열교환기 유체의 유동양식 (Flow Pattern) (1)

유체의 유동양식(Flow Pattern)

열교환기에서의 열전달은 유체에서의 기체-액체 비율, 그리고 유속에 따라 결정되는 유동양식(flow pattern)과 밀접한 관계가 있다.

 

1. 수평관내 유동양식

수평 유동에서는 중력이 반경방향으로 작용하므로 유동이 중심축에 대해 반대칭 형태를 가지며, 상대적으로 밀도가 큰 액체는 아래쪽으로 쳐져 흐른다. 그리고 과열상태인 증기는 Tube 입구에서 전단력에 따라 유동양식이 달라진다. 그러므로 전단력의 지배를 받는 유동양식은 분무류(Mist. Flow), 환상류(Annular Flow), 기포류(Bubble Flow) 등으로 구분하며, 중력의 지배를 받는 유동형태는 파상류(Wavy Flow), 성층류(Strarified Flow), 플러그류(Plug Flow), 슬러그류(Slug Flow), Semi-Annular Flow등으로 구분한다.

 

1) 분무류(Mist Flow)

안개류(Foggy Flow)라고도 하며 열전달 관점에서는 제일 나쁜 유동이다.

 

2) 기포류(Bubble Flow)

이 유동은 액체 영역에 작은 기포가 분산되어 함께 흐르는 형상이다. 부력의 영향으로 기포들은 수평관 상부에 더 많이 분포하여 흐르고, 액체의 유량이 증가할수록 Tube 단면 전체에 균일하게 분포하는 경향을 보인다.

 

3) 플러그류(Plug Flow)

플러그류는 기포류에서 유속이 낮아지면 기포들이 서로 모여 긴 형태의 플러그 기포가 형성되며, 이 기포는 Tube 상부를 따라서 흐르게 된다.

 

4) 성층류(Stratified Flow)

이 유동은 기체와 액체가 모두 느린 속도로 수평관 내를 유동할 때 나타나며, 층을 형성하며 흐르는 형상이다. 특히 기체와 액체 간의 상대속도가 작기 때문에(유속이 거의 비슷함.) 두 유체의 경계면은 부드러운(Smooth) 선의 형상을 보인다.

 

5) 파상류(Wavy Flow)

이 유동은 성층류에서 기체속도가 증가하여 액체와의 상대 속도가 커지게 되면 경계면이 교란을 받아서 표면파(Surface Wave)가 발생하는 유동이며, 이 표면파는 유동방향으로 흐르게 된다.

 

6) 슬러그류(Slug Flow)

이 유동은 외형상 플러그류와 유사하나 빠른 속도의 기체에 의해서 발생한다는 점에서 그 특성이 다르다. 파상류에서 기체의 속도가 증가하면 경계면 파동의 진폭이 커지면서, 기포가 섞인 액체파가 Tube상부를 간헐적으로 접촉하면서 빠른 속도로 하류로 흐른다. 액체 슬러그가 접촉하고 난 뒤의 Tube상부에는 액체가 액막(liquid film)의 형태로 얼마간 남아있게 되며, 이 상태에서 기체의 속도가 조금 더 빨라지게 되면 파형 환상류가 나타나고, 궁극적으로 환상유동으로 천이하게 된다.

 

7) 환상류(Annular Flow)

환상류는 기체가 빠른 속도로 Tube중심 부분을 흐르고, 밀도가 큰 액체는 원심력에 의해 Tube벽을 따라 액막(Liquid Film)을 유지하면서 상대적으로 느린 속도로 흐르는 형상이다. 기체의 속도가 아주 빠르게 되면 액막으로부터 일부 액체가 이탈하여 액적(liquid droplet) 형태로 기체와 함께 흐르는 환상 분무류(Annular-Mist Flow)가 나타나게 된다.

 

 

그림 a. 수평관내의 유동 양식

 

2. 비등시 수평관에서의 유동양식

Tube외부에서 열이 가해져 유체가 비등하면 유동양식은 유동방향에 따라 계속 변화한다. 그림 b를 보면 과냉상태의 액체가 흘러 들어와서 기포류-슬러그류-파상류-환상류-액적류의 과정을 거쳐서 결국 과열 증기상태로 흘러나가게 된다.

비등시 유동양식의 변화과정도 질량유속(mass velocity)과 열유속(heat flux)에 따라 달라진다. 그림b의 변화과정은 질량유속과 열유속이 모두 낮은 상태에서 나타나는 현상이다.

 

그림 b. 비등시 수평관내의 유동양식 변화

3. 응축시 수평관에서의 유동양식

수평응축관내에서 유동양식의 변화과정은 그림c와 같다. 응축 시에도 주위 Tube벽에 의한 냉각이 얼마나 빨리 진행되는가에 따라서(heat flux 크기에 따라) 유동양식은 다르게 나타난다. 즉, 높은 열유속인 경우 과열상태로 들어온 증기는 응축되면서 환상 분무류-환상류-슬러그류-플러그류의 과정를 거쳐 과냉상태의 액체로 흘러가게 된다. 이때 Tube입구에서는 증기의 유동에 따른 전단력에 의해 유동형태가 결정되고, 하류로 갈수록 액체가 Tube단면적을 채워가면서 액체유동에 따른 전단력이 유동양식 변화의 주된 지배요인이 된다.

반면에 낮은 열유속인 경우 과열상태로 들어온 증기는 환상 분무류-환상류-파상류-성층류의 과정을 거쳐 포화증기와 함께 빠져나간다. 이 경우는 Tube출구로 갈수록 중력이 유동양식을 결정하게된다.

 

그림 c. 응축시 수평관내의 유동양식 변화