비등과 응축열전달 기술교육팀 원자력교육원

학습목표 비등과 응축열전달 관련 용어를 안다. 열전달 곡선을 그리고 설명할 수 있다. 비등열전달에 영향을 미치는 인자를 안다. 비등열전달에 영향을 미치는 인자를 안다. 응축열전달 개념을 안다. 응축열전달의 형태별 특징을 안다.

1. 용어 정의(1/4) 증발 액체와 기체의 경계면에서 액체가 기화하는 단순한 상 변화 현상 비등 (Boiling) - 액체 내부에서 증기가 생성되는 과정 <가열방법에 따른 분류/비등위치> 푸울비등 (Pool Boiling) 액체와 접촉하는 전열면상에서 증기가 발생되는 과정 (예 : 증기발생기) 체적비등 (Volume Boiling) 액체 내부에서 균일하게 일어나는 비등 ← 액체 내 화학반응이나 핵반응에 의해 열이 발생

1. 용어 정의(2/4) 핵비등 (Nucleate Boiling) 막비등 (Film Boiling) 핵비등과 막비등이 공존 액체 내에서 증기나 기체의 작은 핵을 중심으로 기포가 형성되는 것 막비등 (Film Boiling) 전열면을 덮는 연속된 막을 형성하는 비등 형태 핵비등과 막비등이 공존 부분막비등, 부분핵비등 혹은 불안정 핵막비등

1. 용어 정의(3/4) 포화비등 (Saturated Boiling)과 과냉비등(Subcooled Boiling) – 주변 액체의 온도에 기준한 분류 전열면은 포화온도 이상 되어야 함 핵비등이나 막비등 형태를 취할 수 있음 과냉비등 비등이 일어나는 주변 액체가 포화온도보다 낮은 상태 포화비등 비등이 일어나는 주변 액체가 포화상태 (발생기포가 액체 속에서 소멸되지 않음) 체적비등은 포화비등 형태를 취함

1. 용어 정의(4/4) 2상류 (Two Phase Flow) 유로 내에서 기체와 액체가 혼합되어 흐르는 유동 보일러 내의 물의 유동 유동 중에 증기가 연속적으로 발생 두 상의 유속이 다르며 기포의 속도가 액체의 속도보다 빠름 슬립 (Slip) 슬립비 (Slip Ratio) 응 축 (Condensation) 증기가 다시 액체로 환원되는 현상 냉각면을 완전히 덮는 액체 막 형성 액체방울을 형성하며 응축 진행

2. 비등 열전달(1/10) 열전달 곡선 대류열전달량 또는 계수 전열면(Wall)온도와 포화온도와의 차

2. 비등 열전달(2/10) 영역Ⅰ: 대류 열전달 영역 기포 발생 없이 자연대류가 이루어짐 Q는 △T의 1.25승에 근사적으로 비례

2. 비등 열전달(3/10) 영역Ⅱ와 Ⅲ : 핵비등 영역 (Nucleate Boiling) 전열면에서 기포가 형성되어 떨어져 나감 주변 액체가 포화온도보다 낮으면 응축 되면서 기포가 가지고 있던 잠열(Latent Heat) 방출 전열면에서 기포가 떨어져 나갈 때 전열면 가까이에 있는 액체 교반 <= 대류열전달계수 증가 액체 교반 및 응축 열전달 때문에 대류 열전달 영역에 비해 열전달이 훨씬 잘 이루어 짐

2. 비등 열전달(4/10) 영역Ⅱ: 과냉핵비등 (Sub-Cooled Nucleate Boiling)영역 액체의 온도가 포화온도 이하이기 때문에 발생된 기포가 액체 중에 혼합되면 응축 영역Ⅲ : 포화핵비등 (Saturated Nucleate Boiling)영역 또는 부피비등(Bulk Boiling) 영역 발생된 기포가 액체 중에 혼합되어 존재

2. 비등 열전달(5/10) 영역Ⅳ : 부분막비등 (Partial Film Boiling)영역 핵비등에서 막비등으로 바뀌는 영역 기포형성이 너무 빨라 전열면에 새로운 유체 유입방해 대류에 의한 열전달이 감소하고 주로 증기막을 통한 전도에 의해 열전달이 이루어짐 => 열전달 감소

2. 비등 열전달(6/10) 열유속의 극대점 : a 핵비등이탈점 (Departure from Nucleate Boiling Point) 핵비등에서 막비등으로 천이되는 점 재료의 용융점 이상의 온도 : b점 열유속 임계열유속 (Critical Heat Flux) 또는 DNB(Departure from Nucleate Boiling) 열유속 Burnout 열유속 DNBR DNB 열유속/국부 최대 열유속

2. 비등 열전달(7/10) 영역Ⅴ : 막비등 (Film Boiling) 영역 전열면 전체가 증기막으로 덮이게 됨 대류에 의한 열전달은 거의 없으며 대부분이 증기막을 통한 전도나 복사에 의한 열전달이 이루어짐 전열면 온도가 상당히 증가

