핵비등

핵비등이란 표면 온도가 포화유체 온도보다 일정량 더 뜨겁지만 열량이 임계 열량 이하일 때 발생하는 비등 유형이다.물의 경우 아래 그래프와 같이 표면 온도가 포화 온도(T_S)보다 10~30℃(18~54°F) 높을 때 핵 비등이 발생한다.임계 열량은 핵 비등과 전이 비등 사이의 곡선의 피크다.표면에서 액체로의 열 전달은 필름 비등에서의 열 전달보다 크다.

핵산 비등 현상은 전기 주전자에 흔히 나타나며 비등하기 전에 발생하는 소음에 원인이 있다.물이 빠르게 가열되는 물보일러에서도 발생한다.

메커니즘

두 가지 다른 체제는 핵 비등 범위에서 구별될 수 있다.온도 차이가 T_S 위 약 4~10°C(7.2~18.0°F)일 때 핵 현장에 격리된 거품이 형성되어 표면과 분리된다.이러한 분리는 표면 근처에서 상당한 유체 혼합을 유도하여 대류 열전달계수와 열유속을 실질적으로 증가시킨다.이 정권에서 대부분의 열전달은 표면에서 움직이는 액체로 직접 전달되는 것이지 표면에서 올라오는 증기 거품을 통해서가 아니다.

T_S 위 10~30°C(18~54°F)에서 두 번째 흐름 체계가 관찰될 수 있다.핵 부위가 활성화되면서 거품 형성이 증가하면 거품 간섭과 결합이 발생한다.이 지역에서 증기는 제트나 기둥이 그 후 증기의 슬러그로 합쳐지면서 빠져나간다.

인구밀도가 높은 거품 사이의 간섭은 표면 근처의 액체의 움직임을 억제한다.이는 그래프에서 곡선의 기울기 방향의 변화나 비등곡선의 변곡으로 관찰된다.이 시점 이후 열전달계수와 온도차(열유속)의 산물은 여전히 증가하고 있지만 표면온도는 더욱 증가함에 따라 열전달계수가 감소하기 시작한다.

온도차이의 상대적 증가가 열전달계수의 상대적 감소에 의해 균형을 이룰 때, 그래프의 피크에 의해 관측된 최대 열유속이 달성된다.이것이 임계 열량이다.최대 이 지점에서 상당한 수증기가 형성되고 있어 액체가 표면을 계속 적셔 표면으로부터 열을 받기가 어렵다.이것은 이 지점 이후 열량을 감소시킨다.극한에서는 일반적으로 레이덴프로스트 효과로 알려진 필름 비등 현상이 관찰된다.

액체(열교환기)의 다량(열교환기)을 과냉각하면서 열전달 표면의 벽 온도가 포화 온도 이상으로 올라가면 벽에 인접한 마이크로 캐비티에서 액체 내에 증기 거품을 형성하는 과정이다.거품들은 그들이 어떤 결정적인 크기에 도달할 때까지 자라며, 그 때 그들은 벽에서 분리되어 주 유체 흐름으로 운반된다.거품이 생긴 열전달 표면보다 벌크 액의 온도가 높지 않아 거품이 무너진다.이 붕괴는 또한 물주전자가 가열하는 동안 대량 끓는 온도에 도달하기 전에 내는 소리에도 원인이 있다.

핵 비등기의 열전달과 질량전달은 열전달율에 상당한 영향을 미친다.이러한 열전달 과정은 열전달 표면에서 생성되는 에너지를 빠르고 효율적으로 운반하는 데 도움이 되며, 따라서 액체를 냉각재로 사용하는 원자력발전소와 같은 경우에 바람직한 경우도 있다.

핵 비등 효과는 다음 두 위치에서 발생한다.

• 액체-벽 인터페이스
• 거품 처리 인터페이스

핵 비등 과정은 복잡한 성질을 가지고 있다.제한된 수의 실험 연구는 끓는 현상에 대한 귀중한 통찰력을 제공했지만, 이러한 연구들은 내부 재계산(기존 열역학 계산 방법에 적용되지 않는 유체의 혼돈 상태, 따라서 잘못된 반환값을 주는 것)으로 인해 종종 모순되는 데이터를 제공했고 결정적인 지느러미를 제공하지 않았다.아직 모델과 상관관계를 개발하지 못한 것.핵 비등 현상은 여전히 더 많은 이해를 필요로 한다.^[1]

비등열전달상관

핵 비등체계는 적당한 온도차이로 가능한 높은 열유속 때문에 엔지니어들에게 중요하다.데이터는 형식의 방정식에 의해 상관될 수 있다.^[2]

${\displaystyle N{{u}_{b}}={{C}_{fc}}\왼쪽(R{{e}_{b}},P{{r}_{L}}\오른쪽)}$

Nusselt 번호는 다음과 같이 정의된다.

${\displaystyle N{{u}_{b}}={\frac {\frac({\frac {q}{A}\오른쪽){{\frac {\frac}{{a}}}}{\right){\pressD}_{b}}}{\왼쪽({{{{})T}_{s}-{{{}-{{T}_{sat}}\오른쪽){{k}_{L}}}}}$

여기서 Q/A는 총 열량, ${\displaystyle D_{}}$ $b{\displaystyle {}_{}}$ ${\$ 스타일 $D_{b}}$는 표면에서 나갈 때의 최대 버블 직경$$, $T{\displaystyle {}_{}}$ -${\displaystyle {}_{}{T}_{}}$는 t ${\$ 스타일 ${{}$$T}_{s}-{{{}-{{$$T}_{sat}}}$은(는) 초과온도, ${\displaystyle k_{}}$ L ${\$은(는) 액체의 열전도도, $P{\displaystyle }$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$ ${\$은 액체의 Prandtl 번호다.버블 레이놀즈 번호 $R{\displaystyle }$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\$는 다음과 같이 정의된다$$.

