풀비등 특성곡선

풀비등과 특성곡선

풀비등은 정지한 액체 속 가열면에서 일어나는 비등 현상이다.

벽면 과열도에 따라 열유속이 어떻게 변하는지 나타낸 곡선이 특성곡선이다.

이 곡선으로 영역, 임계열유속, 설계 기준을 차례로 살펴본다.

네 가지 비등 영역

벽면 과열도가 작은 쪽부터 열전달 기구가 차례로 바뀐다.

자연대류 영역은 기포가 거의 없고 액체의 밀도차로 열이 옮겨진다.

핵비등은 기포가 생기고 떨어지며 액체를 섞어, 열전달계수가 가장 크다.

천이비등과 막비등은 증기막이 표면을 덮는 방식이 달라 열유속이 줄거나 다시 늘어난다.

임계열유속과 라이덴프로스트점

핵비등은 기포가 생기고 이탈하며 열유속이 급격히 커지는 구간이다.

핵비등이 끝나는 열유속 최대점이 임계열유속, 즉 CHF다.

CHF를 넘으면 기포가 표면을 덮어 벽면 온도가 급상승하는 버너아웃이 일어난다.

이후 천이비등에서는 열유속이 줄고, 증기막이 표면 전체를 덮으면 막비등이 된다.

천이비등과 막비등이 만나 열유속이 최소가 되는 점이 라이덴프로스트점이다.

과열도 계산 예시

벽면 과열도는 가열면 온도에서 포화온도를 뺀 값이다.

가열면 110℃, 포화온도 100℃인 물이면 과열도는 10℃다.

10℃는 핵비등 구간에 해당하는 과열도로, 기포가 활발히 생기는 구간이다.

같은 물에서 가열면을 130℃로 올리면 과열도는 30℃가 되어 천이비등 구간에 들어갈 수 있다.

직접 풀어 보기

방금 배운 비등 영역을 직접 적용해 보자.

과열도가 커질수록 열유속이 줄어드는 구간을 고른다.

정답과 정리

정답은 천이비등이다. 과열도가 커질수록 열유속이 줄어드는 구간이다.

정리하면 과열도가 커질수록 네 영역이 차례로 나타난다.

열전달계수는 핵비등에서 최대이고, 열유속 최대점이 임계열유속이다.

설계는 임계열유속 이하의 핵비등 구간에서 운전하는 것을 기본으로 한다.