본 연구에서는 실험적 해석을 통하여 액체-액체계의 직접접촉 막비등열전달 특성을 최소막비등지점과 막비등열유속의 측면에서 해석하고자 한다. 이는 직접접촉 비등에 대한 효율적인 열전달의 온도영역이나 주어진 액체-액체 계의 조합에 대한 증 기폭발의 발생가능성의 예측에 활용될 수 있을 것이다.
등간격 접지Grid의 설계에서는 대부분의 전류가 외곽접지도체로 누설되어 Grid 구석 접촉전압이 중심 접촉전압 보다 높아지는 문제점이 있다. 비등간격 접지Grid의 설계는 이러한 문제점을 극복할 수 있으나 적절한 비등간격 접지Grid의 설계방법이나 간격결정 방법은 논의되고 있지 않다. 따라서, 본 논문에서는 비등간격 접지Grid의 장점, 수식, 최적의 간격비율을 제시한다.
등간격 접지 Grid의 설계에서는 대부분의 전류가 외곽접지도체로 누설되어 Grid 구석 접촉전압이 중심 접촉전압 보다 높아지는 문제점이 있다. 비등간격 접지 Grid의 설계는 이러한 문제점을 극복할 수 있으나 적절한 비등간격 접지 Grid의 설계방법이나 간격결정 방법은 논의되고 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 비등간격 접지 Grid의 장점을 설명한 다음 비등간격 접지 Grid의 수식을 유도 비교${\cdot}$평가하여 최적의 비등간격 접지 Grid 간격비율을 제시한다.
현재 사용하고 있는 액화천연가스 기화기는 관내부로 -162$^{\circ}C$의 액화가스가 흐르고, 관외부로 발전소 증기응축기 출구에서 배출된 20~3$0^{\circ}C$의 해수를 흐르도록 하여, 두 유체사이의 온도차로 기화시키는 간접접촉방식 열교환기가 사용되고 있다. 그러나 간접접촉방식 열교환기는 두 유체사이의 큰 온도차로 인한 금속재료의 피로현상과 해수의 염분에 의한 재질의 부식 및 미생물 부착 등의 원인으로 열전달효율이 저하되고 있다. 따라서 본 연구는 관을 중간매체로 하는 간접접촉식 열교환기대신 액화천연가스와 기화용수인 물을 직접접촉시키는 방법으로 이용하여, 위와 같은 문제점들을 근본적으로 해결하려 한다. 본 실험에서는 기화기내의 수위 500 mm와 물의 유량 10 l/min을 일정하게 고정시키고, 액화천연가스의 유량 0.12 ㅣ/min, 0.36 l/min, 0.6 l/min, 기화기내의 압력을 100 kPa, 300 kPa, 500kPa로 변화시키면서 기화기내의 기포, 온도분포, 급팽창현상, 동결현상 및 기화후 수분함유량등의 비등특성을 규명하였다. 실험결과 기화기내의 압력이 증가할수록 기포는 작고 균일한 분포를 이루고, 폭발적인 급팽창현상은 일어나지 않았다. 또한 동결현상은 액화천연가스의 기화를 방지하지 못하였으며, 기화된 천연가스내의 수분함유량 몰%는 압력과 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이고 있다.
표면 젖음성은 비등 상황에서 주요 인자인 임계열유속과 비등열전달 모두에 영향을 미치는 중요한 표면인자이다. 지금까지 표면 젖음성을 이용한 비등 조건 개선에 대한 연구는 한가지 물질의 표면 구조를 개질하는데 국한되었다. 본 논문에서는 최적화된 비등 조건을 이룰 수 있는 표면 젖음성을 찾기 위한 연구의 일환으로 소수성 물질과 친수성 물질의 혼합을 시도하였다. 가열 표면은 표면 접촉각이 $60^{\circ}$인 친수성 표면위에 표면 접촉각 $120^{\circ}$의 소수성 물질 점이 생기도록 개질되었다. 개질된 소수성 점은 마이크로 단위와 밀리단위로 그 크기를 변화시켜 가며 풀 비등 성능을 평가하였다.
