본문내용
1. 서론
1.1. 비등의 개념 및 원리
비등은 액체가 표면과 내부로부터 모두 기포가 발생하면서 기체로 변하는 현상이다. 즉, 액체의 표면과 내부에서 기화가 일어나는 현상을 말한다.
비등은 크게 네 가지 양식으로 구분된다. 첫째, 풀 비등(pool boiling)은 자연대류 비등으로, 비등과정에서 액체 내에서 기포가 생성되고 성장하여 벽면에서 이탈되는 현상이 나타난다. 이때 실제로 비등현상이 발생하지 않는 영역도 있는데, 이를 자연대류비등이라 한다.
둘째, 핵 비등(nucleate boiling) 영역은 고체 표면의 온도가 상승하여 증기핵이 형성되고 기포가 발생한 후 고체 표면에서 분리될 때 표면 근처에서 유체의 혼합현상이 발생하여 열전달계수와 열전달량이 증가된다. 액체의 포화온도와 고체표면의 온도차가 클수록 기포가 증가하여 기포의 충돌이 생기고 대량의 증기가 활발하게 운동하면서 열전달이 크게 촉진된다.
셋째, 천이 비등(transition boiling) 영역은 증기막이 고체표면에서 형성되기 시작하며 막비등과 핵비등이 발생하는 불안정한 현상이 나타난다. 액체와 표면의 온도차이가 클수록 증기막 면적이 증가하여 열전달 능력이 감소한다.
넷째, 막 비등(film boiling) 영역에서는 고체의 표면이 증기막에 의해 완전히 둘러싸이게 되고, 액체가 고체 표면에 도달하지 못하여, 고체에서 증기막을 통해 대류 열전달과 복사 열전달 현상이 일어난다.
이와 같이 비등은 액체와 고체표면의 온도차, 압력, 유체의 성질 등에 따라 다양한 비등 양식이 나타나며, 이는 열전달 효율에 큰 영향을 미친다.
1.2. 비등 실험의 필요성
비등 실험의 필요성은 다음과 같다.
비등은 액체가 표면과 내부로부터 모두 기포가 발생하면서 기체로 변하는 현상이다. 즉, 액체의 표면과 내부에서 기화가 일어나는 현상을 말한다. 이 실험은 비등 이론인 비등양식과 풀비등을 이해하고, 실제 일어나는 비등을 이해하기 위해 필요하다.
비등 실험을 통해 가열된 고체 표면의 온도와 비등하는 액체의 온도, 공급된 열전달량 등을 측정할 수 있다. 이를 통해 비등곡선을 그리고 대류 열전달계수를 계산할 수 있다. 이 열전달계수는 교차유동 열교환기의 효율 향상에 활용될 수 있다.
또한 비등은 원자력 발전이나 압력밥솥 등에서 주로 사용되므로, 안전한 설계를 위해 비등 실험을 수행하여 결과를 얻고 이를 활용해야 한다. 비등 및 응축을 이용하면 높은 열전달률을 얻을 수 있기 때문에 동력 사이클이나 고밀도 열교환기 설계에 가열 또는 냉각 목적으로 이 현상을 이용해야 한다.
따라서 비등 실험은 비등 과정에 대한 이해를 높이고, 다양한 공학적 응용분야에 활용할 수 있는 열전달 특성을 파악하기 위해 필요하다.
2. 이론적 배경
2.1. 비등 양식
2.1.1. 풀 비등
풀 비등(pool boiling)은 액체가 고체 표면에 접촉하여 자연대류에 의해 열전달이 일어나는 비등 현상이다. 이 과정에서는 액체 내에서 기포가 생성되고, 이 기포핵이 성장하여 고체 표면으로부터 벗어나는 현상이 나타난다.
풀 비등 영역에서는 고체 표면의 온도가 액체의 포화 온도보다 상승하더라도 실제로 비등이 일어나지 않고, 주로 자연대류에 의해 열전달이 이루어진다. 이 영역에서는 열전달 계수가 상대적으로 낮은 편이다.
하지만 고체 표면 온도가 더 상승하면 기포 핵의 생성이 활발해지고, 기포의 성장과 분리가 활발하게 일어나는 핵 비등 영역에 도달하게 된다. 이 영역에서는 액체와 고체 표면의 온도차가 크면 클수록 기포의 생성과 성장이 촉진되어 열전달 계수가 크게 증가한다.
즉, 풀 비등 영역은 자연대류에 의한 열전달이 지배적이지만, 고체 표면 온도가 상승함에 따라 점차 핵 비등 영역으로 전환되면서 열전달 성능이 크게 향상된다고 볼 수 있다.
2.1.2. 핵 비등
핵 비등 영역은 포화온도 이상으로 고체 표면의 온도가 상승하여 증기핵이 형성되고 기포가 발생한 후 고체 표면에서 분리될 때 표면 근처에서 유체의 혼합현상이 발생하여 열전달계수와 열전달량이 증가된다. 액체의 포화온도와 고체표면의 온도의 온도차이가 클수록 기포가 증가하여 기포의 충돌이 생기고 대량의 증기가 활발하게 운동하면서 열전달이 크게 촉진된다. 즉, 핵 비등 영역에서는 표면에 기포가 생성되고 성장하여 고체 표면에서 떨어져 나가면서 활발한 열전달이 일어나는 현상을 말한다.
2.1.3. 천이 비등
천이 비등 영역은 증기막이 고체 표면에 형성되기 시작하는 구간으로, 막 비등과 핵 비등이 동시에 발생하는 불안정한 현상이 관찰된다. 이 영역에서는 고체 표면과 액체의 온도차이가 클수록 증기막의 면적이 증가하여 열전달 능력이 감소한다.
액체와 고체 표면 간의 온도차가 ...
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