2. 비등 열전달(8/10) 영역 Ⅵ : 막복사 영역 열전달의 대부분이 증기막을 통한 복사 열전달에 의해 이루어짐

2. 비등 열전달(9/10) 핵비등 핵점(Nucleate Point) : 핵비등의 2가지 조건 기포를 형성하기 위한 핵점이 있어야 함 표면온도가 포화온도 보다 몇 도 높아야 함 기포사이클 동일한 장소에서 주기적으로 발생

3. 비등열전달영향인자(1/5) 액체 및 증기의 물리적 성질 점성계수, 비중량, 밀도, 증발잠열, 열전도도, 표 면장력 등 전열면의 거시적형상, 즉 유로현상 등 전열면의 미시적형상, 즉 조도나 오염도 등 비등 현상은 전열면 표면의 아주 가까운 곳에서 발생하므로 표면의 국소적이며 미시적인 조건에 영향을 크게 받음 중력가속도, 진동 압력, 온도, 유속, 유량 발전소 비등 열전달 제어 – 압력, 온도, 유량

3. 비등열전달영향인자(2/5) 압력영향 압력상승 물의 포화온도 증가 핵비등을 계속 유지하기 위해서는 더 많은 열이 요구됨 핵비등을 계속 유지하기 위해서는 더 많은 열이 요구됨 열을 더 부가하지 않으면 핵비등 중 단 열유속 Q가 일정한 상태에서 더 큰 △T를 유지하더라도 일정구간에 서는 핵비등이 일어나지 않게 됨

3. 비등열전달영향인자(3/5) 압력감소 포화온도가 감소하여 더 많은 비등 발생 막비등의 원인 전열면의 온도상승 - 전열면(핵연료 피복재) 손상

3. 비등열전달영향인자(4/5) 온도 영향 열전달 효과는 에 비래하여 증가 전열면 온도가 액체 압력에 대한 포화온도 도달시 열전달 효과는 에 비래하여 증가 전열면 온도가 액체 압력에 대한 포화온도 도달시 핵비등 발생 온도 더욱 증가시 핵비등에서 막비등 진입

3. 비등열전달영향인자(5/5) 유량영향 급격한 유량 증가 급격한 유량 감소 전열면의 온도가 감소되어 핵비등량 감소 전열면의 열제거가 잘 이루어지지 않아 벽 온도가 상승하여 막비등으로 발전

3. 응축열전달(1/5) 개 요 증기가 그 포화온도보다 낮은 고체(또는 액체)표 면에 접촉하면 그 경계면에서 응축되어 기상에서 액상으로 변하면서 잠열(Latent Heat : 증발열) 방 출 복수기, 냉동기의 응축기, 급수가열기, 냉각기 등 응축은 그 체적이 감소하는 방향으로 변화하므로 열이동 완료 후의 상(액체)이 열이동 전의 상(기체) 을 교란시키는 일이 적음

복수기 복수기(표면식 열교환기)

냉동기 더운 바람 찬바람 냉수펌프 냉수 냉각수펌프 해수 공조기 공조설비 냉각설비 냉동기

급수가열기 급수가열기 - 복수기 배출 응축수(U-튜브측)를 터빈추기(쉘측)사용 급수가열

4. 응축열전달(2/5) 이상 응축(Ideal Condensation) 열전달 포화온도보다 낮은 고체표면에 증기가 급격히 접촉하게 되는 경우 증기가 응축되어 액상 액상이 된 부분을 순간 순간 연속적으로 제거시 - 증기 응축현상 계속유지(열전달률 가장 높음) 금속면이 증기와 접하게 되는 최초의 순간

4. 응축열전달(3/5) 막(Film)응축 열전달 포화온도보다 낮은 수직 평판에 접촉한 증기는 응 축되고, 응축된 액체는 중력 작용 때문에 판 아래 로 흘러 내림 액체가 판을 적시면 미끄러운 막 형성(막응축) 표면이 액체막으로 덮이고 막은 판을 내려 갈수록 두께가 커짐 막에는 온도 구배가 있으므로 막은 열전달에 대해 열저항 열전달률이 방울 모양의 응축에서 보다 낮음

4. 응축열전달(4/5) 방울 모양의 응축 (Dropwise Condensation) 고체표면에서 응축된 액체가 표면을 적시지 않고 작은 물방울이 형성되어 불규칙적으로 표면을 따 라 떨어지는 과정 고체표면 대부분이 직접 증기에 노출되므로 막 장 벽(Film Barrier)이 존재하지 않음 열전달률이 막응축 때 보다 약 10배정도 큼 장시간 증기 노출시 표면이 젖는것 방지필요

4. 응축열전달(5/5) 공기 등이 혼합되어 있는 증기의 응축 열전달률이 현저히 저하 비응축성 기체가 전열면에 축적되어 증기가 전열면과 직접 접촉하는것 차단 증기가 비응축성 기체분자 내로 확산하는 형 태로서 액막에 이르게 되기 때문

요약정리 용어의 개념 열전달곡선에서 각 영역에서 열전달형태 DNB 및 DNBR 비등열전달에 영향을 미치는 인자 압력변화가 비등 열전달에 미치는 영향 유량변화가 비등열전달에 미치는 영향 응축열전달의 특징 응축열전달의 종류별 특징

학습내용