소수성 코팅된 수평관내 응축 열전달에 대한 연구

Abstract

소수성 코팅은 응축 모드를 막응축에서 적응축으로 전환하여 비약적인 열전달 증진 효과를 기대할 수 있다. 하지만, 실제 응축 열교환기에 적용한 예는 보고된 바가 미미하며, 특히 압력과 증기 유량에 대한 영향은 보고된 바가 없다. 따라서, 본 연구에서는 소수성 코팅 기법을 통한 응축 열전달 증진을 도모하기 위한 기초 연구로서 관내에 소수성 코팅을 한 응축 열교환기의 실제 열전달 성능을 측정하였다. 압력 0.6 ~ 1.5 MPa, 및 질량 유량 7.5 ~ 27.5 kg/(m2s)의 조건에서 응축 열전달 계수를 측정하였으며, 소수성 코팅된 튜브와 일반 stainless-steel 튜브에서 측정된 응축 열전달 계수를 비교하였다. 소수성 코팅된 튜브 내의 응축 열전달 계수는 일반 stainless-steel 튜브 대비 최대 8배 가량 증진률을 보였으나, 압력이 높아질수록 그 효과는 미미해졌고, 특히 1.5 MPa 에서는 열전달계수가 거의 동일하게 나타났다. 이러한 결과는 압력이 높아짐에 따라 표면 장력이 감소하며, 따라서 응축 표면에서의 접촉각 감소가 일어나기 때문으로 분석되었다. 또한 유량이 커짐에 따라 소수성 코팅된 튜브에서의 응축 열전달 계수가 일반 stainless-steel 튜브 대비하여 증가율이 특징적으로 높았다. 소수성 코팅된 튜브 내에서 적응축이 유발되었다는 가정 하에, 증기 유속이 적응축 열전달의 핵심 인자인 액적이탈반경에 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 해당 응축 실험의 유동 양식은 기존의 flow regime map에서 성층류로 예측되었고, 이를 바탕으로 수평한 관 내부에서의 적응축 열전달 모델을 수립하였다. 관의 상부에서는 적응축 열전달 모델을 적용하였으며, 관의 하부에서는 응축수가 축적되어 형성된 성층에 의한 대류 열전달 모델이 적용되었다. 해당 모델에서는 접촉각에 압력에 대한 효과를 반영하였으며, 질량 유속과 튜브 내부의 geometry에 의한 액적이탈반경의 변화를 반영하였다. 본 연구는 소수성 코팅을 이용한 수평관내 응축 열전달에 미치는 압력, 유량의 효과를 실험 및 이론적으로 제시하였으며, 이는 원자력 발전에 필수적인 안전 계통뿐만 아니라 여러 산업에서 이용될 수 있는 응축 열전달 증진 기술에 대한 가이드 라인을 제시할 것이다.

Horizontal condensation heat exchangers are widely used in industrial fields such as desalination systems, energy conversion systems, water harvesting, and safety systems in nuclear power plants. Increasing the heat-transfer capacities of such systems will which can accomplish compact design, and economical operation with higher efficiency. This study exploits the potential of hydrophobic surface treatment to significantly increase condensation heat transfer. Condensation phenomena of water with developed hydrophobic coating method in a nearly-horizontal tube were experimentally investigated to determine whether increase by hydrophobic surface modifications is retained in extreme flow conditions. Various conditions of pressure (0.6 ≤ P ≤ 1.5 MPa) for different mass fluxes (7.0 ≤ G ≤ 27.5 kg/(m2 s)) were tested. The hydrophobically-coated tubes showed 8.95 times higher heat transfer coefficient h than non-coated tube at P = 0.6 MPa, but the increase became negligible as P approached 1.5 MPa. The result is consistent with the hypothesis that dropwise condensation is promoted by the hydrophobic coating at low P, at which surface tension is high, but the effect is not sustained as P increases and surface tension decreases. Under a given P, h increased as G increased. The high G is expected to encourage droplet departure in the partial-dropwise mode, and this increase in departure rate contributes to the increase in h. The experimental results are described with a newly-proposed dropwise condensation heat transfer model for hydrophobically-coated tubes that have dropwise condensation in the stratified flow regime. This study suggests the way to enhance the heat transfer of condensation heat exchangers, and provides guidelines of their operating conditions. In addition, proposed DWC heat transfer model allows proper designs of condensation heat exchangers which take advantage of hydrophobic surface modification. Therefore, much more efficient condensation heat exchangers can be practicable to industrial fields such as safety systems of NPPs, desalination systems, and energy conversion systems.