캐비테이션 현상을 이용한 가열기에 관한 실험적 연구

Abstract

캐비테이션 현상은 고속으로 회전하는 회전체주위의 유체가 국부적으로 압력이 포화증기압보다 낮아지면서 기포가 발생, 성장하여 파괴되면서 수 천도에 이르는 열에너지를 방출하며 회전체의 국부적인 침식작용을 유발시킨다. 대부분의 유체 회전기계에서 발생하는 캐비테이션 현상을 최소화하고 저감시키기 위한 많은 연구와 노력들이 수행되고 있다. 그러나 이러한 현상의 긍정적인 면을 활용하기 위한 노력은 최근에서야 조금씩 이루어지고 있는 추세이다. 본 연구에서는 가열기 내부를 흐르는 유체 주위로 캐비테이션 현상을 인위적으로 발생시켜 기포가 파괴되면서 유체에 전달된 열에너지를 가장 효율적으로 얻을 수 있는 주요 인자를 알아보기 위하여 3,600rpm, 15kW 가변속 전동기에 가열기를 연결하여 이 가열기로 일정한 온도의 물을 공급하였고 가열기를 거친 물이 얻은 열에너지를 계산하였다. 그리고 열에너지를 가장 효율적으로 얻기 위한 주요 인자들을 알아보기 위하여 전동기의 회전수, 가열기 입구 측의 압력, 유속을 변화시켜가며 다양한 조건의 실험을 수행하였다. 캐비테이션 현상을 효율적으로 발생시키는 주요 인자들인 입구압력, 입구유속, 그에 따른 레이놀즈 수와 열발생량, 효율과의 상관관계를 실험을 통해 알아보았고 다음과 같은 결론을 얻었다. 가열기에서의 열발생량은 동일 회전수에서 입구압력이 높을수록, 입구유속이 빠를수록 크게 나타났다. 또한 3,600rpm의 회전수일 때 가장 많은 열이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 가열기에서 캐비테이션 현상을 발생시키는 주요 인자와 열발생량, 열효율과의 관계를 규명하였다. 또한 이번 연구를 통해 캐비테이션 현상으로 인한 고온의 열발생 메카니즘은 신재생에너지 분야뿐만 아니라 화학, 의료 및 수처리 분야 등에도 널리 적용될 가능성이 있는 것으로 생각되며, 캐비테이션 현상을 이용한 연구가 더욱 활발하게 진행될 수 있는 될 수 있는 계기가 될 것으로 사료된다.