삼상유동층에서의 열전달 특성

Abstract

기-액이상흐름, 액상 유동층 및 삼상 유동층의 열전달 특성을 직경 15.2cm의 유동층 반응기에서 연구하였다. 실험에서 기상으로 공기를, 액상으로 물을 각각 사용하였으며, 서로 크기가 다른 4종류의 유리구를 고체입자로 사용하였다. 액상유량 $(2.0 \sim 16.0cm/s)$, 기상유량 $(0.0 \sim 12.0cm/s)$과 입자의 크기(1.7,4.0,6.0,8.0mm)가 직경 3.0cm 길이 36.5cm의 immersed electrical heater (60 V, 800 W)와 유동층 사이의 열전달계수에 미치는 영향을 연구하였다. 상체유량은 pressure profile method를 기포의 수직길이 및 상승속도는 electroresistivity probe method를 각각 사용하여 측정하였다. 기 - 액이상 흐름 및 3상 유동층에서의 기포의 수직길이 및 상승속도는 기상유량의 증가에 따라 증가하였으며 액상유량의 증가에 따라 감소되었다. 작은 직경의 고체입자를 사용한 경우(1.7mm), 층 높이는 적은 양의 기체를 주입합에 따라 수축하였으며, 큰 직경의 고체입자를 사용한 경우(6.0,8.0mm)그 반대의 경향을 관찰 할 수 있었다. 삼상 유동층의 액상 체유량은 액상유속의 증가 및 입자의 크기의 감소에 따라 증가하였으나 기상유속의 증가에 따라 감소하였다. 기-액 이상흐름에서 열전달계수는 낮은 기상 유속 법위에서는 기상유속이 증가함에 따라 급격히 증가하다 높은 기상 유속 범위에서는 기상유속의 증가에 따른 열 전달계수의 증가가 완만해지고 액상유속에는 거의 영향을 받지 않았다. 액상 유동층에서의 열전달 계수는 액상유속 즉 액상 체유량에 대해 최대치를 나타냈고 입자의 직경이 증가함에 따라 열전달 계수도 증가하였다. 삼상 유동층에서의 열전달 특성은 기-액이상 흐름에서의 열전달 특성과 액상 유동층에서의 열전달 특성을 함께 나타냈다. 즉 삼상유동층의 열전달계수는 임의의 액상유속과 입자의 크기에 있어 기상유속이 증가함에 따라 증가하였고 그 열전달 계수의 증가율은 기상유속이 증가함에 따라 완만해지는 경향을 나타냈다. 그리고 액상유속이 증가함에 따라 열전달 계수도 증가하여 최대치에 달한 후 다시 감소하는 경향이 나타났다. 입자의 크기가 증가함에 따라 삼상 유동층의 열전달 계수는 서서히 증가하다. 8.0mm 입자에서는 약간 감소하였다. 삼상 유동층사이의 열전달 계수는 액상의 Froude number, 기상의 Froude number 및 액상의 Reynolds number의 함수인 무차원 실험식으로 나타낼 수 있었다. 즉 $$\frac{hd_p}{k_t} = 0.200 \left( \frac{u_l^2}{gd_p} \right)^{-0.316} \left( \frac{ug^2}{gd_p} \right)^{0.072} \left( \frac{d_p u_l \rho_l}{\mu_l} \right)^{0.795}$$