Solvent 용접에 따른 무정형 고분자 폴리스티렌/폴리스티렌 계면의 접착강도의 변화를 butt joint실험을 통하여 살펴보았다. 폴리스티렌과 용해도 상수가 유사한 용매를 계면에 코팅함으로써 계면 분자쇄의 유동성 증가와 계면의 거침정도의 변화에 따른 접촉표면의 증가로 인하여 접착 강도가 증가함을 확인하였다. 사용용매의 비등점이 접착온도보다 높은 경우, 접착강도의 증가는 용매에 의한 분자쇄의 유동성 증가에 기인되는 반면 용매의 비등점이 접착온도에 비해 낮을 경우 접착강도의 증가는 용매에 의한 접촉표면의 증가에 의존함을 알 수 있었다. 접착온도가 높을수록, 접착시간이 길어질수록 접착강도는 증가되며, 사용용매가 접착강도에 미치는 영향은 감소함을 알 수 있었다.
열전달 향상을 위한 방법으로 많이 사용되고 있는 마이크로 핀을 포함한 표면 위에서의 핵비등을 액상과 기상에서 질량 및 운동량, 에너지에 대한 지배 방정식을 풀어 수치해석을 수행하였다. 핵비등에서의 기포거동을 계산하기 위해 sharp-interface 레벨셋(level-set) 방법을 상변화 효과와 핀과 캐비티와 같은 잠긴 고체에서의 점착 조건 및 접촉각, 마이크로 액체층에서의 증발 열유속을 포함하도록 수정하였다. 핀과 캐비티를 포함한 표면에서의 기포 생성, 성장, 이탈에 대한 해석을 통하여 핀-캐비티 배열, 핀-핀 간격이 핵비등에서의 기포거동에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다.
A level-set (LS) method is presented for computation of boiling phenomena which involve liquid-vapor interfaces that evolve, merge and break up in time, the flow and temperature fields influenced by the interfacial motion, and the microlayer that forms between the solid and the vapor phase near the wall. The LS formulation for tracking the phase interfaces is modified to include the effects of phase change on the liquid-vapor interface and contact angle on the liquid-vapor-solid interline. The LS method can calculate an interface curvature accurately by using a smooth distance function. Also, it is straightforward to implement for two-phase flows in complex geometries. The numerical method is applied for analysis of nucleate boiling on a horizontal surface and film boiling on a horizontal cylinder.
중대사고시 원자로 압력용기내 또는 원자로 공동(cavity) 내에서의 노심용융물은 주입되는 물로 인하여 물과 접촉하는 표면이 냉각되면서 피막층(crust)이 형성된다. 이러한 피막층의 형성은 노심용융물과 냉각수 사이의 열전달 현상에 영향을 미치며 중대사고 발생시 사고 진행에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 이러한 용융물의 피막층 형성의 해석모델을 수립하기 위해 전이현상과 전도와 대류를 포함하는 2차원 열전달과 상변화를 수반하는 문제를 포함하는 운동량방정식과 에너지방정식을 2차원으로 구성하였으며 에너지방정식은 엔탈피의 함수로 나타내었다. 그리고 이러한 2차원 지배방정식을 해석하기 위해 유한차분법 및 SIMPIER 알고리즘을 이용하였다. 비교대상으로는 한국원자력연구소에서 수행한 냉각수의 비등과 기체주입 효과가 고려되지 않은 실험을 대상으로 하였다. 계산결과 용융물의 피막층은 파동(wave) 형태로 형성되었으며 일정시간이 경과하면 변화가 없는 안정한 상태가 되었다. 용융물 내에서의 온도분포는 액체상태일 경우에는 하부가열면과 상변화가 일어나는 경계면부근을 제외하고는 거의 일정한 온도분포를 나타내고 있으며 용융물이 고화된 피막층에서는 급격한 온도변화를 보여주고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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