 증가시킨다. 또한 삼상유동층의 열전달 모델로 제시된 unsteady state heat diffusion model 에 본 실험 data 를 적용한 결과 기포분쇄 물질을 첨가한 삼상유동층에서도 잘 적용됨을 알았다. 본 실험 범위내에서 열전달계수를 변형된 Reynolds number 와 기포분쇄 물질 혼합비의 함수인 무차원군으로 나타내면 다음과 같다. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요)