임계 열량

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임계 열량(CHF)은 가열 중에 위상 변화가 일어나는 현상(물을 가열하는 데 사용되는 금속 표면에 기포가 형성되는 등)의 열 한계에 대해 설명하며, 이는 열 전달의 효율을 갑자기 떨어뜨려 가열 표면의 국소화 과열을 유발한다.

점화용 임계 열 유량은 특정 물질(화염 또는 불연소 점화)에서 연소 반응을 시작할 수 있는 단위 면적당 최저 열 부하다.

설명

가열된 고체 표면에서 열이 흡수되어 액체 냉각수가 위상 변화를 겪을 때 더 높은 전달률이 발생한다. 가열된 표면으로부터 보다 효율적인 열전달(기화열+감지열)과 기포의 움직임(버블 구동 난류 및 대류)이 유체의 빠른 혼합으로 이어진다. 따라서 비등열전달은 원자력발전소와 화석발전소의 거시적 열전달 교환기와 같은 산업용 열전달 프로세스와 전자칩을 냉각하기 위한 열관, 마이크로채널과 같은 미세한 열전달장치에서 중요한 역할을 해왔다.

비등 사용은 임계 열량(CHF)이라는 조건에 의해 제한되는데, 이를 비등 위기 또는 핵 비등으로부터의 이탈(DNB)이라고도 한다. 가장 심각한 문제는 가열된 표면과 인접한 증기에 의해 액체를 교체함으로써 표면 전체에 형성된 증기막을 통해 갑자기 비효율적인 열전달로 인해 가열된 표면 재료의 물리적 연소율과 직접적인 관련이 있을 수 있다는 점이다.

따라서 CHF의 발생은 표면 열 플룩스 제어 시스템의 표면 온도에 과도한 증가를 동반한다. 그렇지 않으면 표면 온도 제어 시스템에 대해 열 전달률이 지나치게 감소한다. 이는 뉴턴의 냉각 법칙으로 설명할 수 있다.

${\displaystyle q=h(T_{w}-T_{f}\,},}$

여기서 $q{\displaystyle }$ ${\displaystyle q}$은 열유속을 나타내고$$, $h{\displaystyle }$ ${\$ $h}$은 열전달계수를 나타내고$$, $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle w_{}}$는 벽온도를 나타내고$$, ${\displaystyle {Tf}_{}}$ ${\$는 유체온도를 나타낸다$$. CHF 조건의 $발생$으로 h ${\displaystyle$h}이$$(가) 크게 감소하면 고정 $q{\displaystyle }${\$displaystyle q$$}$ 및 $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}${\$displaystyle T_{f}$의 경우 ${\displaystyle T_{}}$ w$${\$displaystyle q}$이(가$$) 증가하며 고정 ${\displaystyle \Delta }$T {\$delta T$의 경우 q ${\$displaystyledisplaystylease styledata.

상관 관계

임계 열량은 비등곡선의 중요한 지점이며 이 지점 근처에서 비등 과정을 운영하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 이 양을 초과해 열을 발산하는 것은 조심스러워질 수 있다. Zuber는 문제에 대한 유체역학적 안정성 분석을 통해 이 점에 근접한 표현을 개발했다.^[1]

${\displaystyle {\frac {q}{A_{\text{max}}}}=Ch_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g\left(\rho _{L}-\rho _{v}\right)}{\rho _{v}^{2}}}\right]^{\frac {1}{4}}(1+\rho _{v}/\rho _{L})}$

단위: 임계 유속: kW/m²; h_fg: kJ/kg; σ: N/m; ρ: kg/m³; g: m/s².

표면 재료와 독립적이며 상수 C에 의해 기술된 열선 표면 형상에 약하게 의존한다. 큰 수평 원통, 구 및 큰 유한 열선 표면의 경우 주버 상수 $C{\displaystyle }$= ${\displaystyle \pi \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{24}{}\mathrm{}\approx }$ 0.${\displaystyle 131}$ ${\displaystyle$ C$={\frac {\pi }{24}}\ 약 0.131$ 대형 수평판의 경우 $C{\displaystyle \mathrm{}\approx }$ 0${\displaystyle .149}$ ${\displaysty C\$약 0$.149}$의 값이 더 적합하다$$.

임계 열량은 압력에 따라 크게 달라진다. 저기압(대기압 포함)에서 압력 의존성은 주로 증기 밀도의 변화를 통해 압력과 함께 임계 열량의 증가로 이어진다. 그러나 압력이 임계압력에 접근함에 따라 표면장력과 기화열은 모두 0으로 수렴하여 압력 의존의 지배적인 원천이 된다.^[2]

1 atm에서 물의 경우, 위 방정식은 약 1000 kW/m의² 임계 열량을 계산한다.

열 전달 시 응용 프로그램

원자로, 화석연료 보일러, 핵융합로, 전자칩 등을 포함한 많은 열전달장치의 안전하고 경제적인 설계를 위해서는 CHF 현상에 대한 이해와 CHF 조건의 정확한 예측이 중요하다. 따라서 이 현상은 누키야마가 처음 특징지은 이후 전 세계적으로 광범위하게 조사되어 왔다.^[3] 1950년에 Kutateladze는 연소 위기에 대한 수역학적 이론을 제안했다.^[4] 수냉식 원자로의 개발로 지난 수십 년간 많은 중요한 작업이 이루어졌다. 이제 현상의 많은 측면들이 잘 이해되고 공통의 관심 조건에 대해 몇 가지 신뢰할 수 있는 예측 모델을 이용할 수 있게 되었다.

용어.

CHF 상태를 나타내기 위해 여러 가지 다른 용어가 사용된다: 핵 비등으로부터의 이탈(DNB), 액막 건조(LFD), 환상 필름 건조(AFD), 건조(DO), 소진(BO), 비등 위기(BC), 비등 전환(BT) 등이다. DNB, LFD 및 AFD는 나중에 도입될 특정 메커니즘을 나타낸다.

DO는 CHF 상태를 적절하게 설명하는 열 전달 표면에서 액체가 사라지는 것을 의미하지만, 일반적으로 환형 흐름에서 액막이 건조를 나타내기 위해 사용된다. BO, BC, BT는 현상 중심의 명칭으로 일반 용어로 사용된다. CHF 조건(또는 단순히 CHF)은 열유속 내에 임계성이 존재한다고 잘못 생각할 수 있지만 오늘날 가장 널리 사용된다. CHF 발생 시 열유속 값을 나타내는 용어는 CHF, 드라이아웃 열유속, 연소열유속, 최대 열유속, DNB 열유속 등이다.

피크 풀 비등 열량이라는 용어는 풀 비등에서 CHF를 나타내기 위해 사용된다.

Post-CHF는 흐름 비등과정의 일반적인 열전달 악화를 나타내기 위해 사용되며, 액체는 물방울의 분산된 분무, 연속적인 액체 코어 또는 앞의 두 경우 사이의 전환의 형태로 사용될 수 있다. 포스트 드라이아웃은 액체가 분산된 물방울의 형태일 뿐인 조건에서의 열전달 악화를 나타내기 위해 특별히 사용될 수 있으며, 다른 경우를 포스트-DNB라는 용어로 나타낼 수 있다.

참고 항목

• 레이덴프로스트 효과
• 핵비등

참조

외부 링크

• 비등위기 모델링