${\displaystyle R{{e}_{b}}={\frac {{{{D}_{b}}}{{{b}}}{{{{}}}}}}{{{G}_{b}}}{{\mu}_{L}}}}}}}}}}}}}}$

여기서 $G{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\$는 표면에서 나오는 증기의 평균 질량 속도고$$ $\mu {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\$은 액체$$ 점성이다.

Rohsenow는 핵 비등과 관련하여 가장 널리 사용되는 상관관계를 개발했다.^[3]

${\displaystyle {\frac {q}{A}}}={\mu }_{L}{{h}_{fg}}{{\frac {g\왼쪽({\rho }_{L}-{\rho }}_{v}\오른쪽){\}}}{\\ma }}\오른쪽]}^{{}^{1}\!\!\up \!{}_{2}\;}{{\왼쪽[{\frac {{{c}_{p]L}}\왼쪽({{{})T}_{s}-{{{}-{{T}_{sat}}\오른쪽)}{{{C}_{sf}}{{h}_{fg}}Pr_{L}^{n}}\오른쪽]^{3}\;}}}$

$여기$서 c ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$ ${\$$L}}$은 액체의 특정 열이다.${\displaystyle C_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\$는 표면 유체 조합이며 유체와 표면의 다양한 조합에 따라 달라진다.${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \sigma}$은(는) 액상-액상 인터페이스의 표면 장력이다.변수 n은 표면 유체 조합에 따라 달라지며 일반적으로 1.0 또는 1.7의 값을 갖는다.예를 들어 물과 ${\displaystyle {\mathrm{니켈}}_{}}$의 C s ${\displaystyle f_{}}$ ${\$는 0.006이고$$ n은 1.0이다.

다양한 표면 유체 조합에^[3] 대한$$ $C{\displaystyle {}_{}}$ s ${\displaystyle f_{}}$ ${\$의 값

표면 유체 조합	${\displaystyle C_{sf}}$
물/코퍼	0.013
물/니켈	0.006
물/플라티넘	0.013
물/빗자루	0.006
물/스테인리스 스틸, 기계적으로 연마	0.0132
수분/스테인리스 스틸, 화학적 식각	0.0133
물/스테인리스 스틸, 접지 및 광택 처리	0.0080
${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {4\mathrm{}}_{}}$ ${\$/코퍼	0.013
벤젠/크롬	0.0101
n-펜탄/크롬	0.015
에틸알코올/크롬	0.0027
이소프로필 알코올/코퍼	0.0025
n-부틸 알코올/코퍼	0.003

핵 비등으로부터의 이탈

비등계통의 열량이 계통의 임계 열량(CHF)보다 높으면 벌크 오일이 끓을 수도 있고, 어떤 경우에는 액이 작은 채널로 이동하는 곳에서 벌크 오일의 영역이 끓을 수도 있다.따라서 큰 거품이 형성되어 때로는 유체의 통로를 막기도 한다.이는 증기 거품이 더 이상 채널의 고체 표면에서 이탈하지 않고, 거품이 채널이나 표면을 지배하며, 열량이 극적으로 감소하는 핵 비등(DNB)에서 벗어나는 결과를 초래한다.증기는 기본적으로 뜨거운 표면에서 나오는 대량 액체를 절연시킨다.

따라서 DNB 동안 높은 열 유량을 유지하기 위해 표면 온도는 벌크 유체 온도보다 상당히 높아야 한다.연료판이 과열되지 않도록 해야 하는 원자로와 같은 열전달 애플리케이션에서 CHF를 피하는 것은 공학적인 문제다.DNB는 실제로 유체의 압력을 증가시키거나 유량을 증가시키거나 CHF가 높은 저온 대량 유체를 활용함으로써 피할 수 있다.그러나 벌크 유체 온도가 너무 낮거나 유체의 압력이 너무 높으면 핵 비등이 불가능하다.

DNB는 전이 비등, 불안정한 필름 비등, 부분 필름 비등이라고도 한다.그래프와 같이 물을 끓이는 경우, 표면과 끓는 물의 온도 차이가 T 위로_S 약 30~130°C(54~234°F)일 때 전환 비등이 발생한다.이는 비등곡선의 높은 봉우리와 낮은 봉우리에 해당한다.전환 비등과 필름 비등 사이의 낮은 지점은 라이덴프로스트 지점이다.

물이 끓는 전환기에는 거품 형성이 너무 빨라서 표면에 증기막이나 담요가 형성되기 시작한다.그러나 표면의 어느 지점에서든 필름과 핵 비등 사이에서 상태가 진동할 수 있지만, 필름이 덮고 있는 전체 표면의 분율은 온도차가 커짐에 따라 증가한다.수증기의 열전도율이 액체에 비해 훨씬 낮기 때문에 온도차가 커짐에 따라 대류 열전달계수와 열유속이 감소한다.

참고 항목

• 끓는
• 공동화
• 화학공학
• 유체물리학
• 열전달
• 레이덴프로스트 효과
• 소놀루미네이션

참조